3D 打印結合數字化技術在數字骨科醫學發展中的應用配合

3D 打印結合數字化技術在數字骨科醫學發展中的應用配合

邱雪，吳荷玉

關鍵詞:3D打??；數字化技術；數字骨科；應用配合

中圖分類號：R473.73

文獻標識碼：碼：C

doi:10.3969/j.issn.1009-6493.2015.30.054

文章編號：號：100-6493(2015)10C-3839-02

作者簡介邱雪,主管護師,?？?單位: 430022，華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院;吳荷玉(

通訊作者)單位: 430022，華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院。

3D打印技術目前在社會各領域的應用越來越廣泛，被譽為是“第三次工業革命的標志”[1]，將成為改變未來世界新的創造性科技，即將使人類進入“點擊制造”時代。數字醫學之父鐘世鎮院士奠定了中國數字醫學發展的基礎，在他的倡導下我國于2001年和2003年召開了兩次香山科學會議。在2001年舉行的第174次香山科學會議上，首次研討了“中國數字化虛擬人體的科技問題”；2003年召開的第208次香山科學會議上，研討了“中國數字化虛擬人體研究的發展與應用”。之后，從無到有、從模仿到創新、從繼承到研究、從理論探討到開發應用，數字醫學的基礎和應用研究在我國得到迅速發展并取得了令人矚目的成績。 在此背景下，鐘世鎮院士基于數字醫學提出了數字骨科的理念，為3D打印技術在數字骨科的應用及發展提供了有力的技術保障。隨著制造技術、數字建模技術、數控技術、信息技術、材料科學與化學、生物技術等前沿技術的迅猛發展以及多學科的密切合作，3D打印技術的開發已經成為當今最熱門的新技術之一[2]。3D打印技術的飛速發展也為骨科醫學領域提供了難得的發展契機，尤其是對數字骨科領域的發展起到了巨大的推動作用。數字骨科結合數字技術使傳統骨科步入數字化時代, 為數字骨科的發展注入新的活力，引領一場新的數字骨科醫學革命。3D打印結合數字化技術是數字骨科個性化治療發展的一個重要方向,它的出現有效解決了個性治療的難題[3],它是利用三維重建、逆向工程、計算機輔助設計(CAD)等技術提取病人的影像數據并通過3D打印制作出個性化的實體模型、植入物及輔助器械,有效地提高療效。我院2014年1月—2015年2月對8例骨科的病人應用3D打印技術實行個性化手術治療,效果較好?，F報告如下。

1資料與方法

1.1一般資料8例病人中,男5例,女3例；年齡19歲～60歲,平均41歲；頸椎骨折2例,脛腓骨折2例,肩關節懸吊復位骨折1例,骨盆髖臼骨折1例，骨盆腫瘤2例。所有病人手術過程順利，愈合效果好。

1.2方法傳統的骨科手術通常采用二維圖像資料進行手術方案的術前設計，然后根據醫生在大腦中形成的三維印象進行手術，經驗與手術熟練程度決定了手術的成敗。數字化技術可以對具體病例進行優化以及個性化的手術方案設計，使手術更加精確及個性化。術前利用3D打印技術可以制作出1∶1的病人組織器官的3D實體模型，在3D模型上醫生可以根據術前優化的手術設計方案進行模擬手術以及更為細致的手術規劃并按照規劃對病人實施手術治療。

2結果

所有病人手術過程順利,手術時間1 h～3 h,平均2.25 h,無一例病人出現與手術相關的嚴重并發癥,愈合效果好。

3配合要點

隨著3D打印結合數字化技術的發展,未來的數字骨科模式將是“個性化、精確化、微創化”的發展模式,骨科醫療器械制造業將是“定制化”的發展趨勢。

3.1學習相關知識3D打印技術是利用三維計算機輔助設計(CAD)的數據，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體。不同種類的快速成型系統因所用成型材料不同，成型原理和系統特點也各有差異，但基本原理一樣，那就是“分層制造，逐層疊加”，猶如一臺“立體打印機”，因此得名[4]。3D打印原理是集成計算機輔助設計和計算機輔助制造(CAD/CAM)、數控技術、激光技術、高分子材料、三維 CT 技術等領域為一體的全新快速成型技術,區別于傳統的等材制造和去材制造技術,又稱增材制造,它與普通的打印原理基本相同,在快速成型裝置(打印機)內裝有液體或粉末等“打印材料”一層層疊加起來,最終把計算機上的藍圖變成實物,“分層制造,逐層疊加”是其核心原理[5]。

醫學治療的個性化是21世紀醫學發展方向之一。個體化治療是骨科能進一步改進內植物與受區的匹配度,骨骼肌肉系統的個體特征,滿足不同性別、種族、運動習慣和職業的個體需要,從而實現治療決策與治療技術的優化。提取病人的影像數據,利用三維重建、逆向工程等技術“量體裁衣、度身定做”,并通過3D打印制作出個性化的實體模型、植入物及輔助器械,有效地提高療效。個性化醫療植入物在個體化人工關節置換、個體化接骨鈑、個體化骨盆修復等臨床手術中,打印技術得到廣泛應用[6，7]。因此，定制化、個性化的假體與內植物更能符合個性化醫療的要求。金屬3D打印技術的出現給外科植入物的發展提供了有力的保障，可以將個性化、定制化的假體三維設計轉化為醫用不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金制成的植入物，不再需要中間繁復的工藝過程和裝備，不僅效率高，而且可以規避傳統制造工藝的限制，實現結構的優化。3D打印技術可以將計算機中的三維模型、工具或假體等結構復雜的數字文件生產為實物,為臨床醫師使用[8],醫生可以拿在手上作任意角度觀察的實體模型,有助于臨床醫師對復雜的三維解剖結構做出最真實、準確的評估。借助準確的個體模型,合理的術前規劃成為可能,個體的導板工具成為現實,個體化的植入物可避免長時間等待,制作成本也相應下降。通過計算機模擬進針點及角度,私人定制特殊進針角度的個性化骨科手術導向模板、導向器。目前的內固定器械常有配套的通用瞄準器械或模板系統,以輔助內固定物置入,但在術中仍需 X 線影像的確證。而計算機輔助導航系統采用紅外線或電磁技術,可實現手術中螺釘的準確植入[9],但設備昂貴、操作繁瑣及學習曲線長等不足限制了其在臨床的推廣應用。而基于逆向工程技術和3D打印技術的個體化內固定模板則能夠與特定病例實體骨骼完全匹配,具有安全、準確等優點,并可有效減少醫護人員及病人術中放射性暴露[10，11]。模型板不僅用于數字骨科手術, 而且可以在模型上預先進行手術模型,進行預制手術導板的設計,術中參考和使用,選擇最佳重建方案,提供了大量的臨床參考數據,這項技術已臨床應用例,近期效果良好,遠期效果需臨床進一步隨訪。

3.2參與術前手術計劃制訂通過3D 打印可清晰直觀地顯示病人的骨科創傷狀況,如復雜骨折與畸形。 3D打印所獲得的數字化實體模型,提供了比醫學影像資料更加詳細的解剖學信息,實現了由二維到三維、平面到立體、虛擬到現實的轉變。醫生可直接在此模型上進行手術設計及模擬,以確保手術的成功,為臨床疾病的診斷及治療提供了精確化、個性化的新型思路和方法[6-12]。手術室護理人員積極參與這一環節,可以提前清晰地了解病人病情,知曉手術醫生的手術方式、 手術過程、手術要點和術中注意事項,提前做好術前準備工作。

3.3配合醫師進行手術模擬演練通過模擬手術可預知在術中可能遇到的問題,事先采取預防措施,比較各種方案的優劣程度,找出最佳手術方案。而且術前還可在計算機上反復預演、交流,提高對手術方案的熟悉程度。護士全程參與手術模擬演練,認真仔細配合手術醫生做好模擬手術,提前熟悉手術步驟,掌握定制器械的使用方法,牢記術中所需使用的鋼板、螺釘規格與位置、螺釘進入途徑及角度等,做到與手術醫生同步,準確、熟練、快速地配合手術醫生操作,能夠在實際手術過程中,縮短手術時間，節約麻醉藥用量，減少術中出血，快速完成手術。

3.4術前訪視術前可在計算機上給病人及其家屬預演手術過程并結合使用1∶1仿真模型進行模擬展示,詳細講解病變的復雜性及手術操作的危險性，術前注意事項等內容,減輕病人心理負擔,減少恐懼感,提高病人自信心, 增加病人自我參與意識,更好地理解及配合護理工作。

3.5術前準備手術應安排在百級層流手術間,手術間應有防輻射鉛墻、防輻射鉛衣、鉛帽、C臂機,手術間門上貼有明顯警示標牌。由參與術前制定手術計劃的專科護士擔任巡回工作,器械護士由提前配合模擬手術演練的護士擔任。提前1 d由負責手術的?？蒲不刈o士備好術中所需特殊器械,如定制器械、鋼板、螺釘等,器械外包裝上注明手術房間,手術醫生名字,以避免發生錯誤。手術當日提前打開特殊器械包,檢查滅菌效果,滅菌有效方可麻醉病人,避免病人在麻醉下等待特殊器械。

4小結

4.1優勢3D打印因其無需模具、快捷、準確的優勢成為“第三次工業革命”的重大標志之一，其獨特的個性化制造能力滿足了醫療領域眾多病人差異化的需求，3D打印結合數字化技術有望在人工假體、人工組織器官的制造方面發揮巨大的推動作用。仿真實物模型術前給病人及其家屬進行模擬展示,使病人更加直觀了解病情,便于醫生解釋手術方案,減輕病人心理負擔,提高病人自信心,有利于建立和諧的醫患關系。同時,可節約手術時間,減少術中出血,使病人康復周期明顯縮短,減少并發癥的發生,使病人早日重返日常生活工作中。

4.2劣勢①打印速度慢,成本昂貴。②配套軟件集成度及功能尚不能適應3D打印的技術發展。③3D打印材料的材質特性與單一性還需改進，例如利用金屬粉末打印假體的生物力學性能目前并不能達到傳統工藝制造的假體性能，生物打印的材料只能利用單一的活性細胞打印組織器官，并不能實現人體組織器官功能的復雜多樣性。④目前還不能完全指導手術過程(骨盆髖臼骨折中肌肉的阻擋及神經血管分布等)。

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(修稿日期：2015-02-05；修回日期：2015-09-18)

(本文編輯崔曉芳)