快速成型制造個(gè)體化金屬植入物在骨科應(yīng)用的展望(一)

1、快速成型制造個(gè)體化金屬植入物在骨科應(yīng)用的展望(一)【摘要】 針對骨病、骨腫瘤，最理想的治療方法是根據(jù)患者病骨的幾何解剖狀態(tài)，專門設(shè)計(jì)制定個(gè)體化治療方案，個(gè)體化治療中涉及到個(gè)體化植入物的應(yīng)用?，F(xiàn)存的金屬植入物缺乏個(gè)體匹配性。基于反求工程和快速成形技術(shù)直接制造的個(gè)體化金屬植入物，解決了目前個(gè)體化植入物翻模制造、周期較長的問題。采用新型材料作為原材料直接成型出個(gè)體化金屬植入物將是快速成形技術(shù)在骨科應(yīng)用的發(fā)展方向。 【關(guān)鍵詞】 快速成型; 個(gè)體化; 金屬植入物Abstract:The ideal treatment of osteonosus and bone tumor is individuali

2、zed treatment with individualized implants on the basis of patients geometrical anatomic condition. Traditional metal implants are lack of individual matching. The new individualized metal implant is based on reverse engineering and rapid prototyping technique, and has solved the problems of long pe

3、riod manufactural procedure in the traditional technique. New type of material is applied for rapid prototyping directly.It would be the developing tendency in orthopedic application.Key words：rapid prototyping; individualized; metal implant隨著骨缺損、骨腫瘤病例的增多，金屬植入物被更廣泛地應(yīng)用于骨科臨床，由于人骨骼的不規(guī)則性，常常遇到植入物與患區(qū)骨骼不匹配

4、，須臨時(shí)對植入物進(jìn)行塑型、拼對，這對植入物造成了磨損，且塑型的植入物難以獲得滿意的形狀，仍與患區(qū)匹配不佳，同時(shí)延長了手術(shù)時(shí)間，從而影響了手術(shù)效果。若術(shù)前能針對不同的患者定制手術(shù)所需金屬植入物，不僅使植入物與患區(qū)獲得良好的匹配，而且縮短了手術(shù)時(shí)間。針對骨病、骨腫瘤，最理想的治療方法是根據(jù)患者病骨的幾何解剖狀態(tài)，專門設(shè)計(jì)制定個(gè)性化治療方案，個(gè)體化治療中涉及到個(gè)體化植入物的應(yīng)用。從生物醫(yī)學(xué)工程的角度植入物須滿足：(1)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以承受機(jī)體的自重和運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊;(2)個(gè)體匹配性，以與缺損部位和周圍的組織相匹配;(3)具有良好生物組織相容性1、2。然而，現(xiàn)存的金屬植入物缺乏個(gè)體匹配性。隨著材料學(xué)和

5、計(jì)算機(jī)輔助工程學(xué)的迅速發(fā)展，植入物的加工工藝越來越精細(xì)，并使得個(gè)體化的設(shè)計(jì)、制造普及成為可能。1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)個(gè)體化金屬植入物1.1 患區(qū)骨骼的三維重建CT薄層掃描患處，準(zhǔn)確提取人體骨骼斷層截面數(shù)據(jù)，即骨的斷層橫截面圖像。由于各層圖像既包含骨的輪廓，又包含軟骨和其他組織的圖案，因此，必須采取合理的圖像處理技術(shù)對各層圖像進(jìn)行二值化處理，以便獲得骨橫截面的清晰圖案，然后進(jìn)一步獲得骨骼的輪廓圖像，最后通過矢量化(離散化)處理獲得骨骼輪廓的矢量圖形文件。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)專用影像處理軟件進(jìn)行處理，利用閾值分割和區(qū)域增長功能去除軟組織，得到清晰的人體骨骼三維圖像。重建的三維圖像與實(shí)物原形十分接近，楊連平等

6、3報(bào)道三維CT影像測量精確性高、可重復(fù)性好，三維圖像與原型的測量差值為0.150.27 mm。三維圖像的精確度取決于CT掃描的斷層厚度，層厚大于2 mm圖像會出現(xiàn)偽影，造成三維建模失真;層厚越小，三維模型越接近于真實(shí)原形。三維解剖學(xué)建模應(yīng)用于臨床可準(zhǔn)確測定人體骨骼病變部位的范圍及大小，有助于診斷、治療及教學(xué)科研的直觀便捷;同時(shí)也方便醫(yī)患交流以及遠(yuǎn)程診療，此技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科的疾病診斷與治療中4。1.2 個(gè)體化手術(shù)方案的制訂骨科醫(yī)生往往依靠X線片或CT片等制定手術(shù)計(jì)劃，而缺乏術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)，不能很好地估計(jì)手術(shù)中遇到的問題，計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)的發(fā)展，為解決此問題創(chuàng)造了有利條件。將

7、CT獲取的人體斷層圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件，可以繪制出一個(gè)容易操作的三維地圖，在這地圖上集中了手術(shù)時(shí)所能觀察到的形態(tài)信息、手術(shù)預(yù)定部位的范圍及隨手術(shù)過程而發(fā)生的形態(tài)變化的預(yù)后圖。計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)技術(shù)是通過人工交互的方式將待移動(dòng)模塊逐步移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，按照已知軟、硬組織移動(dòng)比例關(guān)系修改軟硬組織的邊界形狀。在三維解剖數(shù)據(jù)模型上實(shí)現(xiàn)模擬手術(shù)操作如三維截骨，手術(shù)部位及切口方向可任意選擇逐層“切開”并三維顯示。術(shù)前醫(yī)生通過三維重構(gòu)圖像了解手術(shù)部位及鄰近區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)，預(yù)先模擬手術(shù)過程，對可能遇到的問題，事先考慮補(bǔ)救方法和預(yù)防措施，并通過不同手術(shù)方案的模擬比較各種方案的優(yōu)劣，找出較好方案;通過體外模擬仿真操

8、作以確定手術(shù)方案的正確性5。1.3 個(gè)體化金屬植入物的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的個(gè)體化植入物，是對CT影像和數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析的方法，設(shè)計(jì)出有限元模型并制造出植入物，使植入物更適合于人體的生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)功能6。反求工程(reverse engineering，RE)是基于一個(gè)可以獲得的實(shí)物模型構(gòu)造出它的設(shè)計(jì)概念，并可通過對重構(gòu)模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改達(dá)到對實(shí)物模型的逼近或修改。它是基于實(shí)物測量數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，是一種特殊的CAD方法，該方法已廣泛應(yīng)用于通過CT圖像構(gòu)建醫(yī)學(xué)模型，這種CAD模型不同于一般的影像模型，其數(shù)據(jù)格式可以直接用于加工和制作工程7。隨著非侵入診斷技術(shù)如CT、MR和正電子放

9、射斷層掃描(PET)的發(fā)展，醫(yī)生能夠較易獲得病人有關(guān)部位的一組二維斷層圖像，以此為工作基礎(chǔ)反求工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用8、9。植入物的個(gè)體匹配與否，設(shè)計(jì)過程是一個(gè)決定全局的環(huán)節(jié)。首先必須獲得骨骼的多層斷面輪廓圖像數(shù)據(jù)，其次必須采取合理的圖像處理手段提取骨骼輪廓。植入物與人骨實(shí)現(xiàn)個(gè)體化匹配的關(guān)鍵是通過曲面反求實(shí)現(xiàn)植入物的原位設(shè)計(jì)，植入物的設(shè)計(jì)必須符合人體工程學(xué)、生物力學(xué)要求，同時(shí)要解決植入物體內(nèi)定位的問題。植入物的設(shè)計(jì)往往需要臨床經(jīng)驗(yàn)豐富且具能熟練掌握運(yùn)用CAD軟件的醫(yī)師，且設(shè)計(jì)過程復(fù)雜。根據(jù)醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)、模擬手術(shù)的預(yù)后圖，構(gòu)建出個(gè)體化植入物的大小、形狀、安放位置及固定方式。因此如何簡

10、化植入物設(shè)計(jì)過程、優(yōu)化設(shè)計(jì)程序成為反求工程臨床應(yīng)用的發(fā)展方向。2 個(gè)體化金屬植入物的制造快速成型技術(shù)(rapid prototyping，RP)是國外20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，是指在計(jì)算機(jī)的協(xié)助下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型或CT等數(shù)據(jù)，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基于離散、堆積成型原理的新的數(shù)字化成型技術(shù)。由于CT掃描與RP切片的數(shù)據(jù)格式極其相似，通過對CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)生物體表面輪廓的反求，可以精確復(fù)制與生物形體相同的形體。它是一種增加法制造方式，其構(gòu)想突破了傳統(tǒng)的“毛坯-切削-加工-裝配-成品”這一制造模式，集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光加工、精密數(shù)控

11、和新材料開發(fā)等多學(xué)科、多技術(shù)的綜合應(yīng)用10、11。RP主要方法有：采用光敏樹脂材料通過激光照射逐層固化的光固化成型法、采用紙材等薄層材料通過逐層粘結(jié)和激光切割的疊層實(shí)體制造法、采用粉狀材料通過激光選擇性燒結(jié)逐層固化的選擇性激光燒結(jié)法和熔融材料加熱熔化擠壓噴射冷卻成型的熔融沉積制造法12。其原理是先將CAD生成的三維實(shí)體模型通過分層軟件分成許多細(xì)小薄層，每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束，掃射薄層使其固化，以逐層固化的薄層累積成所設(shè)計(jì)的實(shí)體原型13。該技術(shù)可制作幾何形狀任意復(fù)雜的實(shí)體，而不受傳統(tǒng)機(jī)械加工方法中刀具無法達(dá)到某些型面的限制。特別適用于骨科特殊部位金屬植入物的制造：如四肢惡性腫

12、瘤切除后假體的制造，人工關(guān)節(jié)的制造等。近年來，反求工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是當(dāng)前一個(gè)重要的研究方向14。RP技術(shù)可以根據(jù)特定病人的斷層圖像數(shù)據(jù)，而不是標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué)幾何數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)并制作植入物，這樣極大地減少了植入物設(shè)計(jì)的出錯(cuò)空間，并且這種適合每個(gè)病人的解剖結(jié)構(gòu)的個(gè)體定制化植入物確實(shí)能保證一個(gè)更好的手術(shù)結(jié)果。這種與病人病患處完美配合的植入物可以幫助骨科醫(yī)生大大縮短手術(shù)操作時(shí)間。為了改進(jìn)個(gè)體匹配植入物的設(shè)計(jì)與制造的速度和精度，縮短病人的等待時(shí)間和提高植入物外形的匹配程度，直接將所需植入物的斷層圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為快速成型分層制造的輪廓數(shù)據(jù)格式并快速制造植入物的實(shí)體原型，對其形狀的修改和編輯

13、在CAD原型上進(jìn)行。這種方法具有速度快、精度高的特點(diǎn)，能很好地滿足個(gè)體匹配植入物對設(shè)計(jì)制造的速度和精度的要求。高勃等15通過螺旋CT圖像重建人下頜骨三維數(shù)據(jù)并制作單側(cè)骨缺損模型，采用健側(cè)數(shù)據(jù)鏡像反轉(zhuǎn)方法獲得修復(fù)缺損的植入體CAD數(shù)據(jù)模型，用SLS法將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成蠟?zāi)?，?jīng)失蠟鑄造制作純鈦植入體，通過定點(diǎn)測量比較植入體與CAD模型的幾何差異，實(shí)驗(yàn)表明所制作的鈦植入體形態(tài)自然，尺寸精度高，認(rèn)為應(yīng)用SLS法定制修復(fù)下頜骨缺損的植入體精度高，耗時(shí)短，是一種很有前景的個(gè)性化修復(fù)下頜骨缺損的方法。較傳統(tǒng)的金屬植入物制造工藝具有諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)了植入物與自體骨的形狀匹配，使每一植入體的制造都是針對具體

14、的患者而進(jìn)行的，從而大大提高了植入體的匹配性能;(2)能以很小的制造成本，很短的制造周期制作出任意復(fù)雜形狀的人工植入物原型，為術(shù)前的植入模擬提供了便利條件，從而可提高手術(shù)的效率和準(zhǔn)確性。3 個(gè)體化金屬植入物的臨床應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和快速成型技術(shù)的推廣，越來越多學(xué)科將基于快速成型的個(gè)體化植入物應(yīng)用于臨床取得了令人滿意的療效。3.1 個(gè)體化金屬植入物在頜面外科、神經(jīng)外科的應(yīng)用現(xiàn)階段反求工程與快速成型技術(shù)在頜面外科、神經(jīng)外科應(yīng)用較多16、17。歸來等18、192004年在國內(nèi)率先于顱骨缺損病人中應(yīng)用個(gè)性化鈦修復(fù)體，取得很好的手術(shù)效果，認(rèn)為個(gè)性化修復(fù)體邊緣與弧度精確擬合缺損部位的自然形態(tài)，幾乎復(fù)原病人

15、原先的容貌;且術(shù)中無需修整，大大縮短了手術(shù)時(shí)間。Sunil Gopakumar20將RP技術(shù)應(yīng)用于頭蓋骨修復(fù)移植物的制作并用于臨床手術(shù)中，也取得了令人滿意的效果。龔振宇等17應(yīng)用反求工程和快速原型技術(shù)完成2例下頜骨缺損的修復(fù)體設(shè)計(jì)和制作，并行修復(fù)體植入術(shù)。經(jīng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和嚴(yán)密制作的修復(fù)體術(shù)中僅數(shù)分鐘順利就位，各部件達(dá)到設(shè)計(jì)位置，術(shù)后患者面部外形與健側(cè)對稱，咬合關(guān)系良好，下頜偏斜糾正。安金剛等21應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制作個(gè)性化鈦網(wǎng)技術(shù)對8例非單純性眼眶骨折進(jìn)行治療，并與傳統(tǒng)手術(shù)進(jìn)行比較，認(rèn)為個(gè)性化鈦網(wǎng)技術(shù)重建眶壁形態(tài)、眶壁修復(fù)范圍和置入深度等方面均優(yōu)于自體骨、人工材料移植等傳統(tǒng)重建方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制

16、作個(gè)性化鈦網(wǎng)技術(shù)可以更加精確地重建眶壁，提高眼球內(nèi)陷和復(fù)視的矯治效果。3.2 個(gè)體化人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用人的骨骼結(jié)構(gòu)存在著很大的差異，標(biāo)準(zhǔn)化的假體不能適用于所有的病人，為了更好地發(fā)揮假體的作用，提高病人的生存質(zhì)量，要求在假體設(shè)計(jì)上使假體更適合于每個(gè)病人的骨骼結(jié)構(gòu)和力學(xué)要求。延長人工關(guān)節(jié)的有效使用壽命是人工關(guān)節(jié)研究的最終目標(biāo)和難題22，骨吸收和無菌性松動(dòng)是影響其使用壽命的主要因素，標(biāo)準(zhǔn)人工假體與病人骨骼之間的誤差使二者難以很好匹配，不能確保人工關(guān)節(jié)的長期穩(wěn)定。個(gè)體化人工關(guān)節(jié)可以最大限度的減少匹配誤差，從而有效減少和防止骨吸收和無菌性松動(dòng)的發(fā)生。Martini F等23對個(gè)體化股骨柄周圍的骨密度進(jìn)

17、行測定，表明個(gè)體化假體周圍的骨密度丟失很少，與其他假體相比其丟失量可以忽略，說明個(gè)體化假體周圍的骨吸收是很小的。姜濤等22在計(jì)算機(jī)上模擬臨床手術(shù)進(jìn)行截骨置換三類人工股骨假體，遠(yuǎn)端固定約束，測量三種人工股骨假體在應(yīng)力分布、界面應(yīng)力、初始微動(dòng)三個(gè)生物力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)表明，無論在雙足還是單足靜止站立載荷下，個(gè)體化股骨假體所受的應(yīng)力、界面應(yīng)力、微動(dòng)均大大小于普通生物型股骨假體和普通骨水泥型股骨假體。Zadeh AG等24采用CAD/CAM方法，設(shè)計(jì)個(gè)體化假體，并行轉(zhuǎn)子下截骨治療髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良和先天性髖脫位，獲得良好效果;Harris髖評分平均由術(shù)前的44分增加到隨訪時(shí)的91分。王臻等25、26采用RP技

18、術(shù)制造個(gè)性化人工膝關(guān)節(jié)：利用提取的股骨髁關(guān)節(jié)軟骨三維輪廓數(shù)據(jù)，在Surfacer 9.0圖像處理軟件上進(jìn)行個(gè)體化人工半膝關(guān)節(jié)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，得到三維模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。在LPS 600激光快速成型機(jī)上完成成型過程，獲得光敏樹脂原型，以該原型為母模，以硅膠為材料翻制具有較好柔性的兩瓣硅膠凹模，并在關(guān)節(jié)最低點(diǎn)設(shè)計(jì)蠟流出道，然后再以硅膠模為模板在蠟成型機(jī)上制作蠟?zāi)！Ｆ浜筮M(jìn)行涂掛、撤砂、脫蠟及焙燒等工藝，最后進(jìn)行澆鑄，獲得了個(gè)體化鈦合金關(guān)節(jié)。目前，快速成型在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中存在的問題：1)大多通過醫(yī)學(xué)影像獲得三維信息，而影像的精度目前只能達(dá)到1 mm左右，限制了快速成型的制造精度;2)快速成型現(xiàn)階段只能通過翻模制造，直接成型出可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的金屬產(chǎn)品是目前的研究方向。4 展望骨科是臨床應(yīng)用金屬植入物最多的學(xué)科，除了人工關(guān)節(jié)，還有眾多個(gè)體化金屬植入物可在骨科推廣應(yīng)用，這將使骨科