3d打印在骨科中的應(yīng)用剖析

1、3D打印在骨科中應(yīng)用,,3D打印定義,3D打印(three-dimensional printing)技術(shù)是目前骨科領(lǐng)域的研究熱點，特別是2014年度國內(nèi)外均相繼報道了系列臨床成功應(yīng)用的典型案例，掀起了一陣“3D骨科熱”，引起了臨床醫(yī)生、相關(guān)研究人員及企業(yè)的極大興趣與技術(shù)追蹤。3D打印技術(shù)即快速成型(rapid prototyping，RP)技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、以數(shù)字技術(shù)材料打印機為載體、采用粉末狀金屬或塑料等可

2、粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。,3D打印原理,日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料不同而已。普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。將打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“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。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，

3、被稱之為3D立體打印技術(shù)。,歷史,3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀80年代中期，實際上是一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機；1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術(shù)專利；2011年8月，南安普敦大學的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機；2012年1 1月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)、建筑、汽車、

4、航空航天、口腔科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。,,國內(nèi)外骨科早期采用3D打印技術(shù)主要用于等比例骨折實體模型的打印（早期稱之為RP技術(shù)）。輔助骨折復(fù)位、內(nèi)固定選擇、內(nèi)固定模擬復(fù)位、確定螺釘長度及置入角度，實現(xiàn)了真正意義上的治療方案個體化國內(nèi)多家單位亦成功開展了3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用，涵蓋了創(chuàng)傷骨科、關(guān)節(jié)外科、脊柱外科、足踝外科、骨病與骨腫瘤等亞?？?；手術(shù)范圍、種類涉及到骨折實體模型打印、復(fù)雜骨折

5、輔助復(fù)位、內(nèi)固定及置入物的選擇、3D打印導(dǎo)航模板引導(dǎo)鋼釘置入、關(guān)節(jié)置換輔助手術(shù)、足畸形矯治、輔助頸椎椎板單開門椎管擴大成形術(shù)及病變組織切除后假體植入重建術(shù)等。另外，3D打印技術(shù)在皮膚、骨、軟骨、血管等工程化組織構(gòu)建和面部、耳、鼻、手等康復(fù)體及假肢、支具等，以及實體器官再造（人工肝、腎、心臟等）等領(lǐng)域均有成功的研究成果和臨床應(yīng)用。,,國內(nèi)2014年4月，由戴魁戎院士和郝永強教授領(lǐng)銜的團隊應(yīng)用3D打印鈦合金假體為1例44歲男性患者成功實施

6、了骨盆軟骨肉瘤切除后假體重建手術(shù)；2014年5月以來，郭征教授領(lǐng)銜團隊在國際上最先成功的將3D打印肩胛骨、鎖骨鈦合金假體應(yīng)用于骨腫瘤切除后組織的重建，患者的肢體外形和功能均得到較好恢復(fù)；2014年8月劉忠軍教授主刀完成世界首例3D打印技術(shù)人工定制樞椎作為脊柱外科內(nèi)置物，重建病變椎體切除后的穩(wěn)定性。,3D打印基本流程,圖像數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)后處理3D打印,步驟,第 1 步：圖像獲取，使用最多的是 CT 掃描圖像，因為它應(yīng)用廣泛且具有

7、足夠的分辨率。第 2 步：圖像處理，即從醫(yī)學影像 PACS 系統(tǒng)（Picture archiving and communication system）提取所需的部分進行后處理，包括計算機輔助設(shè)計 CAD（Computer-aided design），從而獲得需要打印物體的表面信息，得到所需的 DICOM（Digital imaging and communications in medicine）格式的圖像。第 3 步：DICOM

8、 轉(zhuǎn)換 STL（Standard Tessellation Language）格式圖像。STL 格式是 3D 打印機識別的格式。第 4 步：3D 打印過程。,,在醫(yī)學中，圖像通常來源于CT掃描。CT掃描產(chǎn)生的DICOM數(shù)據(jù)（Digital Imaging and Communications inMedicine醫(yī)學數(shù)字成像和通信）經(jīng)過計算機處理后得到三維數(shù)據(jù)然后再根據(jù)臨床需要，借助CAD軟件（Computer Aided Desi

9、gn計算機輔助設(shè)計）對3D圖像進行修改，獲得最終打印模型的標準格式數(shù)據(jù)。后處理完成后將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機，根據(jù)需要選擇不同類型的3D打印技術(shù)進行三維物理模型及術(shù)中模板的打印。其中，有學者認為CAD計算機輔助設(shè)計是3D打印技術(shù)的核心。,一、初級階段：打印骨骼模型，輔助手術(shù),對于復(fù)雜骨折，傳統(tǒng)影像學方法難以直觀了解骨折情況，而3D打印的1:1比例的三維實體模型可以更加直觀和清晰，可以很好的協(xié)助醫(yī)生進行術(shù)前診斷，幫助醫(yī)生了解骨折的程度、

10、類型及各個骨折塊的移位情況，做出明確的術(shù)前診斷，評估術(shù)中可能存在的風險，為術(shù)中的骨折復(fù)位提供基礎(chǔ)。同時醫(yī)生在術(shù)前可以在模型上進行模擬手術(shù)操作和練習，對術(shù)中內(nèi)固定物進行預(yù)塑形，提高手術(shù)操作準確度可以明顯的減少了術(shù)中X線的應(yīng)用次數(shù)、節(jié)省手術(shù)時間。,3D打印模型流程示意圖,利用3D打印技術(shù)制作的全仿真骨折模型,中級階段：植入物及假體制作，個性化治療,醫(yī)學治療的個性化是21世紀醫(yī)學發(fā)展的方向之一。目前，標準尺寸的骨科植入物能滿足大部分患者需

11、求。但在特殊情況下，如患者所需內(nèi)植物太大或太小，或由于疾病的特殊性無合適商業(yè)化產(chǎn)品，或需要與個體解剖結(jié)構(gòu)更為貼附的內(nèi)植物以提高手術(shù)效果時，則需要個性化定制假體及內(nèi)植入物。,,目前國內(nèi)外已經(jīng)廣泛開展了3D打印個性化接骨板、個體化人工關(guān)節(jié)假體的臨床應(yīng)用研究。對于關(guān)節(jié)嚴重畸形以及特殊部位的骨腫瘤患者，手術(shù)方案的制定非常具有挑戰(zhàn)性，如假體型號的選擇、假體安放位置的準確以及畸形的矯正程度等都是術(shù)者面臨的難題。個體化骨科植入物可保證幾何形態(tài)

12、的完美匹配，理論上可保證良好的初始穩(wěn)定性，改善骨長人，延長假體壽命。,3D打印技術(shù)應(yīng)用于頸椎間盤突出治療,高級階段：生物打印，人工器官與人工骨骼,生物打印是3D 打印技術(shù)研究中最前沿的領(lǐng)域，是最具有價值的技術(shù)，其特點在于“墨水”中含細胞和生長因子，產(chǎn)品經(jīng)體外和體內(nèi)培育，形成有生理功能的組織結(jié)構(gòu)?？梢灾苯印按蛴　背龉δ苄缘娜梭w器官和組織。在骨組織工程領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)主要用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異的組織工程支架，甚至打印組織工程人體

13、器官。,實例應(yīng)用（一）,橈骨頭粉碎性骨折患者摔傷右肘關(guān)節(jié)腫痛、活動受限1小時。查體：右肘部見皮膚挫擦傷痕，局部腫脹明顯，壓痛，捫及骨擦感，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)功能障礙，腕指活動良好，指端血運皮膚感覺可急診予以右肘部X線片檢查，確認患者為右橈骨小頭粉碎性骨折，屬于復(fù)雜的骨折類型。面對這例難度系數(shù)較大的手術(shù)，如何保證患者患肢功能，縮短手術(shù)時間，取得良好治療效果、降低手術(shù)風險？經(jīng)病例討論決定，借助3D打印技術(shù)來做此復(fù)雜的骨折手術(shù)，予以橈骨小頭置換

14、術(shù)。,,患者入院后予以患肢行薄層CT掃描獲取病變部位的二維數(shù)據(jù),采用計算機輔助技術(shù)行橈骨小頭骨折的三維重建解剖學模型,快速成型制作出與實體1∶1大小的肘關(guān)節(jié)模型，并打印出1∶1大小的肘關(guān)節(jié)模型，依此對橈骨小頭骨折做出明確的診斷、分型，制定手術(shù)方案。,1：1模型術(shù)前設(shè)計,計算機輔助模擬截骨,計算機輔助設(shè)計橈骨小頭假體,計算機輔助模擬置換后的效果,,術(shù)前予以關(guān)節(jié)面測量，根據(jù)肘關(guān)節(jié)假體數(shù)據(jù)模擬測量截骨長度，關(guān)節(jié)面的匹配情況，模擬關(guān)節(jié)術(shù)后假體穩(wěn)

15、定情況以及肘關(guān)節(jié)的活動效果，模擬手術(shù)指導(dǎo)手術(shù)治療在術(shù)中所見與虛擬三維重建圖像及快速成型肘關(guān)節(jié)模型及骨折類型非常相似，術(shù)前的模擬手術(shù)使手術(shù)時間明顯縮短,減少了術(shù)中失血。,術(shù)前模型截骨長度測量,術(shù)前模型模擬截骨,術(shù)前模型截骨后效果,術(shù)前模型截骨后測量,術(shù)前橈骨小頭模擬置換效果,術(shù)中截下的骨頭,術(shù)中置換完成圖片,術(shù)后透視,實例（二）骨盆骨折,運用3D打印1:1骨盆骨折模型能全面、直觀、精確地顯示骨盆骨折部位、以及髖臼的立體形態(tài)和各部位解剖結(jié)構(gòu)

16、的空間關(guān)系，對于骨盆骨折的診斷、分型及治療均有很強的臨床指導(dǎo)作用，可用于制定手術(shù)方案、術(shù)前模擬手術(shù)，它使骨盆骨折手術(shù)更精確、更可靠、更方便。,,患者摔傷致右髖部、左側(cè)胸部等全身多處疼痛1小時。查體：左側(cè)前胸部見挫傷傷痕，局部稍腫脹，壓痛，胸廓擠壓征（+），腰肌緊張，腰3.4棘突壓痛、叩擊痛，腰椎活動受限；骨盆擠壓征（+），分離試驗（+），左膝見長約4cm及3cm挫裂傷口，深達皮下，污染，傷口滲血，未見肌肉及髕韌帶斷裂，左手腕、左髖部、

17、左大腿及左膝見挫擦傷痕，局部腫脹，壓痛，雙下肢肌力5級，感覺正常急診予以胸部、骨盆X線片、骨盆CT檢查，診斷：骨盆骨折：右恥骨上支骨折、右髖臼骨折討論決定借助3D打印技術(shù)來治療復(fù)雜的骨盆骨折患者，予以骨盆骨折內(nèi)固定手術(shù),術(shù)前三維重建骨盆模型,,術(shù)前1：1骨盆骨折模擬復(fù)位,術(shù)前根據(jù)制定的手術(shù)方案預(yù)彎鋼板,術(shù)前模擬手術(shù)內(nèi)固定效果,術(shù)中骨盆骨折手術(shù)內(nèi)固定,實例（三）頸椎腫瘤,2016年10月17日，北京大學第三醫(yī)院（以下簡稱「北醫(yī)三院」

18、）骨科主任劉忠軍教授收治了一位4節(jié)頸椎被惡性腫瘤侵犯的重癥患者。劉教授團隊給患者實施了全世界首例4節(jié)頸椎切除手術(shù)，并給患者安裝上全世界首個大跨度3D打印人工頸椎。,常規(guī)應(yīng)用鈦網(wǎng)+內(nèi)固定,3D打印效果,,用來替換4節(jié)頸椎的3D打印內(nèi)植物（是不是跟想象中的完全不一樣，做成這樣是有原因的，后文會告訴你）。該內(nèi)植物通過兩端的接頭直接固定在第一節(jié)和第六節(jié)椎骨上。它的力學強度和與上下椎骨的接觸面積，都明顯大于傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)。一段時間后，這個具備人體生理

19、曲度的「海綿狀」微孔鈦合金3D打印內(nèi)植物會被新生的骨組織充滿（見下圖），并被各種軟組織包被。,動物實驗中的3D打印微孔內(nèi)植物切片顯微圖，可以看到微孔中已經(jīng)長滿了骨組織,Impossible Objects公司：3D打印的PEEK碳纖維復(fù)合材料股骨柄植入物,清華長庚醫(yī)院：完成世界首例高位骶骨整塊切除并3D打印假體重建術(shù),北京大學第三醫(yī)院：國內(nèi)首個獲得CFDA批準的金屬3D打印椎體植入物手術(shù),3D打印局限,材料的限制：雖然目前可以實現(xiàn)塑料、

20、某些金屬或者陶瓷打印，但打印的材料都是比較昂貴和稀缺的，尚無法支持各種材料、特別是生物材料的打??；材料的力學性能也是目前研究的熱點和要點。加快3D生物打印研究與開發(fā)：除了研制適合3D打印的生物材料和“墨水”外，還要研究細胞和生長因子與材料復(fù)合的最佳濃度；打印時如何達到無菌、無熱源、保持細胞／生物活性因子的活力、維持組織結(jié)構(gòu)完整性等要求。輔以材料的微米、納米技術(shù)；可根據(jù)需要設(shè)定特定的孔隙率、交聯(lián)；顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利

21、于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合，有助于縮短患者的恢復(fù)期，有利于節(jié)省患者的醫(yī)療成本。,3D打印局限,個性化定制治療與規(guī)?；圃臁⑷后w治療相兼顧研究：目前3D打印只是適合一些小規(guī)模制造，尤其為高端的定制化產(chǎn)品；3D打印尚無法應(yīng)用于大量生產(chǎn)，這與臨床的通用化治療顯然不相適宜，如何兼顧二者進行研究應(yīng)該是一個方向。知識產(chǎn)權(quán)的保護：采用3D打印技術(shù)幾乎可以復(fù)制所有的醫(yī)療器械，如何保護知識產(chǎn)權(quán)、避免產(chǎn)權(quán)糾紛，也是我們面臨的問題

22、之一，有待政府部門制定相應(yīng)的政策法規(guī)或指導(dǎo)原則。標準的制定：作為一種新型產(chǎn)品、作為一項臨床新技術(shù)，無論個體化定制或規(guī)模化制造，都需要嚴格的技術(shù)標準和產(chǎn)品質(zhì)量控制，這方面國際上均是空白。,3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用前景,3D打印技術(shù)在骨科的產(chǎn)業(yè)方向主要有2個，一個是快速成型，一個是快速制造?？焖俪尚?目前的3D打印技術(shù)，主要應(yīng)用在快速成型方面，如制作模型、制作導(dǎo)板、制作匹配的骨替代物等都屬于快速成型。然而快速制造實現(xiàn)了生產(chǎn)線式的制做，3

23、D打印有望在人工假體、手術(shù)器械、骨移植物等實現(xiàn)快速制造。同時具有生物活性人工替代骨組織的制造方面也將發(fā)生巨大的進步。,,隨著電腦技術(shù)及材料技術(shù)的不斷進步，3D打印技術(shù)應(yīng)用的價格變的越來越低，并且媒體的推廣也不斷為人們所認識，越來越多的人接受3D打印技術(shù)。在骨科領(lǐng)域中具有生命特征的活性人造骨骼的3D打印發(fā)展主要依賴于生物材料、干細胞、組織培養(yǎng)等多學科的科技突破，將替代壞死、缺損的骨組織部分的具有生物活性人工骨組織直接打印出來，這項技術(shù)突破