【解析】3Ｄ打印技術(shù)在骨科的臨床研究中的應(yīng)用

3Ｄ打印技術(shù)具有成型精度高,、重復(fù)性好,、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生 產(chǎn)等傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)點(diǎn),，正作為一項(xiàng)前沿的制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸被重視和推廣，主要在脊柱外科,、關(guān)節(jié)外科,、頜面外科等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng) 用，可為臨床手術(shù)設(shè)計(jì)提供有效的解決方法 ,。在骨科臨床工作中,，個(gè)體化、精確化是骨科的一個(gè)重要方向,，既往術(shù)前只能通過Ｘ射線平片,、ＣＴ掃描,、ＭＲＩ成像等影像學(xué)手段來進(jìn)行手術(shù)分析及預(yù)計(jì)手術(shù)方式。但這些影像學(xué)資料在拍攝時(shí)的一些不可控因素以及在反映病變位置,、嚴(yán)重程度和解剖學(xué)畸形方面 缺乏精確性和直觀性 ,。若僅靠手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)以及術(shù)中所見的具體情況，對(duì)病變部位判斷的偏差可能直接影響手術(shù)的安全性和手術(shù)效果,。因此,，術(shù)前精確的手術(shù)部位定位以及嚴(yán)密的手術(shù)方案設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)個(gè)體化手術(shù)的必要途徑。

１ ３Ｄ打印技術(shù)原理及重建要點(diǎn)
3Ｄ打印骨科模型的制作主要通過逆向工程原理和快速成型技術(shù)而實(shí)現(xiàn),。其主要原理是先通過Ｍｉｍｉｃｓ,、ＣＡＤ等軟件進(jìn)行三維數(shù)字化模型的構(gòu)建，然 后再進(jìn)行“分層制造,，逐層堆積”,，即將三維模型以特定的ＳＴＬ格式輸入3Ｄ打印機(jī)進(jìn)行分層制造，形成二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)平面,，再利用激光束或熱熔噴嘴等方法精確堆積材料,、逐層疊加，最終形成產(chǎn)品的三 維結(jié)構(gòu) ,。目前,，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域使用最廣泛的逆向工程技術(shù)軟件有比利時(shí)Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司的Ｍｉｍｉｃｓ軟件和德國(guó)ＳＩＥＭＥＮＳ的ＵＧＮＸ以及美國(guó)3ＤＳｙｓ-ｔｅｍ公司的ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ軟件。Ｍｉｍｉｃｓ軟件是基于醫(yī)學(xué)三維ＣＴ,、ＭＲＩ成像而進(jìn)行三維重建的軟件,，可顯示和分割ＣＴ等醫(yī)學(xué)圖像，并具有良好的圖像 編輯功能 ,。ＵＧＮＸ和ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ軟件屬于ＣＡＤ軟件之一,，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和編輯功能。

模型重建程序：
①對(duì)需要建模部位進(jìn)行三維ＣＴ掃描,，以ＤＩＣＯＭ格式保存數(shù)據(jù),，導(dǎo)入Ｍｉｍｉｃｓ軟件；
②針對(duì)所需建模進(jìn)行Ｍｉｍｉｃｓ軟件的閾值設(shè)定,，低密度的肌肉和軟組織閾值偏低,，高密度的骨組織閾值較高，可根據(jù)建模部位的需求設(shè)定閾值,，稱為“閾值分割”,。需注意的是在閾值設(shè)定時(shí)，最低閾值過高會(huì)導(dǎo)致模型過�,�,；最低閾值過小則會(huì)導(dǎo)致模型偏大；
③分割后的圖像被不同顏色標(biāo)記,，成為“蒙版”,，可利用“區(qū)域增長(zhǎng)”,、“蒙板編輯”、“布爾運(yùn)算”等對(duì)圖像進(jìn)行編輯,；
④對(duì)編輯完成后的“蒙版”進(jìn)行計(jì)算,，即生成3Ｄ模型，在計(jì)算生成3Ｄ模型后,，可能由于骨骼與周圍組織的各閾值不同,，以統(tǒng)一閾值標(biāo)記重建后出現(xiàn)一些“孔洞”或“釘狀物”，則需要手動(dòng)逐層修補(bǔ)處理,；
⑤處理完成后以ＳＴＬ格式保存,，導(dǎo)入3Ｄ打印機(jī)即可打印出與建模部位高度還原的3Ｄ實(shí)物模型。

２ 術(shù)前骨骼模型還原重建
在關(guān)節(jié)外科中,，常需通過植入人工假體來替換已經(jīng)發(fā)生病變的相應(yīng)部位,，以重建其解剖結(jié)構(gòu)及功能，但人工假體與手術(shù)部位的形態(tài)擬合性較差,，術(shù)前無法完全確定假體型號(hào)及確切大小,，因此術(shù)中常需反復(fù)嘗試各種型號(hào)的假體，加重了局部創(chuàng)傷的同時(shí) 也增加了手術(shù)時(shí)間 ,。3Ｄ打印骨骼模型不僅具有高度還原性，同時(shí)還能顯示出Ｘ射線片,、ＣＴ掃描,、ＭＲＩ成像無法展現(xiàn)的信息。術(shù)前根據(jù)模型提供的信息確定假體的型號(hào)及具體大小,，更直觀化,、全面化、簡(jiǎn)單化,、準(zhǔn)確化地制定手術(shù)方案,，進(jìn)行術(shù)前演練與手術(shù)模擬操作等，進(jìn)而提高關(guān)節(jié)外科復(fù)雜高難度手術(shù) 的成功率,，使手術(shù)更精確,、更安全。

Ｗｏｎ等 利用3Ｄ打印技術(shù)為２１例伴有嚴(yán)重畸形的髖關(guān)節(jié)疾病的患者制訂了個(gè)體化的手術(shù)方案并行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù),，術(shù)后影像學(xué)檢查表明假體位置與術(shù)前計(jì)劃精確吻合,，而且手術(shù)時(shí)間明顯縮短。在創(chuàng)傷骨科中,，利用3Ｄ打印技術(shù)打印出骨折部位的三維模型,，可在術(shù)前對(duì)骨折有詳盡和全面的了解并做出準(zhǔn)確的診斷和分型，也可在模型上實(shí)施模擬手術(shù)過程,，如骨折復(fù)位,、選擇合適的內(nèi)固定物,、預(yù)彎塑形鋼板、確定螺釘?shù)姆较蚝烷L(zhǎng)度等,，通過模擬手術(shù)選擇不同的手術(shù)方法及調(diào)整手術(shù)策略,，制定出最佳個(gè)性化手術(shù)方案。吳章林等利用術(shù)前針對(duì)髖臼骨折進(jìn)行三維建模和虛擬骨折復(fù)位,，并在復(fù)位模型上優(yōu)化預(yù)設(shè)植入鋼板位置和虛擬釘?shù)滥�擬,、測(cè)量釘?shù)篱L(zhǎng)度，三維切割預(yù)設(shè)植入鋼板部位骨塊并3Ｄ打印,，據(jù)此進(jìn)行鋼板折彎,。術(shù)后得出折彎鋼板模擬植入位置、螺 釘植入方向,、長(zhǎng)度和虛擬設(shè)計(jì)高度一致,。

李新春等應(yīng)用3Ｄ打印技術(shù)打印出Ｐｉｌｏｎ骨折模型，并制定手術(shù)方案及模擬手術(shù)過程,，結(jié)論得出術(shù)中采用的固定鋼板,、螺釘數(shù)量與螺釘長(zhǎng)度均與術(shù)前計(jì)劃一致。3Ｄ打印技術(shù)應(yīng)用于Ｐｉｌｏｎ骨折的治療臨床可行性良好,，有助于術(shù)者對(duì)Ｐｉｌｏｎ骨折的理解和術(shù)前計(jì)劃的制定,。也有研究報(bào)道，在臨床教學(xué)工作中,，將3Ｄ打印模型與臨床病例相結(jié)合還提高了教學(xué)質(zhì)量,，有助于 學(xué)生臨床技能的培養(yǎng)和勝任力的提升，減少了尸體標(biāo)本的使用,，節(jié)約了尸體標(biāo)本購(gòu)買與保存的成本等,。

３ 個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板
近年來，3Ｄ打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的發(fā)展,，使得手術(shù)醫(yī)生在術(shù)前不僅能通過對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行還原重建,，對(duì)解剖形態(tài)復(fù)雜、需要精確定位的手術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前設(shè)計(jì),，同時(shí)也能根據(jù)模型為患者“量身定制”手術(shù)導(dǎo)板,，有助于提高手術(shù)成功率、降低手術(shù)難度,、 確�,；颊甙踩� 。目前3Ｄ打印個(gè)性化手術(shù)工具中最為典型的是手術(shù)置釘導(dǎo)板,，包括骨盆導(dǎo)板,、關(guān)節(jié)導(dǎo) 板、脊柱導(dǎo)板等,。朱春冀等將3Ｄ打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板應(yīng)用于骨科復(fù)雜手術(shù)中,，術(shù)前打印出骨骼 模型并設(shè)計(jì)相應(yīng)的手術(shù)導(dǎo)板,，對(duì)內(nèi)置物進(jìn)行預(yù)處理。

研究者認(rèn)為3Ｄ打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板能滿足手術(shù)的個(gè)體化需求,，在手術(shù)中能夠準(zhǔn)確還原術(shù)前設(shè)計(jì),，不同3Ｄ打印模型對(duì)骨科復(fù)雜手術(shù)的指導(dǎo)意義重大，可以降低手術(shù)的難度,，減少手術(shù)時(shí)間,。尹知訓(xùn)等為肘關(guān)節(jié)畸形患者設(shè)計(jì)制作3Ｄ打印個(gè)性化截骨模板并引導(dǎo)術(shù)中三維截骨，術(shù)后肘關(guān)節(jié)畸形糾正率為９５％,。Ｒａａｉｊｍａａｋｅｒｓ等應(yīng)用該技術(shù)制作出與股骨 頭,、股骨頸前表面緊密貼合的置釘導(dǎo)向器，在股骨頭表面置換中可將假體柄精確安裝在股骨頸解剖軸上,，使假體定位過程變得簡(jiǎn)單,、安裝更精確。陳宣煌等利用3Ｄ打印技術(shù)制作的輔助椎弓根螺釘置入 導(dǎo)航模板,，也獲得了滿意的效果,。 在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，下肢力線是評(píng)價(jià)人工全膝關(guān)節(jié)術(shù)成功的重要指標(biāo),，且滿意的下肢力線常需有豐富手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生才能完成 ,。Ｊｅｆｆｅｒｙ等 指出下肢力線偏差如果在±3°之內(nèi)，術(shù)后１２年假體松動(dòng)率為3％,，如果下肢力線偏差超過±４°則松動(dòng)率增加至２４％,。

因此，為提高下肢力線重建的精確性,，李偉等  對(duì)１６具尸體設(shè)計(jì)制作了與股骨遠(yuǎn)端 和脛骨近端匹配的個(gè)體化釘孔導(dǎo)航模板用于全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的截骨定位。結(jié)果表明個(gè)體化的手術(shù)導(dǎo)板提高了股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端的截骨精確度,，精確定位股骨遠(yuǎn)端的旋轉(zhuǎn)軸線,，使假體的安放位置更加準(zhǔn)確。Ａｓｔ等 也通過綜述個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板在全膝 關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用得出,，個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板不僅能術(shù)前確定截骨量,、假體旋轉(zhuǎn)、安放位置以及假體大小等,，且術(shù)中無需再使用髓內(nèi)定位或髓外定位導(dǎo)向器,，由此至多能減少２１個(gè)手術(shù)步驟，不僅減少了因開髓腔而導(dǎo)致的失血量增加,，也減少了大量的術(shù)前準(zhǔn)備 時(shí)間,。樊慶陽等還通過對(duì)５例膝骨關(guān)節(jié)炎合并股骨干骨折畸形愈合的患者術(shù)前進(jìn)行三維建模后應(yīng)用3Ｄ打印技術(shù)打印出患者膝關(guān)節(jié)１∶１樹脂材料模型，并設(shè)計(jì)制作出截骨模板及確定膝關(guān)節(jié)假體規(guī)格,。術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能改善明顯,，未發(fā)生感染,、深靜脈血栓形成等并發(fā)癥。也有研究報(bào)道3Ｄ打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板的使用相對(duì)于傳統(tǒng)器械更容易,，更微創(chuàng),，更省時(shí)，且準(zhǔn)確度更高 ,。 重建的機(jī)械軸線更接近于中立位,，平均住院日、手術(shù) 時(shí)間,、手術(shù)切口長(zhǎng)度均有改善  ,。

４ 個(gè)體化替代物打印
3Ｄ打印技術(shù)具備加工精確、制作迅速,、無需特殊模具等特點(diǎn),，使個(gè)體化假體設(shè)計(jì)、制備成為可能  ,。早在１９７９年,，由Ｔｏｎｎｅｒ等 采用聚苯乙烯 為原料，為一位纖維肉瘤的患者構(gòu)建了骨盆模型,，并以此模型定制了彌補(bǔ)腫瘤切除術(shù)后骨盆缺損的金屬內(nèi)置物,。２００５年，戴尅戎等率先應(yīng)用3Ｄ打印技術(shù)設(shè)計(jì)打印出人工半骨盆替代物成功進(jìn)行了首例半 骨盆置換手術(shù),。王臻等應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)出個(gè)體化鈦合金膝關(guān)節(jié)假體,，成功為１例１４歲右股骨下段 骨肉瘤術(shù)后復(fù)發(fā)患兒施行保肢手術(shù)。Ｂｅｎｕｍ等也應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)制作出股骨髓腔導(dǎo)向器及個(gè)體化股骨假體,，為２例石骨癥患者成功施行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù),。與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的骨科植入物相比，為患者“量身定制”的3Ｄ打印個(gè)體化植入物與患者骨骼匹配更精準(zhǔn),，患肢功能恢復(fù)更快,。目前研究最多的個(gè)體化假體設(shè)計(jì)為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及骨盆等,，但大多都僅限于研究階段,，應(yīng)用于臨床的僅為少數(shù)，其臨床效果仍需進(jìn)一步的臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。

５ ３Ｄ打印技術(shù)在骨科臨床應(yīng)用存在的問題分析
3Ｄ打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù),，在骨科手術(shù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但骨科個(gè)性化的3Ｄ打印還面臨著以下問題：
①經(jīng)濟(jì)問題：3Ｄ打印具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì),，打印機(jī)的價(jià)格從數(shù)萬元到上千萬元不等,，且相關(guān)配套的ＣＴ、ＭＲＩ設(shè)備以及建模和 逆向工程、ＣＡＤ等軟件,，都是一筆不小的費(fèi)用 ,。
②材料問題：目前應(yīng)用較多的材料包括金屬、陶瓷,、光敏樹脂,、石膏等，每種材料的物理性能和理化性質(zhì)不同,，價(jià)格從幾百元到幾千元不等,，且并不都適應(yīng)臨床需要，文獻(xiàn)報(bào)道人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后１％的患者出現(xiàn)明顯金屬過敏癥狀,，在假體功能良好的患者中,，通 過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)２０％～２５％的患者存在金屬過敏 ,。因此選擇適合人體特性的金屬材料如鈦合金,，其價(jià) 格高達(dá)每千克２０００元左右 ,。

③生產(chǎn)問題：3Ｄ打印技術(shù)需要依靠數(shù)字技術(shù)模型來進(jìn)行生產(chǎn),，但目前針對(duì)骨科打印臨床規(guī)劃軟件很少，且大多數(shù)臨床醫(yī)生不會(huì)使用相關(guān)設(shè)備和軟件,，因此很多研究者需與專門的技術(shù)人員合作,，結(jié)合使用多組工程軟件才得以實(shí)現(xiàn)某些臨床復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃,，但這個(gè)過程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用增加,，一定程度地限制了3Ｄ打印技術(shù)在臨床應(yīng)用。
④打印精度問題：應(yīng)用3Ｄ打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨骼還原重建及設(shè)計(jì)制作個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板均要求3Ｄ打印機(jī)具有較高的精確性,，在高度還原重建的模型上制備的手術(shù)導(dǎo)板才能準(zhǔn)確定位,，若術(shù)前構(gòu)建的模型還原度較差，將直接導(dǎo)致手術(shù)導(dǎo)板及個(gè)體化替代物的設(shè)計(jì)存在力學(xué)和材料學(xué)上的缺陷,，最終使手術(shù)失敗,。
⑤臨床應(yīng)用問題：在臨床實(shí)踐中，3Ｄ打印出的個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板存在不規(guī)則性,，在手術(shù)中的固定穩(wěn)定性較差,，為防止使用時(shí)導(dǎo)板移動(dòng)，需要選擇標(biāo)志性的解剖結(jié)構(gòu)作為參考點(diǎn)及錨定點(diǎn),。且術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)不同打印材料及不同消毒方式對(duì)于手 術(shù)導(dǎo)板及個(gè)體化替代物的影響也有待進(jìn)一步研究。

６ 展望
目前3Ｄ打印的模型能夠提供比任何二維或三維影像更直觀全面的信息,，使術(shù)者可以為患者制定 個(gè)性化手術(shù)方案 ,。隨著3Ｄ打印的快速發(fā)展，要高度重視打印廢棄物對(duì)環(huán)境的污染,、對(duì)能源的消耗等,，應(yīng)大力提倡環(huán)保、可再利用打印材料的研發(fā)和應(yīng)用 ,。并且一款針對(duì)骨科各種手術(shù)的集逆向工程和快速成型技術(shù)于一體的多功能軟件的開發(fā)是有必要的,。3Ｄ打印技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)之一,，盡管研究結(jié)果仍存在爭(zhēng)議，但3Ｄ打印技術(shù)本身極具應(yīng)用價(jià)值,，需要進(jìn)行更多的研究,、探索，最終在未來的臨床工作中,，越來越多的患者能夠獲益,。

編輯：南極熊
作者：吳 碧 ，馮均偉

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