吳 碧，馮均偉，2△

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 563000；2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院骨科，四川 成都 610072)

3D打印技術在骨科的臨床研究進展

吳 碧1，馮均偉1，2△

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 563000；2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院骨科，四川 成都 610072)

3D打印技術作為數(shù)字化技術的集中體現(xiàn)，是實現(xiàn)各種骨科手術個體化、精確化的有效手段。隨著基于CT、MRI圖像的人體組織器官的三維數(shù)字化建模技術和3D打印技術的進步，使越來越多的骨科手術向具有高度個性化、精確化和快速化發(fā)展。本文對3D打印技術在還原重建骨骼模型、個體化手術導板、個體化替代物、存在的問題及展望方面進行綜述。

3D打?。辉?；骨科；個體化；導板；替代物

3D打印技術誕生于上世紀80 年代，從1986年Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機，到2012年蘇格蘭科學家Faulkner-Jones等[1]利用細胞打印出人造肝臟組織。3D打印技術是一種快速制造技術(Rapid Prototyping Technology)，它融合了計算機輔助設計、數(shù)控技術、新材料技術等當代新興技術，可以制作任意復雜幾何形狀的實體，極大地降低了結(jié)構(gòu)復雜產(chǎn)品的制造難度，很大程度上提升了生產(chǎn)效率，具有成型精度高、重復性好、可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)點[2]，正作為一項前沿的制造技術在醫(yī)學領域逐漸被重視和推廣，主要在脊柱外科、關節(jié)外科、頜面外科等領域得到廣泛的應用，可為臨床手術設計提供有效的解決方法[3]。在骨科臨床工作中，個體化、精確化是骨科的一個重要方向，既往術前只能通過X射線平片、CT掃描、MRI成像等影像學手段來進行手術分析及預計手術方式。但這些影像學資料在拍攝時的一些不可控因素以及在反映病變位置、嚴重程度和解剖學畸形方面缺乏精確性和直觀性[4]。若僅靠手術醫(yī)生的經(jīng)驗以及術中所見的具體情況，對病變部位判斷的偏差可能直接影響手術的安全性和手術效果。因此，術前精確的手術部位定位以及嚴密的手術方案設計是實現(xiàn)個體化手術的必要途徑。

1 3D打印技術原理及重建要點

3D打印骨科模型的制作主要通過逆向工程原理(Reverse engineering，RE) 和快速成型技術(Rapid prototyping，RP) 而實現(xiàn)。其主要原理是先通過Mimics、CAD等軟件進行三維數(shù)字化模型的構(gòu)建，然后再進行“分層制造，逐層堆積”，即將三維模型以特定的STL格式輸入3D 打印機進行分層制造，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)[5]。目前，在醫(yī)學研究領域使用最廣泛的逆向工程技術軟件有比利時Materialise 公司的Mimics 軟件和德國SIEMENS的UG NX以及美國3D System公司的Geomagic Studio軟件。Mimics 軟件是基于醫(yī)學三維CT、MRI成像而進行三維重建的軟件，可顯示和分割CT等醫(yī)學圖像，并具有良好的圖像編輯功能[6]。UG NX和Geomagic Studio軟件屬于CAD 軟件之一，具有強大的數(shù)據(jù)處理和編輯功能。模型重建程序：①對需要建模部位進行三維CT掃描，以DICOM 格式保存數(shù)據(jù)，導入Mimics 軟件；②針對所需建模進行Mimics 軟件的閾值設定，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)建模部位的需求設定閾值，稱為“閾值分割”。需注意的是在閾值設定時，最低閾值過高會導致模型過?。蛔畹烷撝颠^小則會導致模型偏大；③分割后的圖像被不同顏色標記，成為“蒙版”，可利用“區(qū)域增長”、“蒙板編輯”、“布爾運算”等對圖像進行編輯；④對編輯完成后的“蒙版”進行計算，即生成3D模型，在計算生成3D模型后，可能由于骨骼與周圍組織的各閾值不同，以統(tǒng)一閾值標記重建后出現(xiàn)一些“孔洞”或“釘狀物”，則需要手動逐層修補處理；⑤處理完成后以STL格式保存，導入3D打印機即可打印出與建模部位高度還原的3D實物模型。

2 術前骨骼模型還原重建

在關節(jié)外科中，常需通過植入人工假體來替換已經(jīng)發(fā)生病變的相應部位，以重建其解剖結(jié)構(gòu)及功能，但人工假體與手術部位的形態(tài)擬合性較差，術前無法完全確定假體型號及確切大小，因此術中常需反復嘗試各種型號的假體，加重了局部創(chuàng)傷的同時也增加了手術時間[2]。3D打印骨骼模型不僅具有高度還原性，同時還能顯示出X射線片、CT掃描、MRI成像無法展現(xiàn)的信息。術前根據(jù)模型提供的信息確定假體的型號及具體大小，更直觀化、全面化、簡單化、準確化地制定手術方案，進行術前演練與手術模擬操作等，進而提高關節(jié)外科復雜高難度手術的成功率，使手術更精確、更安全[7]。Won 等[8]利用3D打印技術為21 例伴有嚴重畸形的髖關節(jié)疾病的患者制訂了個體化的手術方案并行人工全髖關節(jié)置換術，術后影像學檢查表明假體位置與術前計劃精確吻合，而且手術時間明顯縮短。在創(chuàng)傷骨科中，利用3D打印技術打印出骨折部位的三維模型，可在術前對骨折有詳盡和全面的了解并做出準確的診斷和分型，也可在模型上實施模擬手術過程，如骨折復位、選擇合適的內(nèi)固定物、預彎塑形鋼板、確定螺釘?shù)姆较蚝烷L度等，通過模擬手術選擇不同的手術方法及調(diào)整手術策略，制定出最佳個性化手術方案[9～12]。吳章林等[13]利用術前針對髖臼骨折進行三維建模和虛擬骨折復位，并在復位模型上優(yōu)化預設植入鋼板位置和虛擬釘?shù)滥M、測量釘?shù)篱L度，三維切割預設植入鋼板部位骨塊并3D打印，據(jù)此進行鋼板折彎。術后得出折彎鋼板模擬植入位置、螺釘植入方向、長度和虛擬設計高度一致。李新春[14]等應用3D打印技術打印出Pilon骨折模型，并制定手術方案及模擬手術過程，結(jié)論得出術中采用的固定鋼板、螺釘數(shù)量與螺釘長度均與術前計劃一致。3D 打印技術應用于Pilon骨折的治療臨床可行性良好，有助于術者對Pilon骨折的理解和術前計劃的制定。也有研究報道，在臨床教學工作中，將3D打印模型與臨床病例相結(jié)合還提高了教學質(zhì)量，有助于學生臨床技能的培養(yǎng)和勝任力的提升[15]，減少了尸體標本的使用，節(jié)約了尸體標本購買與保存的成本等。

3 個性化手術導板

近年來，3D打印技術在骨科領域的發(fā)展，使得手術醫(yī)生在術前不僅能通過對手術部位進行還原重建，對解剖形態(tài)復雜、需要精確定位的手術進行詳細的術前設計，同時也能根據(jù)模型為患者“量身定制”手術導板，有助于提高手術成功率、降低手術難度、確?；颊甙踩玔16]。目前3D打印個性化手術工具中最為典型的是手術置釘導板，包括骨盆導板、關節(jié)導板、脊柱導板等[17]。朱春冀等[18]將3D打印個體化手術導板應用于骨科復雜手術中，術前打印出骨骼模型并設計相應的手術導板，對內(nèi)置物進行預處理。研究者認為3D 打印個體化手術導板能滿足手術的個體化需求，在手術中能夠準確還原術前設計，不同3D 打印模型對骨科復雜手術的指導意義重大，可以降低手術的難度，減少手術時間。尹知訓等[19]為肘關節(jié)畸形患者設計制作3D打印個性化截骨模板并引導術中三維截骨，術后肘關節(jié)畸形糾正率為95%。Raaijmaakers 等[20]應用該技術制作出與股骨頭、股骨頸前表面緊密貼合的置釘導向器，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單、安裝更精確。陳宣煌等[21]利用3D打印技術制作的輔助椎弓根螺釘置入導航模板，也獲得了滿意的效果。

在全膝關節(jié)置換術中，下肢力線是評價人工全膝關節(jié)術成功的重要指標，且滿意的下肢力線常需有豐富手術經(jīng)驗的醫(yī)生才能完成[22]。Jeffery 等[23]指出下肢力線偏差如果在±3°之內(nèi)，術后12年假體松動率為3%，如果下肢力線偏差超過±4°則松動率增加至24%。因此，為提高下肢力線重建的精確性，李偉等[24]對16具尸體設計制作了與股骨遠端和脛骨近端匹配的個體化釘孔導航模板用于全膝關節(jié)置換手術的截骨定位。結(jié)果表明個體化的手術導板提高了股骨遠端及脛骨近端的截骨精確度，精確定位股骨遠端的旋轉(zhuǎn)軸線，使假體的安放位置更加準確。Ast等[25]也通過綜述個體化手術導板在全膝關節(jié)置換術中的應用得出，個體化手術導板不僅能術前確定截骨量、假體旋轉(zhuǎn)、安放位置以及假體大小等，且術中無需再使用髓內(nèi)定位或髓外定位導向器，由此至多能減少21個手術步驟，不僅減少了因開髓腔而導致的失血量增加，也減少了大量的術前準備時間。樊慶陽等[26]還通過對5例膝骨關節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA) 合并股骨干骨折畸形愈合的患者術前進行三維建模后應用3D打印技術打印出患者膝關節(jié)1∶ 1 樹脂材料模型，并設計制作出截骨模板及確定膝關節(jié)假體規(guī)格。術后膝關節(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。也有研究報道3D打印個體化手術導板的使用相對于傳統(tǒng)器械更容易，更微創(chuàng)，更省時，且準確度更高[27]。重建的機械軸線更接近于中立位，平均住院日、手術時間、手術切口長度均有改善[28]。

4 個體化替代物打印

3D 打印技術具備加工精確、制作迅速、無需特殊模具等特點，使個體化假體設計、制備成為可能[29]。早在1979年，由Tonner 等[30]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腫瘤切除術后骨盆缺損的金屬內(nèi)置物。2005年，戴尅戎等[31]率先應用3D打印技術設計打印出人工半骨盆替代物成功進行了首例半骨盆置換手術。王臻等[32]應用該技術設計出個體化鈦合金膝關節(jié)假體，成功為1 例14 歲右股骨下段骨肉瘤術后復發(fā)患兒施行保肢手術。Benum 等[33]也應用該技術設計制作出股骨髓腔導向器及個體化股骨假體，為2例石骨癥患者成功施行人工全髖關節(jié)置換術。與傳統(tǒng)標準尺寸的骨科植入物相比，為患者“量身定制”的3D打印個體化植入物與患者骨骼匹配更精準，患肢功能恢復更快。目前研究最多的個體化假體設計為髖關節(jié)、膝關節(jié)及骨盆等，但大多都僅限于研究階段，應用于臨床的僅為少數(shù)，其臨床效果仍需進一步的臨床實驗驗證。

5 3D打印技術在骨科臨床應用存在的問題分析

3D 打印技術是一種新型的快速成型技術，在骨科手術中具有重要的應用價值。但骨科個性化的3D 打印還面臨著以下問題：①經(jīng)濟問題：3D打印具備規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢，打印機的價格從數(shù)萬元到上千萬元不等，且相關配套的CT、MRI設備以及建模和逆向工程、CAD等軟件，都是一筆不小的費用[34]。②材料問題：目前應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，價格從幾百元到幾千元不等，且并不都適應臨床需要，文獻報道人工關節(jié)置換術后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，通過檢測發(fā)現(xiàn)20%～25%的患者存在金屬過敏[35]。因此選擇適合人體特性的金屬材料如鈦合金，其價格高達每千克2000元左右[36]。③生產(chǎn)問題：3D 打印技術需要依靠數(shù)字技術模型來進行生產(chǎn)，但目前針對骨科打印臨床規(guī)劃軟件很少，且大多數(shù)臨床醫(yī)生不會使用相關設備和軟件，因此很多研究者需與專門的技術人員合作，結(jié)合使用多組工程軟件才得以實現(xiàn)某些臨床復雜手術的術前規(guī)劃，但這個過程耗費時間長，經(jīng)濟費用增加，一定程度地限制了3D打印技術在臨床應用。④打印精度問題：應用3D打印技術實現(xiàn)骨骼還原重建及設計制作個體化手術導板均要求3D打印機具有較高的精確性，在高度還原重建的模型上制備的手術導板才能準確定位，若術前構(gòu)建的模型還原度較差，將直接導致手術導板及個體化替代物的設計存在力學和材料學上的缺陷，最終使手術失敗。⑤臨床應用問題：在臨床實踐中，3D打印出的個體化手術導板存在不規(guī)則性，在手術中的固定穩(wěn)定性較差，為防止使用時導板移動，需要選擇標志性的解剖結(jié)構(gòu)作為參考點及錨定點。且術前準備時不同打印材料及不同消毒方式對于手術導板及個體化替代物的影響也有待進一步研究。

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，使術者可以為患者制定個性化手術方案[37]。隨著3D 打印的快速發(fā)展，要高度重視打印廢棄物對環(huán)境的污染、對能源的消耗等，應大力提倡環(huán)保、可再利用打印材料的研發(fā)和應用[38]。并且一款針對骨科各種手術的集逆向工程和快速成型技術于一體的多功能軟件的開發(fā)是有必要的。3D 打印技術在骨科手術中的應用已成為研究熱點之一，盡管研究結(jié)果仍存在爭議，但3D 打印技術本身極具應用價值，需要進行更多的研究、探索，最終在未來的臨床工作中，越來越多的患者能夠獲益。

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Clinical research progress of 3D printing technology in orthopedics

WU Bi，F(xiàn)ENG Jun-wei

四川省衛(wèi)生廳科研基金資助項目(編號：30305031099)

R681

B

1672-6170(2017)02-0150-04

2016-09-23；

2016-10-24)

△通訊作者