3D打印技术在骨科个体化治疗的应用

郭昱，肖东民，蒋锋

南华大学附属永州市中心医院，湖南永州 425000

3D打印技术在骨科个体化治疗的应用

郭昱，肖东民，蒋锋

南华大学附属永州市中心医院，湖南永州 425000

“3D打印”的出现使人类的奇思妙想不断变成现实，3D打印技术在航空航天、电子制造、医疗等领域有着巨大的应用空间。该文就3D打印原理及在骨科个体化治疗中的应用进行综述。

3D打印；个体化治疗；先天性髋关节发育不良

3D打印又称增材制造，是在计算机的控制下，一种结合计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）、数控技术、激光技术、高分子材料、三维CT技术等多领域为一体的快速成型技术[1]。它与一般打印机工作原理基本相似，“分层制造，逐层叠加"是其核心原理[2]，具体的说就是在类似打印机的装置内装有不同形态的"打印材料”，再通过CT三维成像数据，经计算机3D建模转换后，利用三维计算机辅助设计的数据模型控制把"打印材料"层层叠加起来，最终把计算机上的三维数据变成实物。

1 3D打印在骨科的应用

从20世纪70年代就有研究人员着手研究人体各组织三维数字化技术，特别是在骨组织外科中，由于骨组织的解剖复杂，骨损伤状态也各不相同，用于骨缺损修复的植入物也只能是个体化的[3-4]。以往，术前通过常规方法如X线、CT等对患者骨骼形态进行准确的三维测定比较麻烦且精确度不高，而今天，根据3D打印技术打印出患骨的模型使临床医师对骨骼的精准三维测量成为可能。

目前对3D打印技术在创伤骨科的应用的报道较多。由于创伤骨科面对的病人大多是因暴力引起全身各个部分骨折，术者在缺乏直视的情况，仅凭临床经验和X线或CT辅助下很难做到对骨折断端的解剖复位及精确牢靠稳定的固定。例如在对股骨颈骨折患者行股骨颈骨折闭合复位及空心加压螺钉内固定术中，稍不注意便会出现螺钉进入髋关节腔的情况[5]；为了获得清楚的术野，采取较大的手术切口，同时也增加了术后感染及其它并发症的几率。尽管目前有计算机导航技术可提高术中操作的精准及安全度[6]，但是其操作的复杂性及昂贵的使用价格使之难以得到广泛运用。3D打印技术明显可以填补这一空白，通过制作打印成1∶1的模型,立体呈现了骨折的原始结构，根据3D打印制作出的骨折模型不但可以帮助医生快速、简洁、准确地找出最合适的手术入路，选择合适的置入物，还可提前在等大的模型上进行评估、预弯及安装测试,增加了手术成功率,提高了骨伤疾病的治愈率[2]。

在脊柱手术中，最关键的是置钉方向和各种螺钉长度规格的选择，以及如何减少手术并发症。颈椎的椎弓根细小，置钉风险大，可能导致截瘫等严重的后果。近期有报道称在脊柱手术中利用3D打印技术制造的钻孔导板辅助下进行椎弓根螺钉置入，使手术操作变得简便的同时也极大增加了手术的精确度。术前可直接找到契合患者的螺钉尺寸及设计螺钉置入的轨道，减少螺钉的偏离[7-8]，特别是对于脊柱侧弯的患者，依据3D打印的数据和模型，不仅可以准确指导置钉角度及长度规格的选择，还可直接测量患者脊柱畸形的角度、方向，设定螺钉置入的最佳位置、顺序及节段，缩短了手术时间、减少医生及患者的辐射量、降低了置钉穿孔方向的错误率、提高了手术的成功率、增加了术后患者恢复的程度[9-11]。

2 3D打印在先天性髋关节脱位治疗的应用

先天性的髋关节的脱位,又称“发育性髋关节脱位”或“发育性髋关节发育不良(displasia dislocation of the hip, DDH)”。在我国，这一畸形并不少见，大多患者在出生时较少有明显体征。如漏诊后，长期延误诊治，可导致不可逆骨性的关节炎(osteoarthritis，OA)与不同程度的残疾，并且随着时间推移，患者髋关节及大腿的周围会出现疼痛,导致跛行的概率也会增加,更严重的会使得脊柱出现畸形甚至疼痛等，常需要实施“人工全髋关节置换手术”进行治疗[12-14]。因为DDH的患髋长期的处在病理的一个形态，其必然会出现并伴随着一些解剖形态上的改变，使手术过程变得更加复杂，所以髋臼形态改变和股骨解剖异常增加了THA的操作难度。因此，要建立一个真正同心圆复位的、位于真臼中的、稳定牢靠的、活动良好的髋关节，并避免术后再发脱位等并发症的发生，这就需要在行THA前对患者的异常解剖位置予以高度的重视；因此全面认识患髋的畸形程度、对其准确定位及精确旋转髋臼以期达到良好覆盖就显得非常重要[15]。通常，传统的骨科手术术前大多是通过骨盆前后位片或者CT断层数据等其他常规检查方法来评估患髋的畸形情况，由于常规的检查方法并没有体现出三维要素，使得骨骼的三维几何形态的异常难以完全极致的表现出来，从而产生了评估畸形的误差，并且主刀医生的经验和术中透视不仅耗时，而且术前规划与术中操作缺乏直接的链接，仅依靠类似股骨大小转子等解剖学标志及术前常规检查，难以达到术前规划的要求及术后期望的手术效果。

基于以上原因以及无法避免的个性化的需求，可利用3D打印的技术来制备人工关节，根据患者的CT数据提取骨关节的三维轮廓数据,通过计算机辅助设计，将得到的3D模型进行数据格式转换，用3D打印机制出模型后予以修整、抛光后获得理想的个性化人工关节模型，再经过一系列复杂的工业技术制造加工后，最终获得理想的关节模型。最近就有研究对8例发育性髋脱位术后再脱位患儿行CT扫描获取病变部位的二维数据，进行三维重建，快速成型制作出与实体1:1太小的骨盆模型，对骨盆模型术前制定手术方案，手术规划和模拟手术，指导手术治疗，结果术中所见与虚拟三维重建图像及3 D打印骨盆模型一致，减少了手术操作时间，手术效果更好[16]。通过3D打印技术制作与实体等大的患骨模型，为医师提供直观实物来了解病理解剖异常，针对不同的病理解剖改变，拟定个体化手术治疗方案，缩短了手术时间，同时也提高手术效率机安全性，使手术更为客观、精确。

3 展望

随着3D打印技术在医学上的应用和研究的不断进步，并与骨科医疗产品相结合，可使所制备的骨缺损组织修复体和人体相接近，也可使骨组织工程支架所用材料种类、微观结构等各方面更加接近于人体正常骨骼，使其在生理机能、力学性能，都与人体骨骼保持高度一致，有望实现个性化治疗的目标。

目前在个体化人工关节置换手术的开展、在术中更贴合运用个体化接骨板、个体化骨盆修复临床手术中等各项医疗的进步，3D打印技术均得到广泛应用，并且随着计算机辅助设计和制造技术的发展，在临床中日益推广[4]。近日，诞生了一种直接利用液体介质料进行3D打印的全新的3D打印方法，它不用像过去那样费时费力地进行逐层堆砌，并且这项科技较前固态3D打印速度提高了25～100倍，还能打造出以前无法实现的几何形状，为医疗保健和医药领域、甚至汽车和航空等主要工业领域赋予了创新机遇。

3D打印技术优点甚多，但由于技术和设备上的问题，目前还没有普遍应用。现阶段3D打印对材料要求极高、很多骨科常用材料或性能优良的材料还不能直接打印，并且3D打印设备昂贵,导致个性化人工骨费用高,暂时难于普及，而且对于3D打印设备的研发也是此领域急需突破的研究热点。虽然该技术和研究存在局限性及不足，但是随着3D打印在各大学、研究机构和各公司大力开发支持下，这些问题在未来的发展中会逐渐解决。3D打印目前逐渐形成极具市场潜力的新兴产业，不久的将来，3D打印技术会在骨科疾病治疗中得到普及，将为人类带来更好的生活。

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3D Printing Technology Applied in the Orthopedic Individualized Treatment

GUO Yu，XIAO Dong-min，JIANG Feng
Yongzhou City Center Hospital Affiliated to Nanhua University，Yongzhou，Hunan Province，425000 China

"3D print"the emergence of human whimsy continuously into reality,3D printing technology in the aerospace, electronics manufacturing,medical and other fields have a huge application space.The article on 3D printing and the application in orthopedics individualized therapy were reviewed.

3D printing；Individualized treatment；Displasia dislocation of the hip（DDH）

R68

A

1672-5654（2015）12（b）-0105-03

2015-00-00）

10.16659/j.cnki.1672-5654.2015.35.105

郭昱（1990.10-），男，湖南永州人，南华大学在读研究生，研究方向：骨科。