快速成型技術(shù)在脊柱外科中的應用研究現(xiàn)狀

1、快速成型技術(shù)在脊柱外科中的應用研究現(xiàn)狀         10-05-03 14:15:00     作者：陳玉兵， 陸聲，徐永    編輯：studa20【摘要】  快速成型是一種進行物理模型快速制作的新興技術(shù)， 已廣泛應用于頜面外科、神經(jīng)外科、矯形外科等醫(yī)學領(lǐng)域。本文介紹了脊柱外科中常用的快速成型技術(shù)及其應用原理，綜述了快速成型脊柱實物模型及個體化模板在術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬、定制植入物和內(nèi)固定裝置、輔助椎弓根螺釘內(nèi)固定等方面的

2、應用研究現(xiàn)狀，對快速成型技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域的應用前景進行了展望。 【關(guān)鍵詞】  快速成型； 脊柱外科； 實物模型； 個體化模板    Abstract：Rapid prototyping is a generic name given to newly emerging technologies that may be used to fabricate rapidly physical objects directly from Computer Aided Design data sources.It has been applied widely

3、to a range of medical specialties,including maxillofacial surgery,neurosurgery and orthopedic surgery.In this article,various kinds of rapid prototyping technologies and their principles of application in spine surgery are summarized.Subsequently,current application and research of physical biomodel

4、ings and individual templates which produced from rapid prototyping is reviewed,including preoperative planning,surgical simulation,custom implants and internal fixation device,and assisted pedicle screw fixation in spine surgery.Finally,a prediction is made for using rapid prototyping technologies

5、in spinal surgery.    Key words：rapid prototyping;  spine surgery;  physical biomodeling;  individual templates     快速成型(rapid prototyping,RP)技術(shù)20世紀80年代起源于機械工程領(lǐng)域，是集新型材料科學、計算機輔助設計、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)為一體，基于離散、堆積原理逐層累加進行物理模型快速制作的綜合技術(shù)；其突出特點是分層疊加、善于制造復雜實體且具有較高的精確度，

6、目前已廣泛應用于頜面外科、神經(jīng)外科、矯形外科等醫(yī)學領(lǐng)域14。近年來，快速成型技術(shù)在脊柱外科中的應用研究也逐漸增多519，主要集中在快速成型脊柱實物模型和快速成型個體化模板兩個方面，本文通過復習國內(nèi)外有關(guān)文獻，將這方面的研究應用現(xiàn)狀做一綜述。    1  脊柱外科中常用的快速成型技術(shù)    RP技術(shù)根據(jù)成型方法可分為2類：基于激光及其他光源的成型技術(shù)如：光固化成型(SLA)、分層實體制造(LOM)選域激光燒結(jié)(SLS)、形狀沉積成型(SDM)等；  基于噴射的成型技術(shù)：熔融沉積成型(FDM)、三維印刷  (

7、3DP)、多相噴射沉積(MJD)等。其中，光固化成型是RP的典型技術(shù)之一。它以光敏樹脂為原料，通過計算機分層控制紫外激光在樹脂表面逐點掃描，掃描區(qū)的樹脂產(chǎn)生光聚合反應而固化形成一個薄層。然后工作臺下降一個層厚的距離，使固化好的樹脂表面再敷上一層新液體樹脂后進行下一層的掃描加工。如此重復直到獲得一個三維實體原型。FDM、3DP是利用熱塑性材料(如聚碳酸酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯等)的熱熔性、黏結(jié)性，在計算機控制下層層堆積成型。SLS是利用熱塑性粉末狀材料(如硬聚酰胺)成型。目前，RP技術(shù)在脊柱外科以SLA技術(shù)最為常用514,1819，其他采用的RP技術(shù)有FDM11、3DP15,17和SLS16，&#

8、160; 醫(yī)學影像資料均通過CT掃描獲得519。    2  脊柱實物模型的應用研究    2.1  脊柱實物模型的制作流程    首先對要建模的脊柱進行CT連續(xù)掃描，將獲得的CT掃描數(shù)據(jù)導入三維重建軟件，用計算機輔助設計生成三維模型并轉(zhuǎn)換成快速成形機可接受的數(shù)據(jù)格式，然后利用快速成形技術(shù)精確成形脊柱實物模型511,1819。    2.2  脊柱實物模型在脊柱外科中的應用    2.3  脊柱實物模型有用

9、性評價    Izatt等10對脊柱實物模型在復雜脊柱外科中的有用性進行了定量化研究。他們共在26例病人(脊柱畸形21例，脊柱腫瘤5例)中應用了28個脊柱實物模型，術(shù)前通過脊柱實物模型進行手術(shù)規(guī)劃，定制植入物，為手術(shù)提供解剖學參考。結(jié)果顯示：65的病例通過實物模型能夠獲得比CT、MRI、X線片等醫(yī)學影像資料更加詳細的解剖學信息；11的病例只有在實物模型上才能獲得手術(shù)所需要的解剖學信息，其他醫(yī)學影像資料無法提供。通過術(shù)前應用實物模型52的病例導致植入物植入決策的改變，74的病例導致植入物植入部位的改變。實物模型的應用能減少脊柱腫瘤手術(shù)8%的操作時間，和脊柱畸形手術(shù)2

10、2%的操作時間。手術(shù)證實58的實物模型解剖和術(shù)中解剖幾乎完全相同，39的實物模型解剖和術(shù)中解剖完全相同，只有1例實物模型和術(shù)中解剖稍有差異。另外，通過應用實物模型能夠和患者本人或家屬進行更好地交流溝通，便于手術(shù)團隊之間的交流，最大限度地減少分歧和失誤。Guarino等11的研究表明：脊柱實物模型對術(shù)前規(guī)劃，術(shù)中提供參考十分有用。通過應用實物模型能夠增加小兒脊柱外科手術(shù)的安全性，減少手術(shù)操作時間，能夠和患者家屬進行更好地交流溝通。    3  個體化模板的應用研究    3.1  個體化模板的設計及制作    首先對要進行椎弓根螺釘或經(jīng)關(guān)節(jié)突螺釘固定的脊柱椎體進行CT連續(xù)掃描，將獲得的CT掃描數(shù)據(jù)導入三維重建軟件，用計算機輔助設計生成三維模型，轉(zhuǎn)換成快速成形機可接受的數(shù)據(jù)格式，在三維重建模型上尋找椎弓根螺釘或經(jīng)關(guān)節(jié)突螺釘?shù)淖罴堰M釘點和進釘通道，并提取椎體后部骨性結(jié)構(gòu)(椎板、棘突、橫突、側(cè)塊等)的表面解剖學形態(tài)，建立與椎體后部骨性結(jié)構(gòu)解剖學形態(tài)一致的模板，將螺釘?shù)淖罴堰M釘通道和模板擬合為一體，形成帶有定位導向孔的個體化模板，采用快速成型技術(shù)將個體化實物模板生產(chǎn)出來。螺釘?shù)淖罴堰M釘通道一般被制造成具有一定長度和直徑的空心圓柱體，圓柱體內(nèi)