3D 打印结合数字化技术在数字骨科医学发展中的应用配合

3D 打印结合数字化技术在数字骨科医学发展中的应用配合

邱雪，吴荷玉

关键词:3D打印；数字化技术；数字骨科；应用配合

中图分类号：R473.73

文献标识码：码：C

doi:10.3969/j.issn.1009-6493.2015.30.054

文章编号：号：100-6493(2015)10C-3839-02

作者简介邱雪,主管护师,专科,单位: 430022，华中科技大学同济医学院附属协和医院;吴荷玉(

通讯作者)单位: 430022，华中科技大学同济医学院附属协和医院。

3D打印技术目前在社会各领域的应用越来越广泛，被誉为是“第三次工业革命的标志”[1]，将成为改变未来世界新的创造性科技，即将使人类进入“点击制造”时代。数字医学之父钟世镇院士奠定了中国数字医学发展的基础，在他的倡导下我国于2001年和2003年召开了两次香山科学会议。在2001年举行的第174次香山科学会议上，首次研讨了“中国数字化虚拟人体的科技问题”；2003年召开的第208次香山科学会议上，研讨了“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”。之后，从无到有、从模仿到创新、从继承到研究、从理论探讨到开发应用，数字医学的基础和应用研究在我国得到迅速发展并取得了令人瞩目的成绩。 在此背景下，钟世镇院士基于数字医学提出了数字骨科的理念，为3D打印技术在数字骨科的应用及发展提供了有力的技术保障。随着制造技术、数字建模技术、数控技术、信息技术、材料科学与化学、生物技术等前沿技术的迅猛发展以及多学科的密切合作，3D打印技术的开发已经成为当今最热门的新技术之一[2]。3D打印技术的飞速发展也为骨科医学领域提供了难得的发展契机，尤其是对数字骨科领域的发展起到了巨大的推动作用。数字骨科结合数字技术使传统骨科步入数字化时代, 为数字骨科的发展注入新的活力，引领一场新的数字骨科医学革命。3D打印结合数字化技术是数字骨科个性化治疗发展的一个重要方向,它的出现有效解决了个性治疗的难题[3],它是利用三维重建、逆向工程、计算机辅助设计(CAD)等技术提取病人的影像数据并通过3D打印制作出个性化的实体模型、植入物及辅助器械,有效地提高疗效。我院2014年1月—2015年2月对8例骨科的病人应用3D打印技术实行个性化手术治疗,效果较好。现报告如下。

1资料与方法

1.1一般资料8例病人中,男5例,女3例；年龄19岁～60岁,平均41岁；颈椎骨折2例,胫腓骨折2例,肩关节悬吊复位骨折1例,骨盆髋臼骨折1例，骨盆肿瘤2例。所有病人手术过程顺利，愈合效果好。

1.2方法传统的骨科手术通常采用二维图像资料进行手术方案的术前设计，然后根据医生在大脑中形成的三维印象进行手术，经验与手术熟练程度决定了手术的成败。数字化技术可以对具体病例进行优化以及个性化的手术方案设计，使手术更加精确及个性化。术前利用3D打印技术可以制作出1∶1的病人组织器官的3D实体模型，在3D模型上医生可以根据术前优化的手术设计方案进行模拟手术以及更为细致的手术规划并按照规划对病人实施手术治疗。

2结果

所有病人手术过程顺利,手术时间1 h～3 h,平均2.25 h,无一例病人出现与手术相关的严重并发症,愈合效果好。

3配合要点

随着3D打印结合数字化技术的发展,未来的数字骨科模式将是“个性化、精确化、微创化”的发展模式,骨科医疗器械制造业将是“定制化”的发展趋势。

3.1学习相关知识3D打印技术是利用三维计算机辅助设计(CAD)的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体。不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有差异，但基本原理一样，那就是“分层制造，逐层叠加”，犹如一台“立体打印机”，因此得名[4]。3D打印原理是集成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 技术等领域为一体的全新快速成型技术,区别于传统的等材制造和去材制造技术,又称增材制造,它与普通的打印原理基本相同,在快速成型装置(打印机)内装有液体或粉末等“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物,“分层制造,逐层叠加”是其核心原理[5]。

医学治疗的个性化是21世纪医学发展方向之一。个体化治疗是骨科能进一步改进内植物与受区的匹配度,骨骼肌肉系统的个体特征,满足不同性别、种族、运动习惯和职业的个体需要,从而实现治疗决策与治疗技术的优化。提取病人的影像数据,利用三维重建、逆向工程等技术“量体裁衣、度身定做”,并通过3D打印制作出个性化的实体模型、植入物及辅助器械,有效地提高疗效。个性化医疗植入物在个体化人工关节置换、个体化接骨钣、个体化骨盆修复等临床手术中,打印技术得到广泛应用[6，7]。因此，定制化、个性化的假体与内植物更能符合个性化医疗的要求。金属3D打印技术的出现给外科植入物的发展提供了有力的保障，可以将个性化、定制化的假体三维设计转化为医用不锈钢、钛合金、钴铬钼合金制成的植入物，不再需要中间繁复的工艺过程和装备，不仅效率高，而且可以规避传统制造工艺的限制，实现结构的优化。3D打印技术可以将计算机中的三维模型、工具或假体等结构复杂的数字文件生产为实物,为临床医师使用[8],医生可以拿在手上作任意角度观察的实体模型,有助于临床医师对复杂的三维解剖结构做出最真实、准确的评估。借助准确的个体模型,合理的术前规划成为可能,个体的导板工具成为现实,个体化的植入物可避免长时间等待,制作成本也相应下降。通过计算机模拟进针点及角度,私人定制特殊进针角度的个性化骨科手术导向模板、导向器。目前的内固定器械常有配套的通用瞄准器械或模板系统,以辅助内固定物置入,但在术中仍需 X 线影像的确证。而计算机辅助导航系统采用红外线或电磁技术,可实现手术中螺钉的准确植入[9],但设备昂贵、操作繁琐及学习曲线长等不足限制了其在临床的推广应用。而基于逆向工程技术和3D打印技术的个体化内固定模板则能够与特定病例实体骨骼完全匹配,具有安全、准确等优点,并可有效减少医护人员及病人术中放射性暴露[10，11]。模型板不仅用于数字骨科手术, 而且可以在模型上预先进行手术模型,进行预制手术导板的设计,术中参考和使用,选择最佳重建方案,提供了大量的临床参考数据,这项技术已临床应用例,近期效果良好,远期效果需临床进一步随访。

3.2参与术前手术计划制订通过3D 打印可清晰直观地显示病人的骨科创伤状况,如复杂骨折与畸形。 3D打印所获得的数字化实体模型,提供了比医学影像资料更加详细的解剖学信息,实现了由二维到三维、平面到立体、虚拟到现实的转变。医生可直接在此模型上进行手术设计及模拟,以确保手术的成功,为临床疾病的诊断及治疗提供了精确化、个性化的新型思路和方法[6-12]。手术室护理人员积极参与这一环节,可以提前清晰地了解病人病情,知晓手术医生的手术方式、 手术过程、手术要点和术中注意事项,提前做好术前准备工作。

3.3配合医师进行手术模拟演练通过模拟手术可预知在术中可能遇到的问题,事先采取预防措施,比较各种方案的优劣程度,找出最佳手术方案。而且术前还可在计算机上反复预演、交流,提高对手术方案的熟悉程度。护士全程参与手术模拟演练,认真仔细配合手术医生做好模拟手术,提前熟悉手术步骤,掌握定制器械的使用方法,牢记术中所需使用的钢板、螺钉规格与位置、螺钉进入途径及角度等,做到与手术医生同步,准确、熟练、快速地配合手术医生操作,能够在实际手术过程中,缩短手术时间，节约麻醉药用量，减少术中出血，快速完成手术。

3.4术前访视术前可在计算机上给病人及其家属预演手术过程并结合使用1∶1仿真模型进行模拟展示,详细讲解病变的复杂性及手术操作的危险性，术前注意事项等内容,减轻病人心理负担,减少恐惧感,提高病人自信心, 增加病人自我参与意识,更好地理解及配合护理工作。

3.5术前准备手术应安排在百级层流手术间,手术间应有防辐射铅墙、防辐射铅衣、铅帽、C臂机,手术间门上贴有明显警示标牌。由参与术前制定手术计划的专科护士担任巡回工作,器械护士由提前配合模拟手术演练的护士担任。提前1 d由负责手术的专科巡回护士备好术中所需特殊器械,如定制器械、钢板、螺钉等,器械外包装上注明手术房间,手术医生名字,以避免发生错误。手术当日提前打开特殊器械包,检查灭菌效果,灭菌有效方可麻醉病人,避免病人在麻醉下等待特殊器械。

4小结

4.1优势3D打印因其无需模具、快捷、准确的优势成为“第三次工业革命”的重大标志之一，其独特的个性化制造能力满足了医疗领域众多病人差异化的需求，3D打印结合数字化技术有望在人工假体、人工组织器官的制造方面发挥巨大的推动作用。仿真实物模型术前给病人及其家属进行模拟展示,使病人更加直观了解病情,便于医生解释手术方案,减轻病人心理负担,提高病人自信心,有利于建立和谐的医患关系。同时,可节约手术时间,减少术中出血,使病人康复周期明显缩短,减少并发症的发生,使病人早日重返日常生活工作中。

4.2劣势①打印速度慢,成本昂贵。②配套软件集成度及功能尚不能适应3D打印的技术发展。③3D打印材料的材质特性与单一性还需改进，例如利用金属粉末打印假体的生物力学性能目前并不能达到传统工艺制造的假体性能，生物打印的材料只能利用单一的活性细胞打印组织器官，并不能实现人体组织器官功能的复杂多样性。④目前还不能完全指导手术过程(骨盆髋臼骨折中肌肉的阻挡及神经血管分布等)。

参考文献:

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(修稿日期：2015-02-05；修回日期：2015-09-18)

(本文编辑崔晓芳)