打印在骨科中的應(yīng)用詳解

打印在骨科中的應(yīng)用當(dāng)前第1頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印定義3D打印(three-dimensionalprinting)技術(shù)是目前骨科領(lǐng)域的研究熱點，特別是2014年度國內(nèi)外均相繼報道了系列臨床成功應(yīng)用的典型案例，掀起了一陣“3D骨科熱”，引起了臨床醫(yī)生、相關(guān)研究人員及企業(yè)的極大興趣與技術(shù)追蹤。3D打印技術(shù)即快速成型(rapidprototyping，RP)技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、以數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)為載體、采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。當(dāng)前第2頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印原理日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料不同而已。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。將打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物。通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，被稱之為3D立體打印技術(shù)。當(dāng)前第3頁\共有51頁\編于星期五\0點歷史3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中期，實際上是一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。1986年，CharlesHull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機(jī)；1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利；2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)；2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)、建筑、汽車、航空航天、口腔科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。當(dāng)前第4頁\共有51頁\編于星期五\0點國內(nèi)外骨科早期采用3D打印技術(shù)主要用于等比例骨折實體模型的打?。ㄔ缙诜Q之為RP技術(shù)）。輔助骨折復(fù)位、內(nèi)固定選擇、內(nèi)固定模擬復(fù)位、確定螺釘長度及置入角度，實現(xiàn)了真正意義上的治療方案個體化國內(nèi)多家單位亦成功開展了3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用，涵蓋了創(chuàng)傷骨科、關(guān)節(jié)外科、脊柱外科、足踝外科、骨病與骨腫瘤等亞?？?；手術(shù)范圍、種類涉及到骨折實體模型打印、復(fù)雜骨折輔助復(fù)位、內(nèi)固定及置入物的選擇、3D打印導(dǎo)航模板引導(dǎo)鋼釘置入、關(guān)節(jié)置換輔助手術(shù)、足畸形矯治、輔助頸椎椎板單開門椎管擴(kuò)大成形術(shù)及病變組織切除后假體植入重建術(shù)等。另外，3D打印技術(shù)在皮膚、骨、軟骨、血管等工程化組織構(gòu)建和面部、耳、鼻、手等康復(fù)體及假肢、支具等，以及實體器官再造（人工肝、腎、心臟等）等領(lǐng)域均有成功的研究成果和臨床應(yīng)用。當(dāng)前第5頁\共有51頁\編于星期五\0點國內(nèi)2014年4月，由戴魁戎院士和郝永強(qiáng)教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊?wèi)?yīng)用3D打印鈦合金假體為1例44歲男性患者成功實施了骨盆軟骨肉瘤切除后假體重建手術(shù)；2014年5月以來，郭征教授領(lǐng)銜團(tuán)隊在國際上最先成功的將3D打印肩胛骨、鎖骨鈦合金假體應(yīng)用于骨腫瘤切除后組織的重建，患者的肢體外形和功能均得到較好恢復(fù)；2014年8月劉忠軍教授主刀完成世界首例3D打印技術(shù)人工定制樞椎作為脊柱外科內(nèi)置物，重建病變椎體切除后的穩(wěn)定性。當(dāng)前第6頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印基本流程圖像數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)后處理3D打印

當(dāng)前第7頁\共有51頁\編于星期五\0點步驟第1步：圖像獲取，使用最多的是CT掃描圖像，因為它應(yīng)用廣泛且具有足夠的分辨率。第2步：圖像處理，即從醫(yī)學(xué)影像PACS系統(tǒng)（Picturearchivingandcommunicationsystem）提取所需的部分進(jìn)行后處理，包括計算機(jī)輔助設(shè)計CAD（Computer-aideddesign），從而獲得需要打印物體的表面信息，得到所需的DICOM（Digitalimagingandcommunicationsinmedicine）格式的圖像。第3步：DICOM轉(zhuǎn)換STL（StandardTessellationLanguage）格式圖像。STL格式是3D打印機(jī)識別的格式。第4步：3D打印過程。當(dāng)前第8頁\共有51頁\編于星期五\0點在醫(yī)學(xué)中，圖像通常來源于CT掃描。CT掃描產(chǎn)生的DICOM數(shù)據(jù)（DigitalImagingandCommunicationsinMedicine醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信）經(jīng)過計算機(jī)處理后得到三維數(shù)據(jù)然后再根據(jù)臨床需要，借助CAD軟件（ComputerAidedDesign計算機(jī)輔助設(shè)計）對3D圖像進(jìn)行修改，獲得最終打印模型的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。后處理完成后將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機(jī)，根據(jù)需要選擇不同類型的3D打印技術(shù)進(jìn)行三維物理模型及術(shù)中模板的打印。其中，有學(xué)者認(rèn)為CAD計算機(jī)輔助設(shè)計是3D打印技術(shù)的核心。當(dāng)前第9頁\共有51頁\編于星期五\0點一、初級階段：打印骨骼模型，輔助手術(shù)對于復(fù)雜骨折，傳統(tǒng)影像學(xué)方法難以直觀了解骨折情況，而3D打印的1:1比例的三維實體模型可以更加直觀和清晰，可以很好的協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前診斷，幫助醫(yī)生了解骨折的程度、類型及各個骨折塊的移位情況，做出明確的術(shù)前診斷，評估術(shù)中可能存在的風(fēng)險，為術(shù)中的骨折復(fù)位提供基礎(chǔ)。同時醫(yī)生在術(shù)前可以在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)操作和練習(xí)，對術(shù)中內(nèi)固定物進(jìn)行預(yù)塑形，提高手術(shù)操作準(zhǔn)確度可以明顯的減少了術(shù)中X線的應(yīng)用次數(shù)、節(jié)省手術(shù)時間。當(dāng)前第10頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印模型流程示意圖當(dāng)前第11頁\共有51頁\編于星期五\0點利用3D打印技術(shù)制作的全仿真骨折模型當(dāng)前第12頁\共有51頁\編于星期五\0點

中級階段：植入物及假體制作，個性化治療

醫(yī)學(xué)治療的個性化是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向之一。目前，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的骨科植入物能滿足大部分患者需求。但在特殊情況下，如患者所需內(nèi)植物太大或太小，或由于疾病的特殊性無合適商業(yè)化產(chǎn)品，或需要與個體解剖結(jié)構(gòu)更為貼附的內(nèi)植物以提高手術(shù)效果時，則需要個性化定制假體及內(nèi)植入物。當(dāng)前第13頁\共有51頁\編于星期五\0點目前國內(nèi)外已經(jīng)廣泛開展了3D打印個性化接骨板、個體化人工關(guān)節(jié)假體的臨床應(yīng)用研究。對于關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形以及特殊部位的骨腫瘤患者，手術(shù)方案的制定非常具有挑戰(zhàn)性，如假體型號的選擇、假體安放位置的準(zhǔn)確以及畸形的矯正程度等都是術(shù)者面臨的難題。個體化骨科植入物可保證幾何形態(tài)的完美匹配，理論上可保證良好的初始穩(wěn)定性，改善骨長人，延長假體壽命。當(dāng)前第14頁\共有51頁\編于星期五\0點

3D打印技術(shù)應(yīng)用于頸椎間盤突出治療

當(dāng)前第15頁\共有51頁\編于星期五\0點

高級階段：生物打印，人工器官與人工骨骼

生物打印是3D打印技術(shù)研究中最前沿的領(lǐng)域，是最具有價值的技術(shù)，其特點在于“墨水”中含細(xì)胞和生長因子，產(chǎn)品經(jīng)體外和體內(nèi)培育，形成有生理功能的組織結(jié)構(gòu)?？梢灾苯印按蛴　背龉δ苄缘娜梭w器官和組織。在骨組織工程領(lǐng)域，3D打印技術(shù)主要用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異的組織工程支架，甚至打印組織工程人體器官。當(dāng)前第16頁\共有51頁\編于星期五\0點實例應(yīng)用（一）橈骨頭粉碎性骨折患者摔傷右肘關(guān)節(jié)腫痛、活動受限1小時。查體：右肘部見皮膚挫擦傷痕，局部腫脹明顯，壓痛，捫及骨擦感，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)功能障礙，腕指活動良好，指端血運皮膚感覺可急診予以右肘部X線片檢查，確認(rèn)患者為右橈骨小頭粉碎性骨折，屬于復(fù)雜的骨折類型。面對這例難度系數(shù)較大的手術(shù)，如何保證患者患肢功能，縮短手術(shù)時間，取得良好治療效果、降低手術(shù)風(fēng)險？經(jīng)病例討論決定，借助3D打印技術(shù)來做此復(fù)雜的骨折手術(shù)，予以橈骨小頭置換術(shù)。當(dāng)前第17頁\共有51頁\編于星期五\0點患者入院后予以患肢行薄層CT掃描獲取病變部位的二維數(shù)據(jù),采用計算機(jī)輔助技術(shù)行橈骨小頭骨折的三維重建解剖學(xué)模型,快速成型制作出與實體1∶1大小的肘關(guān)節(jié)模型，并打印出1∶1大小的肘關(guān)節(jié)模型，依此對橈骨小頭骨折做出明確的診斷、分型，制定手術(shù)方案。當(dāng)前第18頁\共有51頁\編于星期五\0點1：1模型術(shù)前設(shè)計當(dāng)前第19頁\共有51頁\編于星期五\0點計算機(jī)輔助模擬截骨當(dāng)前第20頁\共有51頁\編于星期五\0點計算機(jī)輔助設(shè)計橈骨小頭假體當(dāng)前第21頁\共有51頁\編于星期五\0點計算機(jī)輔助模擬置換后的效果當(dāng)前第22頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前予以關(guān)節(jié)面測量，根據(jù)肘關(guān)節(jié)假體數(shù)據(jù)模擬測量截骨長度，關(guān)節(jié)面的匹配情況，模擬關(guān)節(jié)術(shù)后假體穩(wěn)定情況以及肘關(guān)節(jié)的活動效果，模擬手術(shù)指導(dǎo)手術(shù)治療在術(shù)中所見與虛擬三維重建圖像及快速成型肘關(guān)節(jié)模型及骨折類型非常相似，術(shù)前的模擬手術(shù)使手術(shù)時間明顯縮短,減少了術(shù)中失血。當(dāng)前第23頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前模型截骨長度測量當(dāng)前第24頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前模型模擬截骨當(dāng)前第25頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前模型截骨后效果當(dāng)前第26頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前模型截骨后測量當(dāng)前第27頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前橈骨小頭模擬置換效果當(dāng)前第28頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)中截下的骨頭當(dāng)前第29頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)中置換完成圖片當(dāng)前第30頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)后透視當(dāng)前第31頁\共有51頁\編于星期五\0點實例（二）骨盆骨折運用3D打印1:1骨盆骨折模型能全面、直觀、精確地顯示骨盆骨折部位、以及髖臼的立體形態(tài)和各部位解剖結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，對于骨盆骨折的診斷、分型及治療均有很強(qiáng)的臨床指導(dǎo)作用，可用于制定手術(shù)方案、術(shù)前模擬手術(shù)，它使骨盆骨折手術(shù)更精確、更可靠、更方便。當(dāng)前第32頁\共有51頁\編于星期五\0點患者摔傷致右髖部、左側(cè)胸部等全身多處疼痛1小時。查體：左側(cè)前胸部見挫傷傷痕，局部稍腫脹，壓痛，胸廓擠壓征（+），腰肌緊張，腰3.4棘突壓痛、叩擊痛，腰椎活動受限；骨盆擠壓征（+），分離試驗（+），左膝見長約4cm及3cm挫裂傷口，深達(dá)皮下，污染，傷口滲血，未見肌肉及髕韌帶斷裂，左手腕、左髖部、左大腿及左膝見挫擦傷痕，局部腫脹，壓痛，雙下肢肌力5級，感覺正常急診予以胸部、骨盆X線片、骨盆CT檢查，診斷：骨盆骨折：右恥骨上支骨折、右髖臼骨折討論決定借助3D打印技術(shù)來治療復(fù)雜的骨盆骨折患者，予以骨盆骨折內(nèi)固定手術(shù)當(dāng)前第33頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前三維重建骨盆模型當(dāng)前第34頁\共有51頁\編于星期五\0點當(dāng)前第35頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前1：1骨盆骨折模擬復(fù)位當(dāng)前第36頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前根據(jù)制定的手術(shù)方案預(yù)彎鋼板當(dāng)前第37頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)前模擬手術(shù)內(nèi)固定效果當(dāng)前第38頁\共有51頁\編于星期五\0點術(shù)中骨盆骨折手術(shù)內(nèi)固定當(dāng)前第39頁\共有51頁\編于星期五\0點實例（三）頸椎腫瘤2016年10月17日，北京大學(xué)第三醫(yī)院（以下簡稱「北醫(yī)三院」）骨科主任劉忠軍教授收治了一位4節(jié)頸椎被惡性腫瘤侵犯的重癥患者。劉教授團(tuán)隊給患者實施了全世界首例4節(jié)頸椎切除手術(shù)，并給患者安裝上全世界首個大跨度3D打印人工頸椎。當(dāng)前第40頁\共有51頁\編于星期五\0點常規(guī)應(yīng)用鈦網(wǎng)+內(nèi)固定當(dāng)前第41頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印效果當(dāng)前第42頁\共有51頁\編于星期五\0點用來替換4節(jié)頸椎的3D打印內(nèi)植物（是不是跟想象中的完全不一樣，做成這樣是有原因的，后文會告訴你）。該內(nèi)植物通過兩端的接頭直接固定在第一節(jié)和第六節(jié)椎骨上。它的力學(xué)強(qiáng)度和與上下椎骨的接觸面積，都明顯大于傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)。一段時間后，這個具備人體生理曲度的「海綿狀」微孔鈦合金3D打印內(nèi)植物會被新生的骨組織充滿（見下圖），并被各種軟組織包被。當(dāng)前第43頁\共有51頁\編于星期五\0點動物實驗中的3D打印微孔內(nèi)植物切片顯微圖，可以看到微孔中已經(jīng)長滿了骨組織當(dāng)前第44頁\共有51頁\編于星期五\0點ImpossibleObjects公司：3D打印的PEEK碳纖維復(fù)合材料股骨柄植入物當(dāng)前第45頁\共有51頁\編于星期五\0點清華長庚醫(yī)院：完成世界首例高位骶骨整塊切除并3D打印假體重建術(shù)當(dāng)前第46頁\共有51頁\編于星期五\0點北京大學(xué)第三醫(yī)院：國內(nèi)首個獲得CFDA批準(zhǔn)的金屬3D打印椎體植入物手術(shù)當(dāng)前第47頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印局限材料的限制：雖然目前可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但打印的材料都是比較昂貴和稀缺的，尚無法支持各種材料、特別是生物材料的打??；材料的力學(xué)性能也是目前研究的熱點和要點。加快3D生物打印研究與開發(fā)：除了研制適合3D打印的生物材料和“墨水”外，還要研究細(xì)胞和生長因子與材料復(fù)合的最佳濃度；打印時如何達(dá)到無菌、無熱源、保持細(xì)胞／生物活性因子的活力、維持組織結(jié)構(gòu)完整性等要求。輔以材料的微米、納米技術(shù)；可根據(jù)需要設(shè)定特定的孔隙率、交聯(lián)；顯著提高支架的生物學(xué)及力學(xué)性能，使其有利于細(xì)胞黏附、增殖、分化，從而促進(jìn)骨組織生長及骨折愈合，有助于縮短患者的恢復(fù)期，有利于節(jié)省患者的醫(yī)療成本。當(dāng)前第48頁\共有51頁\編于星期五\0點3D打印局限個性化定制治療與規(guī)?；圃?、群體治療相兼顧研究：目前3D打印只是適合一些小規(guī)模制造，尤其為高端的定制化產(chǎn)品；3