3D打印技术在骨科中的研究进展

韩国嵩，马广文，黄　斐，吴云峰，廖法学，尹宗生

(安徽医科大学第四附属医院骨科，安徽 合肥　230022)



3D打印技术在骨科中的研究进展

韩国嵩，马广文，黄斐，吴云峰，廖法学，尹宗生

(安徽医科大学第四附属医院骨科，安徽 合肥230022)

摘要：3D打印技术是一种进行实物模型快速制作的新兴技术，是一种基于数字模型数据，运用黏合材料逐层打印的方法制造出实物模型的技术，越来越为人们所关注，同时受到广泛医学学者的青睐，3D打印技术在医学中主要应用于脊柱外科、关节外科、口腔外科和整形外科等领域。该文综述了骨科临床中常用的3D打印技术应用原理，及其在骨科的手术辅助技术、骨科材料的制作、具有生物活性的骨组织代替模型等领域的应用进展，分析了其优点和不足，并对3D打印技术应用前景进行了展望。

关键词：3D打印；骨科；实物模型；个体化模板

在骨科临床实际工作中，以往只能通过X线摄片、CT及MRI等图像资料对骨科手术进行术前设计和术前分析，而且这些图像资料在反映病变位置、严重程度和解剖学畸形方面缺乏精确性和直观性，因此骨科手术的成功完成需依靠手术医生的丰富临床经验和术中探查病变情况，术中对病变部位的判断不准确可能直接影响手术的安全性和手术治疗的效果。3D打印技术，是一种基于数字模型数据，利用计算机辅助设计软件进行三维设计和重建，将三维设计结果输入3D打印机，运用粘合材料逐层打印出每个层面从而得到想要的实物模型的技术。作为一种新型的快速成型技术，越来越多的人们开始关注，同时也受到了广大医学学者的关注。近年来，3D打印技术成功制作出了骨科实物模型和反向模板，是进行术前模拟和手术方案设计及术中辅助手术操作方面等的有效工具，已经在尸体标本和临床实验中应用取得了满意的效果。本文通过复习国内外有关文献，对这方面研究进行作一综述。

13D打印骨科模型的设计与制作

1.1逆向工程技术(reverse engineering,RE)3D打印模型的制作主要通过逆向工程原理(RE)和快速成型技术(rapid prototyping,RP)而实现的。RE是计算机辅助设计(computer aided design, CAD)中一个相对独立的领域，其原理是利用各种数字化设备对现有实物进行扫描和测量，然后通过计算机处理得到的实物的数据，并结合3D打印技术三维立体的模型的过程[1]。目前，在医学研究领域使用最广泛的逆向工程技术有比利时Materialise公司的Mimics软件和美国EDS公司的UG Imageware软件。Mimics软件是基于医学CT、MRI图像三维重建软件，软件可显示和分割CT等医学图像，并具有良好的图像编辑功能。UG Imageware软件是著名的CAD软件，具有强大的数据处理和编辑功能[2]。

1.23D打印技术(three dimension printing)3D打印技术，又称快速成型技术(rapid prototyping, RP)，是将虚拟的CAD模型快速的转化为具有一定功能的实物模型，目前在航空航天、汽车工业和模具制作等领域得到了广泛的应用。RP技术依据成型方法可分为两类：基于激光或其他光源的成型技术，其主要为光固化成型(stereo lithography apparatus,SLA)，另一种为基于喷射的成型技术，其主要为熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM )[2]。由于RP技术制作出的实物模型与实物大小、结构完全一致性，对术前模拟和手术方案的设计具有重要参考价值。近年来，RP技术在医学领域开始逐渐被重视和推广，主要在脊柱外科、关节外科、口腔外科和整形外科等领域得到广泛的应用，可为临床手术设计提供有效的解决方法[3]。

1.33D打印模型的制作工程制作程序：(1)对需要建模部位进行CT扫描，并将所得CT数据以DICOM格式保存后，导入Mimics软件，进行三维重建，以STL格式导出；(2)设定Mimics软件的阈值，使低密度的肌肉和软组织从高密度的骨组织中分离出来，称为“阈值分割”后，利用“蒙板设计”去除内部空腔；对于需要制作反向模板的部位，在Mimics中设计与其相贴合的反向模板。在辅助椎弓根螺钉置入时，需在软件中设计最佳进钉通道，并制作定位导向孔，将定位导向孔制作成空心圆柱体，将反向模板与最佳进钉通道融合为一体，形成带有双侧定位孔的个体化导航模板；(3)将上述做好的数字化的导航模板STL格式文件输入快速成型机SPS350B，使用高分子光敏树脂材料(DSM公司，美国)，利用光固化成型技术(SLA)或熔融沉积成型技术(FDM )将数字化个体导航模板制作出来，从而形成实物。

2 3D打印模型在骨科中的应用

2.1在脊柱畸形中的应用3D打印技术制作出的脊柱模型可准确清晰的显示畸形脊柱形态，能够发现X线片、CT及MRI等普通影像学资料无法显示的隐匿信息，从而帮助手术医生更加全面清楚地认识畸形脊柱的形态学结构，同时还可以通过脊柱模型进行手术设计等操作。近年来，有关3D打印技术在脊柱畸形手术中的应用越来越多见。Mao等[4]报道在治疗16例中度脊柱侧突患者应用快速成型技术，术后侧突角由118°减少至42°，术后疗效满意。Wu等[5]通过两种方法治疗62例先天性脊柱侧突患者，其中34例应用快速成型技术，螺钉的植入准确率为91.6%；而另外28例通过传统手术，螺钉的植入准确率为82%，具有统计学意义。惠华等[6]报道，19例脊柱畸形患者，通过术前CT诊断发现2例漏诊，而采用快速成型技术对脊柱畸形患者脊柱观察全方面，多方位，漏诊较少。桑宏勋等[7]研究也得出了相似的结论。以上实验研究显示，3D打印模型对脊柱畸形患者指导手术治疗具有重要的临床意义。

2.2辅助椎弓根螺钉的置入椎弓根螺钉置入是临床脊柱外科手术中最常用内固定方法，椎弓根与脊髓和神经位置毗邻，置钉要求准确性高，螺钉位置不当可导致内固定系统稳定性下降，造成脊髓或神经损伤等并发症。椎弓根螺钉的松动、拔出是脊柱后路固定术常见的并发症，因此如何准确安全置钉是临床医生需解决的重要难题[8]。近年来，3D打印技术制作出的导航模板，在辅助椎弓根螺钉置入过程中取得了实验研究进展，获得了满意的效果。Lu等[9-10]对颈椎尸体标本进行CT扫描，将文件以DICOM格式保存，导入Mimics软件进行三维重建，并进行虚拟进钉操作，设计出与椎板后部和棘突根部相贴合的反向模板，最后利用3D打印机制作出导航实物模板，在实验中验证了个体化导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入的准确性。Ma等[11]选择12具尸体标本，随机分为徒手组和导航模板组，徒手组凭医生经验徒手置入螺钉，导航模板组使用个体化胸椎导航模板，辅助椎弓根螺钉的置入，比较两组置钉准确性和意外发生率，结果示使用导航模板组有更高的准确性和更低的意外发生率。陈宣煌等[12]对60例患者共制作253个导航模块，并利用导航模板辅助置入椎弓根螺钉，结果示所有螺钉均在椎弓根内位置良好，无1例穿破腰椎椎弓根皮质，未发生置钉相关并发症。严斌等[13]将37例正常人体腰椎进行三维重建，设计导航杆正好穿破椎弓根中心，3D打印出腰椎标本模型和导航模板，结果228枚腰椎椎弓根螺钉进钉方向都与虚拟方向完全一致，未穿破椎弓根皮质。

2.3在骨科肿瘤中的应用脊柱模型能清楚地观察脊柱肿瘤的大小，与椎体和脊神经的位置关系，明确手术需要切除范围，制定手术方案。Madrazo等[14]报道使用3D打印技术为2例患者制作的脊柱模型，可以更直观地了解神经根和脊髓压迫症状的器质性病变，对疾病诊断、术前规划和手术模拟有着重要的意义，同时能够更加形象地向患者介绍手术方案、疗效和风险。3D打印技术还可以用于骨盆肿瘤手术中的治疗，裴延军等[15]使用3D打印术完成了亚洲首例钛金骨盆假体的植入，相继完成了锁骨和肩胛骨假体的植入手术，取得了满意的效果。

2.4在脊柱骨折脱位中的应用脊柱骨折脱位往往要依据术者在术中所探查到骨折具体部位和程度，制定出合适的手术方案。Yamazaki等[16]对1例陈旧性C4/5骨折脱位患者，术前制作出脊柱实物模型，在模型上进行手术模拟和进钉模拟，为手术方法选择和术中椎弓根螺钉置入提供了必要的信息，保证了手术的顺利完成。但是模型设计和制作时间较长，因此对于骨科急诊手术患者，未必能及时制作完成。

2.5在复杂四肢骨折中的应用3D打印技术能够直观地反应骨折的三维立体结构，能够准确的判断临床骨折的分型，帮助临床医生进行术前规划、内固定选择等有重要的意义。据文献报道[17-18]，利用3D打印对复杂跟骨骨折、骨盆骨折等进行术前建模，能够辅助内固定钢板及螺钉准确置入，缩短了手术时间，减少了术中透视次数，从而取得了满意的效果。然而骨折端CT三维重建不仅增加了手术费用，而且延长了手术时间，因此不能适用于急诊手术[19]。大多数临床医生认为3D打印技术能够很好的辅助术前规划、便于与患者进行交流，增加了手术的安全性，因此值得临床推广。

2.6在膝关节置换术中的应用全膝关节置换术(TKA)是目前治疗膝关节骨性关节炎最常见方法，取得了较好的疗效[20]。文献报道，下肢力线是评价TKA成功的重要指标，且达到满意的下肢力线需要手术经验的医生才能完成[21]。近年来，个体化导航模板在辅助TKA截骨方面进行了实验研究，李伟方等[22]将16具膝关节尸体标本分为导航模板组和传统组进行对照实验研究，模板组采用3D打印制作出的个体化截骨导航模板，辅助TKA截骨定位；传统组按常规TKA手术操作。术后行CT扫描比较两组假体组件位置和下肢力线，结果示模板组下肢力线方面明显优于传统组。Heyse等[23]通过对94例病例资料研究发现，导航模板组在下肢机械轴线偏差和股骨假体旋转轴线定位方面更有优势，Boonen等[24]研究也得出了相似的结论。以上实验证明个体化导航模板能够提高了截骨精确度，达到理想的假体位置，从而准确定位股骨远端假体旋转轴线，但还需要进一步更多的临床实验验证。

33D打印技术在骨科中的应用优点与缺点

优点：(1)提高术前诊断率：基于CT扫描资料，利用逆向工程和3D打印技术制作出的实物模型，能够准确清晰的显示病变部位形态和结构，特别是判断脊髓和神经走形方向，可以发现X线片、CT及MRI无法显示的信息。提高了我们对于疾病的判断能力和准确性；(2)指导手术设计：对于立体实物模型，可以测量脊柱的cobb角，截骨角度和进钉钉道长度等。对内固定种类选择、欲弯内固定棒、截骨角度和范围等具有重要作用，另外在模型上模拟手术，比较不同手术方案的优缺点，从而可以由于判断和选择错误所致的手术并发症的发生；(3)指导手术操作：前期的实验研究发现，在脊柱上通过个体化导航模板辅助置钉，对手术医生经验要求较低，且不受患者体位的影响，大大降低了螺钉穿破椎弓根皮质和损伤神经的概率。操作简单，增加了置钉的准确性，缩短了手术时间，大大降低了手术的风险；(4)利于术前沟通：通过3D打印模型，患者可以直接了解脊柱病变情况，有利于向患者和家属沟通交流病情，使患者了解手术方式和相应的风险性。另外对于医学生而言，畸形脊柱模型方便观察和学习，帮助更好的理解和记忆。

缺点：(1)目前技术模型设计和时间制作时间较长，一般需要3 d左右，因此对于急诊手术无法及时使用；(2)对于脊柱模型的制作程序，不同软件中操作会造成数据丢失，且需外科医生充分学习Mimics软件知识，此软件程序应用复杂，学习时间较长；(3)3D打印设备成本较高，且目前应用于3D打印机的光敏树脂材料对于人体具有一定的排异，尚不能在临床手术中开展实施，限制了该方法的普及与应用。

4展望

综上所述，3D打印技术是一种新型的快速成型技术，基于其在复杂骨科中具有重要的价值，经尸体标本研究和临床实验研究，初步验证了其可行性。但是目前仍存在许多不足之处，随着科学技术的发展，若能设计出一款集逆向工程和快速成型技术于一体的多功能软件，无需数据转换过程，精确个体化手术设计，其设计时间和费用大将会越来越低，且会提高3D打印技术应用效率和范围，使其为越来越多的人接受3D打印技术。在未来骨科中，3D打印技术将会在人工假体，手术器械和骨移植物等制作制作方面实现新的突破，猜想依赖于生物材料和骨组织干细胞培养等科学技术发展，将替代坏死的骨组织部分的具有生命特征的活性人工骨组织直接打印出来，应用于骨科手术中也是有可能的实现的。然而，目前国内3D打印技术在骨科中的应用还处于初始阶段，技术还不成熟，应用设备仪器、材料及软件等大多数来自于国外，大大限制了3D技术在骨科中的的应用与发展。相信随着我国生物材料和数字技术的发展，将会被更多医生和患者的接受，从而正式应用于临床。因此，3D打印技术将成为未来骨科发展趋势，为医学临床提供更多的方便，具有广阔的应用前景。

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doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2015.12.004

基金项目：安徽省科技计划项目(No 15011d04047)

作者简介：韩国嵩，男，硕士研究生

通信作者：尹宗生，男，主任医师，博士生导师，研究方向：关节外科，E-mail:yinzongsheng@sina.com

(收稿日期：2015-07-10，修回日期：2015-08-11)

Research progress of 3D printing in orthopaedics

HAN Guo-song, MA Guang-wen, HUANG Fei, et al

(DepartmentofOrthopedics,TheFourthAffiliatedHospital

ofAnhuiMedicalUniversity,Hefei,Anhui230022,China)

Abstract:3D printing is a rapidly emerging technology that may be used to fabricate physical model, it is a technology of using the adhesive materials to print and create physical model step by step, which was based on digital data. It has received extensive attention by more and more people, and has got the favor of medical scholars. 3D printing has been widely used in a wide range of medical specialties including spine surgery, joint surgery, oral surgery and plastic surgery. In this review, various kinds of 3D printing technologies in orthopedics were summarized, the 3D printing auxiliary in orthopaedic surgery, orthopedics materials and bone substitute is of great significance in the areas of application. At the same time, we also analyzed the advantages and disadvantages, and made a prediction focusing on the 3D printing technologies.

Key words:3D printing;orthopedics;physical model;individual template