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(diǎn)，特別是2014年度國(guó)內(nèi)外均相繼報(bào)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(jī)為載體、采用粉末狀金屬或塑料等可

2、粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)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(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料不同而已。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。將打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)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(jì)80年代中期，實(shí)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(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)；1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利；2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)；2012年1 1月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)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(guó)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(shí)體模型的打?。ㄔ缙诜Q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(zhǎng)度及置入角度，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的治療方案?jìng)€(gè)體化國(guó)內(nèi)多家單位亦成功開(kāi)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、骨病與骨腫瘤等亞專科；手術(shù)范圍、種類涉及到骨折實(shí)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(kāi)門椎管擴(kuò)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(shí)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(guó)內(nèi)2014年4月，由戴魁戎院士和郝永強(qiáng)教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用3D打印鈦合金假體為1例44歲男性患者成功實(shí)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(lái)，郭征教授領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)在國(guó)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?yàn)樗鼞?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(xué)影像 PACS 系統(tǒng)（Picture archiving and communication system）提取所需的部分進(jìn)行后處理，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 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(jī)識(shí)別的格式。第 4 步：3D 打印過(guò)程。,,在醫(yī)學(xué)中，圖像通常來(lái)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(xué)數(shù)字成像和通信）經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）對(duì)3D圖像進(jìn)行修改，獲得最終打印模型的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。后處理完成后將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機(jī)，根據(jù)需要選擇不同類型的3D打印技術(shù)進(jìn)行三維物理模型及術(shù)中模板的打印。其中，有學(xué)者認(rèn)為CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是3D打印技術(shù)的核心。,一、初級(jí)階段：打印骨骼模型，輔助手術(shù),對(duì)于復(fù)雜骨折，傳統(tǒng)影像學(xué)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(shí)體模型可以更加直觀和清晰，可以很好的協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前診斷，幫助醫(yī)生了解骨折的程度、

10、類型及各個(gè)骨折塊的移位情況，做出明確的術(shù)前診斷，評(píng)估術(shù)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，為術(shù)中的骨折復(fù)位提供基礎(chǔ)。同時(shí)醫(yī)生在術(shù)前可以在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)操作和練習(xí)，對(duì)術(shù)中內(nèi)固定物進(jìn)行預(yù)塑形，提高手術(shù)操作準(zhǔn)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(shí)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(jí)階段：植入物及假體制作，個(gè)性化治療,醫(yī)學(xué)治療的個(gè)性化是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向之一。目前，標(biāo)準(zhǔn)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(wú)合適商業(yè)化產(chǎn)品，或需要與個(gè)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(shí)，則需要個(gè)性化定制假體及內(nèi)植入物。,,目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛開(kāi)展了3D打印個(gè)性化接骨板、個(gè)體化人工關(guān)節(jié)假體的臨床應(yīng)用研究。對(duì)于關(guān)節(jié)嚴(yán)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(hào)的選擇、假體安放位置的準(zhǔn)確以及畸形的矯正程度等都是術(shù)者面臨的難題。個(gè)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(zhǎng)人，延長(zhǎng)假體壽命。,3D打印技術(shù)應(yīng)用于頸椎間盤突出治療,高級(jí)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(jià)值的技術(shù)，其特點(diǎn)在于“墨水”中含細(xì)胞和生長(zhǎng)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)。可以直接“打印”出功能性的人體器官和組織。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(shí)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(dòng)受限1小時(shí)。查體：右肘部見(jiàn)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(dòng)良好，指端血運(yùn)皮膚感覺(jué)可急診予以右肘部X線片檢查，確認(rèn)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(duì)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(shí)間，取得良好治療效果、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)？經(jīng)病例討論決定，借助3D打印技術(shù)來(lái)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)行橈骨小頭骨折的三維重建解剖學(xué)模型,快速成型制作出與實(shí)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(duì)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(jì),計(jì)算機(jī)輔助模擬截骨,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)橈骨小頭假體,計(jì)算機(jī)輔助模擬置換后的效果,,術(shù)前予以關(guān)節(jié)面測(cè)量，根據(jù)肘關(guān)節(jié)假體數(shù)據(jù)模擬測(cè)量截骨長(zhǎng)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(dòng)效果，模擬手術(shù)指導(dǎo)手術(shù)治療在術(shù)中所見(jiàn)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(shí)間明顯縮短,減少了術(shù)中失血。,術(shù)前模型截骨長(zhǎng)度測(cè)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(cè)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(shí)例（二）骨盆骨折,運(yùn)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(duì)于骨盆骨折的診斷、分型及治療均有很強(qiáng)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(shí)。查體：左側(cè)前胸部見(jiàn)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(dòng)受限；骨盆擠壓征（+），分離試驗(yàn)（+），左膝見(jiàn)長(zhǎng)約4cm及3cm挫裂傷口，深達(dá)皮下，污染，傷口滲血，未見(jiàn)肌肉及髕韌帶斷裂，左手腕、左髖部、

17、左大腿及左膝見(jiàn)挫擦傷痕，局部腫脹，壓痛，雙下肢肌力5級(jí)，感覺(jué)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(lái)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(shí)例（三）頸椎腫瘤,2016年10月17日，北京大學(xué)第三醫(yī)院（以下簡(jiǎn)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(tuán)隊(duì)給患者實(shí)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(gè)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(lái)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(huì)告訴你）。該內(nèi)植物通過(guò)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(xué)強(qiáng)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(shí)間后，這個(gè)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(huì)被新生的骨組織充滿（見(jiàn)下圖），并被各種軟組織包被。,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)第三醫(yī)院：國(guó)內(nèi)首個(gè)獲得CFDA批準(zhǔn)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(shí)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(wú)法支持各種材料、特別是生物材料的打印；材料的力學(xué)性能也是目前研究的熱點(diǎn)和要點(diǎn)。加快3D生物打印研究與開(kāi)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(xì)胞和生長(zhǎng)因子與材料復(fù)合的最佳濃度；打印時(shí)如何達(dá)到無(wú)菌、無(wú)熱源、保持細(xì)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(xué)及力學(xué)性能，使其有利

21、于細(xì)胞黏附、增殖、分化，從而促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)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(gè)性化定制治療與規(guī)?；圃?、群體治療相兼顧研究：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(wú)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(jìn)行研究應(yīng)該是一個(gè)方向。知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)：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(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)、避免產(chǎn)權(quán)糾紛，也是我們面臨的問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)的制定：作為一種新型產(chǎn)品、作為一項(xiàng)臨床新技術(shù)，無(wú)論個(gè)體化定制或規(guī)?；圃欤夹枰獓?yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制，這方面國(guó)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(gè)，一個(gè)是快速成型，一個(gè)是快速制造。快速成型: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(shí)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(shí)現(xiàn)快速制造。同時(shí)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(jìn)步。,,隨著電腦技術(shù)及材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)應(yīng)用的價(jià)格變的越來(lái)越低，并且媒體的推廣也不斷為人們所認(rèn)識(shí)，越來(lái)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(xì)胞、組織培養(yǎng)等多學(xué)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(lái)，這項(xiàng)技術(shù)突破