醫(yī)學(xué)“新星”,，帶你解密3D打印和機(jī)器人技術(shù)如何升級(jí)膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)

2021年5月17日,，南極熊了解到國(guó)外一家名為史賽克的公司利用增材制造和機(jī)器人技術(shù)促進(jìn)骨/醫(yī)用植入體結(jié)合,，極大程度上縮短了病人的手術(shù)后恢復(fù)時(shí)間,。

△史賽克的Triathlon植入物有四個(gè)部分（從上到下）：股骨,、髕骨（連接到股骨）,、襯墊和脛骨,。圖片來(lái)自史賽克公司

在上個(gè)世紀(jì)七十年代，全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)多是依據(jù)解剖學(xué)上的模型設(shè)計(jì)出類似膝關(guān)節(jié)的假體,，進(jìn)而完成關(guān)節(jié)替換實(shí)現(xiàn)治愈,。時(shí)至今日,，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，無(wú)論是假體制造,、手術(shù)方法,，還是病人的術(shù)后恢復(fù)效果都有了很大的改善。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在醫(yī)學(xué)上被稱為T(mén)KA,，當(dāng)前它的進(jìn)展主要包括：為骨植入物及其3D打印部件開(kāi)發(fā)出專用生物材料,，以及手術(shù)輔助機(jī)器人的使用。

史賽克公司于2002年開(kāi)始引入增材制造技術(shù),，公司的數(shù)字,、機(jī)器人和實(shí)體賦能技術(shù)的總裁羅伯特-科恩（Cohen）于20世紀(jì)80年代在新澤西理工學(xué)院獲得多個(gè)工程學(xué)位，他的職業(yè)生涯一直致力于研發(fā)醫(yī)用植入物,。他對(duì)3D打印等數(shù)字技術(shù)如何幫助工程師改善TKA手術(shù)有著高漲的熱情,。除了膝蓋，這家總部位于密歇根州卡拉馬祖的全球性公司還3D打印髖關(guān)節(jié),、脊柱籠和其他植入性設(shè)備,。

△史賽克數(shù)字、機(jī)器人和實(shí)體賦能技術(shù)的總裁羅伯特-科恩（Robert Cohen）

增材制造技術(shù)使他們能夠生產(chǎn)出用傳統(tǒng)方法無(wú)法制造或具備復(fù)雜幾何形狀的假體,，其中一個(gè)例子就是是促進(jìn)3D打印支架的生物相容性生物——使骨頭生能夠長(zhǎng)到假體中,。Cohen表示："3D打印是唯一能做到這一點(diǎn)的技術(shù)，為骨組織設(shè)計(jì)出可以生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu),，而不是僅僅做一個(gè)表觀的過(guò)程。按傳統(tǒng)方式你可能會(huì)鉆孔,，然后說(shuō),，'嘿，骨頭,，我希望你能長(zhǎng)到這些孔里�,，F(xiàn)在，我們可以打印一個(gè)支架結(jié)構(gòu),，骨頭將長(zhǎng)入其中,，而支架同時(shí)具有結(jié)構(gòu)完整性。就像鐵路棧橋一樣",。

TKA手術(shù)案例的增長(zhǎng)

據(jù)估計(jì),，每年有超過(guò)60萬(wàn)美國(guó)人接受這種手術(shù)。預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi),，這一數(shù)字還會(huì)上升,。美國(guó)每年的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)總數(shù)約為100萬(wàn)例�,；颊哌x擇使用史賽克的Triathlon全膝關(guān)節(jié)系統(tǒng),，并由該醫(yī)療設(shè)備制造商的Mako手術(shù)機(jī)器人提供協(xié)助,。科恩將增材制造描述為一種 "工具",，幫助工程師發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法無(wú)法解決的問(wèn)題的解決方案,。他認(rèn)為：“3D打印本身也是另一種制造方式，只不過(guò)花哨點(diǎn)了而已,。推動(dòng)創(chuàng)新的是那些想用新方法解決問(wèn)題的人的技能組合,。在患者案例中，我們開(kāi)發(fā)出了新型的替代植入物,，而3D打印則是使我們的設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)的助推器,。”

△鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的增材部件是由史賽克公司為3D打印開(kāi)發(fā)的鈦合金制成

科恩說(shuō)：“過(guò)去幾年中,，水泥骨結(jié)構(gòu)膝關(guān)節(jié)的使用迅速增長(zhǎng),。原因是長(zhǎng)期用于TKA手術(shù)的水泥骨結(jié)構(gòu)，是一種可以分解的材料,，這又是醫(yī)用植入物的另一個(gè)機(jī)會(huì)",。史賽克用鈷鉻鑄造了Triathlon膝關(guān)節(jié)的股骨組件，這種材料能與塑料襯墊良好地互動(dòng),。鑄造完成后,，股骨經(jīng)過(guò)精加工，并涂覆有燒結(jié)顆粒,，以促進(jìn)骨質(zhì)增生,。

在TKA手術(shù)中，在病人的股骨上進(jìn)行一系列的凹形切割,。端部的兩個(gè)切口與植入物對(duì)接,，就像一個(gè)楔子被打入一塊木頭�,？贫鹘忉屨f(shuō)："這是最穩(wěn)定的表面,，試想一下當(dāng)你站立的時(shí)候，你總是把骨頭推到更緊的地方,。"髕骨的制作是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程,。金屬支撐的髕骨配有由Tritanium制成的3D打印幾何形狀，Tritanium是史賽克專門(mén)為AM應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一種鈦合金,，在這種應(yīng)用中骨組織有希望進(jìn)行生長(zhǎng),。

Tritanium也被用于3D打印脛骨基底板。它與病人的脛骨通過(guò)過(guò)盈配合連接形成一個(gè)幾乎無(wú)故障的結(jié)合,，這種力量依靠摩擦力將兩個(gè)配合緊密的物體固定在一起,。金屬底板設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是四個(gè)釘子和一個(gè)龍骨�,？贫髡f(shuō)："通過(guò)增材制造,，我們可以把這些柱子和龍骨結(jié)構(gòu)放在它們都能一起工作的地方,，形成一個(gè)過(guò)盈配合，它是"堅(jiān)如磐石"的,。加工原始基材在經(jīng)濟(jì)上是不劃算的,，成本會(huì)很離譜"。

制造過(guò)程

對(duì)于AM應(yīng)用,，史賽克公司主要使用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）打印機(jī),。科恩說(shuō)："我們正在做一些電子束工藝的大型金屬零件,。我們正在研究不同的打印機(jī),，用于復(fù)雜的夾具、固定裝置以及一次性儀器和聚合物,。有一些聚合物可以用于植入物,，有一些聚合物可以成為一次性手術(shù)器械，這取決于材料的需求,。"

選擇并上線3D打印機(jī)來(lái)制造假體是一項(xiàng)重要的工作,。在金屬承重植入物的世界里，買(mǎi)一臺(tái)DMLS打印機(jī),，插上電源,，然后期望制作出一個(gè)植入物是不現(xiàn)實(shí)的。

科恩表示："打印金屬植入物需要學(xué)會(huì)控制激光器,、熔池,、功率、進(jìn)給速度,、分層以及許多其他工藝參數(shù),。因?yàn)槲覀円呀?jīng)在這些領(lǐng)域積累了經(jīng)驗(yàn)，我們是世界上醫(yī)療保健領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的有能力擴(kuò)大規(guī)模的公司之一,，而不僅僅是做小批量的生產(chǎn)。這家公司的擴(kuò)展能力通過(guò)其AMagine研究所得到了加強(qiáng),，這是一個(gè)位于愛(ài)爾蘭科克的全球技術(shù)開(kāi)發(fā)中心,。據(jù)報(bào)道，這是世界上最大的專門(mén)用于增材制造骨科部件的設(shè)施,，科恩說(shuō)該研究所的生產(chǎn)人員每年3D打印超過(guò)100萬(wàn)個(gè)零件,。

△種植體組件與患者的匹配情況

機(jī)器人輔助手術(shù)

在過(guò)去三年中，史賽克公司在醫(yī)院里安置的Mako機(jī)器人輔助系統(tǒng)的數(shù)量超過(guò)1000個(gè),，這是一個(gè)驚人的數(shù)字,。根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，Mako機(jī)器人的成本超過(guò)100萬(wàn)美元,，用于植入Triathlon膝關(guān)節(jié),。該系統(tǒng)確定最后的骨制備和植入步驟,，用特殊的Triathlon器械來(lái)執(zhí)行。

科恩表示：“史賽克公司在美國(guó)銷(xiāo)售的初級(jí)膝關(guān)節(jié)中有42%是用Mako機(jī)器人植入的,。他預(yù)計(jì)這一比例將很快上升到50%,。就像學(xué)習(xí)3D打印TKA組件一樣，開(kāi)發(fā)手術(shù)機(jī)器人并不是一個(gè)沒(méi)有耐心或沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的任務(wù),。我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)器人,，我們編寫(xiě)軟件，我們自己建造機(jī)器人,，因?yàn)闆](méi)有人能夠做到這一點(diǎn),，而我們單單在這方面已經(jīng)工作了十多年"。

△手術(shù)機(jī)器人

機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵好處是,，它在手術(shù)前和手術(shù)中為手術(shù)團(tuán)隊(duì)提供了關(guān)于病人膝蓋的前所未有的大量數(shù)據(jù),。這個(gè)過(guò)程始于醫(yī)院在病人入院前對(duì)其膝蓋進(jìn)行的CT掃描。醫(yī)院將掃描結(jié)果發(fā)送給史賽克,，史賽克會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的膝關(guān)節(jié),、脛骨、股骨,、髕骨,、軟骨和韌帶的三維模型。掃描還顯示了有用的信息,，如病人的關(guān)節(jié)炎損傷程度和軟骨損失造成的關(guān)節(jié)空間狹窄,。

Cohen解釋說(shuō)：“下一步是將數(shù)據(jù)與虛擬植入物相匹配。史賽克團(tuán)隊(duì)成員將股骨和脛骨的虛擬模型放置在虛擬骨骼上,，并收集旋轉(zhuǎn),、X-Y-Z軸、傾斜,、斜度等數(shù)據(jù),。你可能需要的一切匹配都是個(gè)性化的。機(jī)器人的目的是讓你的膝蓋準(zhǔn)確地處于你的關(guān)節(jié)線上,，并制作出能維持一生的骨結(jié)構(gòu),。”該團(tuán)隊(duì)還重新建立了病人的關(guān)節(jié)線,，以三維方式進(jìn)行,。

△一個(gè)機(jī)器人幫助在骨骼上切割極其平整的表面，從而提高了病人的治療效果

一旦收集到所有的數(shù)據(jù),，史賽克就會(huì)將其集成成一個(gè)手術(shù)計(jì)劃,，并發(fā)送給外科醫(yī)生。在病人進(jìn)入手術(shù)室之前，該計(jì)劃被裝入機(jī)器人,。但這并不是最終的手術(shù)計(jì)劃,，當(dāng)病人處于麻醉狀態(tài)時(shí)，外科醫(yī)生會(huì)彎曲TKA膝關(guān)節(jié),，機(jī)器人會(huì)跟蹤彎曲的動(dòng)作,。在手術(shù)過(guò)程中，機(jī)器人控制手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng),。例如,，當(dāng)外科醫(yī)生將鋸子推入骨頭時(shí)，機(jī)器人控制刀片的平面,，并以外科手術(shù)中從未見(jiàn)過(guò)的準(zhǔn)確性和精確度執(zhí)行切割,。刀片的前進(jìn)速度也受到控制。這可以防止它在骨頭被切割干凈后進(jìn)入健康組織,。機(jī)器人手臂中內(nèi)置了觸覺(jué),，當(dāng)你碰到骨頭的邊緣時(shí)，鋸子會(huì)自動(dòng)停止,。

令人滿意的術(shù)后結(jié)果

從病人的角度來(lái)看,，機(jī)器人輔助手術(shù)的最大好處是縮短恢復(fù)時(shí)間。這主要是由于最大限度地減少了對(duì)健康組織的損害和假體的正確放置,。

Mako手術(shù)機(jī)器人有助于防止對(duì)健康組織的損害,，并將膝關(guān)節(jié)植入物正確地定位在病人的骨骼上。

科恩說(shuō)："當(dāng)你在手術(shù)后醒來(lái)時(shí),，你在正確的位置進(jìn)行彎曲,。不必在像上世紀(jì)七十年代那樣重新學(xué)習(xí)走路，因?yàn)橹踩胛锉环旁诹隋e(cuò)誤的位置�,，F(xiàn)在你的物理治療次數(shù)減少了,。你更早地恢復(fù)了屈曲。你更早地從疼痛中得到緩解,，因?yàn)槟銢](méi)有那么多的軟組織創(chuàng)傷,。你可以更早地回去工作。你沒(méi)有任何的健康問(wèn)題,。再入院和再手術(shù)的情況較少,，你有更高的病人滿意度"。

與此同時(shí),，手術(shù)過(guò)后的患者也都表示恢復(fù)行動(dòng)能力的速度比預(yù)期的快得多,，可以很快地在沒(méi)有輔助的情況下走了半英里之遠(yuǎn),。

△除了膝蓋,，史賽克還為臀部、脊柱和其他身體部位3D打印部件