3D打印技术在骨科中的应用及展望

高宗强，张格林，吴　玮，张凯婧，兰宾尚

西安交通大学医学院第二附属医院骨三科，西安 710004



3D打印技术在骨科中的应用及展望

高宗强，张格林，吴玮，张凯婧，兰宾尚

西安交通大学医学院第二附属医院骨三科，西安 710004

主要介绍了3D打印技术在骨科临床及教学中的应用，发现3D打印的模具更直观、形象，可加深学生对骨折及各种骨科畸形的理解，并能进行手术演练，在骨科临床教学中意义重大。同时，还简要介绍了最新的谷歌眼镜及微软的HoloLens眼镜在医学教学中的应用，指出以3D打印为代表的最新数字技术将给医学教育带来革命性的变化。

3D打印；骨科；谷歌眼镜；HoloLens眼镜

2012年4月，英国《经济学人》发表专题报告指出，全球工业正在经历以3D打印为重要标志的第三次工业革命［1］。3D打印与普通打印工作原理基本类似，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终形成实物。

目前在医学领域，由于医学影像学革命性的发展，多排螺旋CT、MRI、正电子发射计算机断层显像（PET）等无创诊断技术的涌现，使得影像学诊断更加容易、可靠。依赖于专业软件，CT、MRI影像资料可迅速、简便地转化为三维立体图像。然而，平面显示的三维图像并不能给人直观、立体的感觉，3D打印技术很好地解决了这个问题。现在无需机械加工、装配及其他模具，可直接根据计算机设计的三维图形数据“打印”出任何形状、结构的物品，极大地缩短了产品研发、生产周期，降低了成本。从20世纪90年代开始，经过二三十年的迅猛发展，目前3D打印技术已广泛应用于工程设计、制造、医学等领域。在医学领域主要在颅颌面外科、牙科、骨科手术中得到逐步应用及发展。

1　3D打印技术目前在骨科临床中的应用

1.1制作模具，有利于术前策划

1.1.1可以制作模型，实现影像资料从二维到三维立体的转变，提高医师对疾病的直观认识 目前，临床常用的X线、CT或MRI都只是二维照片，三维重建CT尽管是立体的影像，但也仅仅是在胶片上体现。目前的3D打印技术，主要是根据患者三维重建CT的影像学资料，应用Mimics等专业软件进行图像处理，转化制作为3D图像，连接3D打印机可直接、精确地打印患者手术区域解剖结构。与三维数字模型相比，3D打印的实物模型更加直观，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、由平面到立体、虚拟到现实的转变。可在术前给医师提供一个更加直观、立体的对疾病的认识，且对病变部位的解剖结构、包括为患者解释病情，也更加形象、直观。

1.1.2制定更加详细的手术方案 医师可直接在此模型上进行手术设计及模拟，为临床疾病的诊断及治疗提供精确化、个性化的新型思路和方法，从而缩短手术时间，提高手术成功率。

Hurson等［2］通过研究12例髋臼骨折患者，认为采用3D打印技术制备的髋臼骨折模型有利于对骨折分类，进一步完善术前计划。此外，这些骨折模型还可用于培训年轻医师、医学生及护士。Sanghera等［3］研究了3D打印技术在骨科、牙科及颅颌面外科的应用，他们认为该技术在疾病诊断及手术方案制定方面非常有价值。

1.2手术辅助器械的应用

可以根据手术区域及手术目的，借助计算机辅助技术设计，然后利用3D打印技术快速制作术中导航模板，为术中骨折复位、确定钉道方向、骨折畸形愈合矫形截骨的大小及角度等提供有效的帮助。手术操作准确度的提高也明显减少了术中X线的曝光次数，减少对医护人员的射线损害。有利于术前根据健侧的生理解剖结构来预弯钢板，减少术中操作时间。

Brown［4］将快速制作的导航模板应用于107位骨折患者的结果表明，应用效果良好，其精确度令人满意。手术最终的钢板位置及螺钉方向与术前设计几乎完全相同。Bagaria等［5］将术中导航模板应用于4例复杂骨折，包括骨盆、髓臼及股骨内侧髁的骨折。结果显示，导航模板有助于术中骨折的解剖复位并相应的缩短手术时间，减少术中出血及麻醉药物的应用。Tricot［6］的报道均证实个性化的截骨矫形模板应用于肱骨远端骨折畸形愈合的治疗，可以精确地指导截骨的大小及角度。术后随访显示矫形效果良好。

1.3个性化定制假体

3D打印技术还可应用于骨科假体与内植物的设计及制作，即根据患者实际情况定制个性化、特殊需求的假体及内植物，以满足患者的个体化需求。目前，标准大小及形状的假体、钢板及螺钉等内植物能满足绝大部分患者的临床需求。但在特殊情况下，因患者的病情需要，如肿瘤患者截肢，经常需要个性化定制假体及内植物。

戴尅戎等［7］将3D打印技术应用于骨盆肿瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意的临床效果。Harrysson等［8］将3D打印技术应用于特殊病例半髋假体的设计；王臻等［9］将3D打印技术制备的个性化半膝假体应用于胫骨近端肿瘤患者。

西京医院在2014年已成功地将3D打印的金属肩胛骨和锁骨假体应用于临床。2014年8月，北医三院刘忠军教授做了世界首例3D打印的人工椎体置换，西安交大二院也已将3D打印的寰枢椎钢板及人工寰枢椎应用于临床。

2　3D打印在骨科临床教学中的应用

2.1制作骨性模具，更直观、形象地进行骨科临床带教及课题教学

目前，骨科应用最多的还是3D打印的骨性模具，对于临床上的骨盆骨折，复杂的关节面骨折，目前的X线及三维重建CT仍有一定的局限性，即便是高年资的骨科专科医师阅片时仍不全面，更不要说临床上的本科、研究生及低年资骨科医师了。但是，当面对一个三维立体模具，那么教学工作就简单了很多。而且，如果医师能搜集来骨盆骨折所有分型的模具，那么学生学习时就会一目了然、过目难忘。图1是一例门诊四肢麻木的患者，行颈椎MRI检查时笔者感觉寰枢椎附近有畸形，行三维重建CT检查，见寰枢椎确实有畸形，在制作了3D打印标本后，才发现除了椎管内有畸形，寰椎还有峡部裂，3D打印制作的模具更形象、更直观地显示骨折及骨骼的具体形态，有利于对学生的教学以及低年资医师的培养。

图1　一例颅底畸形患者的影像资料及3D打印模具

2.2有利于学生及低年资医师术前演练

临床上5、7、8年制的学生、研究生、规培生，层次不一，对于学生来说，可能有个直观影像即达到了教学目的。但对于专科的研究生、博士生及规培生来说，制作的骨科模具能让他们预先选择术中的钛板长度，螺钉的长度，并且可在模具上进行一定的手术演练，这对他们临床技能的提高有着决定性的意义。如果一个年轻医师能术前在模具上模拟操作手术数次，那么，当他真正上台手术时心里会更有把握，手术成功的几率也大大提升。图2是Dr.Ryan Meineke［10］在3D打印模具上进行演示。

图2　在3D打印的模具上进行手术演示

3　3D打印技术的应用前景

目前，普通的3D打印机打印速度还是比较慢，制作一个标本比较费时。随着技术的不断改进，打印标本的时间不断缩短，那么我们可以大胆地设想一下，有朝一日患者拍片时，也许最终会拿回一个3D标本，可以了解骨折情况，或者骨骼所出现的问题。

再者，随着大数据时代的到来，也可以由临床医师自己搜集、整理或者建立一个集中的数据平台。到那时，如果讲到了髋臼骨折，只需要下载相应数据并将其直接打印出来，就能得到该骨折的各种分型的模型，我们能随时制作各种教学模具。讲到哪部分骨折或特殊的发育畸形，只要数据库里有相应的CT数据，无论任何人在任何一个终端都可方便打印用以教学。

3D打印将虚拟的数字技术与现实完美结合，已经逐步在骨科临床和教学中应用，也逐步改变着医疗模式。下一步，在更广阔的工业领域内，3D打印等数字技术的应用将会更普遍。在目前，除了3D打印外，虚拟现实技术（VR）也许又会给我们的临床和医学教育带来一场革命，是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。可以由人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作来操作，感知除了常见的视觉图像外，操作者还可以感知听觉、触觉、力觉、运动，等，甚至包括嗅觉和味觉。其中，最具代表性的产品就是谷歌眼镜和微软Holens眼镜。

4　其他数字技术在医学教育中的应用

4.1谷歌眼镜

谷歌眼镜具有类似传统眼镜的外形，镜架中内置微型处理器，有摄像头、微型麦克风、可连接WIFI和蓝牙。Glass操作简单，其最大的突破在于不使用双手而仅用语音指令即可完成拍照、录像、上网等一切操作，这非常适用于手术台上的外科医师［11］。2013年2月，在美国地区开展的体验计划中，Glass在外科领域的应用获得了良好的反馈，主刀医师通过将患者的影像资料随时调至虚拟显示屏，或者遇到复杂的病例时，主刀医师可将患者目前的手术情况及手术视野随时录像，实时上网传输，高年资医师可以远距离随时指导手术或者请相关专科医师远程会诊。这点对于临床教学就更实用了。手术室因为无菌条件的限制，现场观摩人员有限，并且有些较深部位的手术，也许仅仅主刀医师一个人能清晰看见手术视野。目前的视频传输装备多在无影灯上，手术医师多会有遮挡，而如果将摄像头装在眼镜上，可有效避免这些弊端，能清晰、有效地将手术视频传输出去用于临床手术教学。低年资医师也许可现场调出手术图谱或解剖图谱用于对照学习。这种对比学习的效果肯定比单纯课堂教学要深刻的多。图3［12-13］是其他一些谷歌眼镜在骨科手术中的应用示例。

图3　Glass眼镜在骨科手术中的应用

4.2HoloLens全息眼镜

去年初在微软Build 2015大会上，微软为大家展示了HoloLens全息眼镜。简单说，Hololens是一套在现实场景中显示全息图像的设备，而这些全息图像是可以被使用者用手势控制和互动的。图4［14］中微软展示了凯斯西储大学如何使用HoloLens来教授医学课程。在HoloLens的帮助下，教授和学生不必观察尸体，而是直接在悬浮于空中的3D解剖模型旁边来回走动以了解骨骼、肌肉和器官在人体当中的解剖结构，可以用手势放大缩小，可以将骨骼、血管、神经分开，可以选取任意器官进行进一步细化，甚至还能看到正在跳动的心脏。此外，HoloLens还能通过模拟程序让医学生进行练习。使用了AR技术则是将虚拟世界与真实世界相结合，实现对真实世界的增强感，使用者在看到虚拟事物的同时，也可以看到周围真实的世界，将二者完美结合［11］。

图4　通过Holens眼镜学习医学课程

视频带来的震撼不禁让人们对未来充满了期待，那时候将会给我们的医学教育带来一场革命，学生学习系解、局解，完全摆脱了各种限制，随时随地的学习。外科手术前，主刀医师及学生可以随时复习一下解剖、甚至在术前可以再次学习，如果能把该患者的影像资料前期输入制作好的话，那么主刀医师也许可以佩戴头戴设备，将图像与现实人体完美重合。那么医师在看到患者实体和虚拟图像时，手术速度将大大加快、安全性也大幅提高，对整个人类该是多么有意义的事情。

科技引领人类未来，在数字化、大数据时代，在科技日新月异的今天，以3D打印为标志的数字技术也许会为我们带来一场技术革命。同样，医学教育模式也会不断地变革，我们必须不断地更新观念，积极学习各种新生事物，才能培养出更合格、更杰出的医学人才。

［1］王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路［J］.经济纵横，2013（1）：90-93

［2］Hurson C，Tansey A，O'Donnchadha B，et al.Rapid prototyping in the assessment，classification and preoperative planning of acetabular fractures［J］.Injury，2007，38（10）：1158-1162

［3］罗强，刘德荣，方欣硕，等.3D打印技术在矫形外科的应用［J］.中国修复重建外科杂志，2014（3）：268-271

［4］Brown GA，Firoozbakhsh K，DeCoster TA，et al.Rapid prototyping：the future of trauma surgery［J］.JBone Joint Surg Am，2003，85-A Suppl（4）：49-55

［5］Bagaria V，Deshpande S，Rasalkar DD，et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstructionmodeling in the management of complex fractures［J］.Eur JRadiol，2011，80（3）：814-820

［6］TricotM，Duy KT，Docquier PL.3D-corrective osteotomy using surgical guides for posttraumatic distal humeral deformity［J］.Acta Orthop Belg，2012，78（4）：538-542

［7］戴尅戎，朱振安，孙月华，等.计算机辅助个体化人工半骨盆的设计与应用［J］.中华骨科杂志，2005（5）：258-262

［8］Harrysson OL，Hosni YA，Nayfeh JF.Custom-designed orthopedic implants evaluated using finite element analysis of patient-specific computed tomography data：femoral-component case study［J］.BMCMusculoskelet Disord，2007（8）：91

［9］王臻，滕勇，李涤尘，等.基于快速成型的个体化人工半膝关节的研制—计算机辅助设计与制造［J］.中国修复重建外科杂志，2004（5）：347-351

［10］Sisson P.3D printing upgrades joint replacement［EB/OL］. http：//www.sandiegouniontribune.com/news/2015/jul/14/3dprinting-orthopedic/，2015-06-14

［11］宗淙.微软全息眼镜HoloLens VS谷歌眼镜：截然不同［J］.中国信息化，2015（2）：17-18

［12］Loubriel A.Google Glass Used During Surgery［EB/OL］.http：//guardianlv.com/2014/06/google-glass-used-during-surgery/，2014-06-04

［13］Rosenblatt S.Google Glass enters operating room at Stanford［EB/OL］.http：//www.cnet.com/news/google-glass-entersoperating-room-at-stanford/，2014-06-30

［14］Alhadeff E.Holographic Computing Transforming The Way Medical Students Learn［EB/OL］.https：//www.linkedin. com/pulse/holographic-computing-transforming-way-medicallearn-eliane-alhadeff，2015-07-21

App lication and p rospect of 3D p rinting technology in orthopedics

Gao Zongqiang，Zhang Gelin，Wu Wei，Zhang Kaijing，Lan Binshang
Department Three of Orthopedics，the Second Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710004，China

The article discusses3D printing technology applied in orthopedics clinical practice and teaching.We find that 3D printed molds are more intuitive and vivid.Therefore，they can deepen students'understanding of fracture and a variety of orthopedic deformities and perform operations，thus being of great significance in orthopedic teaching.The paper also gives a brief update of Google glasses and Microsoft HoloLens glasses applied in medical teaching.It points out that the latest digital technologies represented by 3D printing will bring revolutionary transformation tomedical education.

3D printing；orthopedics；Google glasses；HoloLens glasses

R-058；G642.0

A

1004-5287（2016）03-0252-04

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603005

该项目得到西安交通大学第二附属医院新技术、新疗法“3D打印在骨科中的应用”资助，并得到陕西省科技统筹项目（2015KTCQ03-01）；西安交通大学重点学科交叉项目（xkjc2013006）的资助。

2016-03-03

高宗强（1975-），男，陕西凤翔人，副主任医师，博士，主要研究方向:关节软骨损伤退变与修复。

兰宾尚（1956-），男，西安人，主任医师，教授，硕士研究生导师，主要研究方向:脊柱退行性疾患及先天性脊髓纵裂。

电话:029-87679620；E-mail:LBS526@126.com