3D打印在骨科疾病诊疗中的应用进展

225•综述•

doi:10.11659//ssx.01E018047

3D打印在骨科疾病诊疗中的应用进展

Application progress of 3D printing in diagnosis and treatment of ortliopedic diseasesZHAO Shao-fei1 ,GUO Gen-wrei2 ,ZHOU Xing2 (1. the 66337 Troops of PLA,Jiexiu Shanxi 032000,China；. Department of Ortho­pedics, Nanjing General Hospital of PLA, Nanjing Jiangsu 210002, China)

[摘要]近年来3D打印技术发展迅速，在医学领域的应用也越来越广泛，可在产品物理结构不发生改变的情况下进行个 性化定制，达到材料与病变部位的匹配。3D打印技术在骨科诊疗中仍处于初级研究阶段，骨科患者通常因其解剖学位置的特殊性 及治疗技术的繁琐性使得其治疗难度大大增加，将3D打印技术应用于骨科临床有助于骨科复杂手术的导航，降低手术难度，提高 患者手术成功率及预后效果。本研究将对3D打印技术在临床骨科疾病诊疗中的应用进展进行阐述，并对3D打印技术在骨科的应 用前景进行展望。

[关键词]3D打印技术;骨科;创伤诊疗;应用进展

[中图分类号]R68 [文献标识码]A [收稿日期]2018-01-13

赵少飞1郭根玮2,周幸2 (1.解放军第66337部队，山西介休032000;.解放军南京总医院骨科，江苏南京210002)

[基金项目][通信作者]

军队医学科技青年培育计划（15QNP023) 周幸，E-mail:2/30876466@qq.com

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3D打印技术即快速成型技术，是当前全球最尖端 技术之一，该技术以数字模型数据为基础，同时综合机 电控制、数学建模、信息、化学、材料等多门前沿技术， 选择可粘合性原材料，采取逐层打印、叠加材料的方式 制作得到3D实体11模型;作为目前一种新型快速 制造技术，3D打印技术正越来越受到人们的关注[12]。 随着近年来合金类材料在3D打印技术的广泛应用， 3D打印技术在医院骨科的创伤诊疗中也得到较好发 展，现已成为骨科创伤诊疗研究的重要方向之一[3]。 3D打印技术在骨科诊疗中的应用主要表现在通过采 集患者MRI、CT等影像学临床资料，运用3D技术为患 者“私人定制”个性化的治疗方案、植入物、实体模型 及辅助性器械等，从而有效解决当前骨科创伤治疗中 的难题。3D打印技术对临床教学同样具有较强的指 导性，有助于骨科的临床带教及骨科临床执业医师的 培养，为医院骨科的发展创造了良好的前景[4]。本文 将对3D打印技术的原理、过程及其在临床应用的优 势等作一综述，同时分析其在临床骨科诊疗中的应用 进展及发展的局限性，以期为临床工作者提供一定的 理论参考。

1 3D打印技术的原理及过程

传统建模通常包括分割图像、几何重建、生成网格 及分配材料的属性4个方面。3D打印技术与传统建 模具有显著差异，其基本过程大致分为3步，首先对患 者病变部位进行MRI、CT等影像学检查，以便掌握患 者病变部位的情况及相关的各项数据，结合检测所得 影像学数据并借助CAD软件进行三维设计，得到需打 印物体的3D模型;第二步主要进行切片的处理，将需 打印的物体逐层分割并进行数据编程;第三步即为完 成所需物体的打印，将数据编程结果输入3D打印机 内进行逐层打印，通过叠加材料的方式最终获得需打 印物体的1

1模型[5—6]。

2 3D打印的主流技术及应用材料

3D打印均为读取CAD文件中保存的三维数据， 通过逐层打印得到最终的1 1三维实物模型，选用的 材料较为丰富，如粉末、液体、丝竹等。在数字医学领 域中主要为以下几种技术:立体光固化成型技术，主要 通过紫外激光对光聚合物树脂表面进行聚焦扫描，按 照点、线、面的次序逐渐固化形成，该技术采用的光敏 感的树脂材料具有较为广泛的适应性；以数字光处理 技术为基础的光固化成型技术，打印时以数字光投影 仪做光源，基本材料为光敏感的树脂材料，采取由面到

体的方式进行层层固化，相对立体光固化成型技术打 印速度得到明显提高;选择性激光烧结技术的基本材 料主要包括陶瓷粉末、金属粉末及热塑性塑料等，通过 二氧化碳激光器将多种材料烧结在一起，制成三维立 体零件，该技术打印时无需支撑，常用于打造较为复 杂、精细的零件;熔融沉积成型技术的基本材料主要包 括共晶系统、可食用材料、热塑性塑料、金属等，通过加 热的方式由最底层开始进行实体模型构建，该技术所

用材料低廉，技术难度小，是目前最为普及的3D打印 技术之一;此外还有以钛合金作为基本材料的电子束 熔融成型技术、以热塑性材料为主要基本材料的选择 性热烧结技术、以生物细胞为主要基本材料的墨水打 印技术等[7—8]。

3 3D打印技术应用于骨科创伤诊疗中的优势3.1 3D打印技术的实体模型性

3D打印技术可通过采集患者MRI、CT等影像学 检查资料，将二维、平面、虚拟的诊断结果转化为三维、 立体、现实的模型，所得1

1模型有助于医师对患者病

情有更清楚的认识，对后期的疾病诊断、治疗方案的设 计、术前治疗操作流程的演示、术中辅助性操作及术后 的恢复均具有重要意义。同时实体模型及术前的操作 演示也有助于护士更好地掌握患者病情，做好相应的 准备，确保手术的顺利进行及意外情况的应急处置，同 时也对患者术后恢复提供精准的理论依据[]。3.2 3D打印技术有助于医患沟通

通常患者对MRI、CT等影像学检查数据并不了 解，单纯依靠医生对病情的解释也不能很好地对自身 疾病有清晰的认识，D医患间病情交流局限于二维图像 及语言表达，3打印技术能很好地解决这一问题，借 助其所得1

1模型能帮助患者更直观、清晰地了解自

身病情、手术方案及术后恢复的注意事项等问题，同时 也有助于医师更直观地向患者讲述治疗方案的选择及 术中可能出现的问题，如出血、并发症等，这在一定程 度上能提高患者对疾病治愈信心及对医疗服务的满意 度，对缓解医患纠纷也具有一定的帮助[1°—1]。3.3 手术方案的个性化选择

临床骨科治疗常采用规格、材料统一的器材，这基 本能满足普通患者对治疗的常规需求，但在解剖位置 复杂、累及较多重要组织的部位进行手术时，传统规格 统一的材料不能达到临床要求，个性化治疗方案十分 重要。对此类病情特殊患者的治疗，最难解决的问题 之一即为如何选择更合适的内置物材料，3D打印技术 则可完全根据患者的个体数据进行内置物的制作，较

局鮮手术学杂志 J REGANAT OPERSURG 2018,27(3)好地解决了这一问题，达到精准治疗的目的。依据目 前骨科发展趋势来看，骨科诊疗模式向着“精确化、个 性化定制”的方向发展已成为必然趋势，如人工关节 置换、骨盆修复等个性化内置物的应用必将更好地提 高骨科患者的治疗效果[12]。3.4

手术暴露性问题

现阶段骨科手术过程中内固定物植入时仍需在

X射线指导下进行，不仅延长了手术时间，过多剂量的

X射线也会对机体造成一定的损伤，但将3D打印技

术应用于内固定治疗时可有效避免上述问题的发生， 依赖于其个体化的治疗模式，患者内固定模型可与自 身骨髂完美契合，X能有效缩短手术时间，避免医患受到 射线暴露的危害。此外，3D打印技术在复杂性的粉 碎性骨折患者治疗中优势更加明显，不仅能做到骨折 部位复位的精准性，还可提高置钉的精确性，避免置钉 时穿孔及方向偏移等问题的发生，有效缩短手术时间， 提高患者治疗效果[1314]。3.5

改进教学方式，提高培养水平

3D打印技术也可用于医院骨科的临床带教工作 中，由于当前三维重建CT、X射线等操作在复杂性关 节面、骨盆等部位骨折的诊疗中仍具有较大的局限性， 对资历较低的医师或本科医学生来说理解起来相对困 难。而应用3D打印技术制作的模型进行试教则可取 得较好效果，有助于提高学生及资历较低医师对骨折 问题的理解。同时增加术前演示的次数还能显著提高 手术成功率，提高医师操作熟练度及对突发事件的处 理能力，缩短手术时间[151]。4 3D打印技术在骨科的应用及发展

随着近年来材料学、软件学等领域的快速发展， 3D打印技术在骨科诊疗中的应用越来越广泛，在脊柱 畸形的矫正、椎弓根螺钉的辅助植入、脊柱骨折的脱位 修复、复杂性的四肢骨折、膝关节置换术及骨科肿瘤等 问题的治疗中均起到重要作用。4.1 手术方案规划及手术操作模拟

面对临床较为复杂的关节骨折或脊柱骨折时，仅 凭术者的经验进行复位、固定治疗并不能取得理想的 效果，且易出现固定螺钉误入等问题。3D打印技术用 于术前规划不仅能明确患者骨折程度及具体部位，提 供更加逼真的模拟环境，术者还可通过尝试不同的手 术方案，选择最佳的一种，以提高治疗效果，减少手术 过程中的失误操作。通过制作的1

1模型还可在术前

确定内置物的规格，进一步缩短手术时间[17]。

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4.2

建立导向模板

利用3D打印技术对内固定术中螺钉打入的位置 和方向进行精准定位，避免螺钉误入脊髓或关节腔等 部位，使得手术周围部位的关节的安全性大大提高。

对方向感及空间立体感较差的医者来说，3D打印技术 可有效缩短医者的学习曲线，也可减少患者伤口的暴 露时间，降低辐射危害。3D打印技术代替计算机的辅 助导航技术可降低手术过程中仪器的使用，减少手术 操作[18]。此外，3D打印技术制作的手术导板也为骨 科骨髂精准修复手术提供了必要的帮助，在骨髂修复 术中应用能保证手术的精确性，缩短手术时间。通常 骨髂修复手术所用导板要求较高，需根据患者手术部 位的解剖结构设计好曲面，保证该曲面与手术暴露骨 面的完全贴合，手术导板的设计也成为手术的核心环 节，决定手术治疗的最终效果[1]。4.3 个性化的内置物

通常骨科复杂性骨折会伴有局部骨质的缺失或出 现粉碎性骨折，临床需对缺损部位植入假体保证骨的 完整性，传统植入物常采用工厂设计的规格统一的通 用性假体，医者手术时选择匹配程度最高的一种假体 进行植入，但仍易出现植入假体与患者缺损部位形状 不符等问题，导致手术效果不理想，对患者后面的生活 也造成一定影响。针对此类复杂性骨折的治疗最佳方 案是根据患者骨质的缺损程度及骨折分型进行个性化 的内置物的设计，临床结合术前患者影像学检测数据 并应用3D打印技术可制作出与患者更佳匹配的内置 物，不仅使植入假体与患者缺损部位外形契合，提高固 定的稳定性，还有助于患者骨髂的自我修复[121]。4.4诱导骨的生长

3D打印技术制作的内置物不仅可以修复骨质缺 损，同时还具有较强的生物学活性，钛合金等材料制作 的支架空隙形状、大小等更符合人体细胞正常的增殖 分化及迁移等活动的结构要求，对诱导骨的生长具有 较大帮助[2]。Barni等[23]通过3D打印技术将骨髓的 基质细胞及软骨细胞等植入个性化设计的支架中，再 植入人体患处，分别对软骨和骨的再生起到重要作用。5 3D打印技术的应用制约与前景展望

医疗注册许可是3D打印技术在临床应用的限制 因素之一，根据我国卫生部门对医疗行业治疗器械的 管理规定，3D打印技术需获得医疗注册资格才能被大 量应用于包括骨科在内的多方向临床治疗。此外由于 3D打印技术融合了包括机电控制、数学建模、信息、化 学、材料在内的多门前沿技术，3D打印技术的发展也

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依赖于多门前沿技术的进步。近年来可供3D打印的 材料逐渐增多，既包括壳聚糖、胶原等医用材料，也包 括聚乙醇酸、聚乳酸等人工合成的高分子材料。但能 用于要求较高的医学领域的材料相对较少，常用材料 主要为不锈钢、钛合金等，新材料研发仍是制约3D打 印技术在医学领域广泛应用的瓶颈之一。此外配套软 件的开发也是提高3D打印技术在临床应用的重要因 素之一，实现影像学检测数据与软件的无缝对接，确保 模型的精准性。

3D打印技术有望在骨移植物、手术器械、人工假 体置换等方面取得突破性进展，成为代替内置物的首 要选择。随着近年来材料技术和软件技术的飞速发 展，3D打印技术的成本也在不断降低，该技术的认可 度明显上升，可以预见3D打印技术将更好地应用于 因肿瘤、创伤、先天畸形等引起的组织损伤治疗中。[参考文献][1] 裴国献.着力打造3D打印在骨科应用的技术平台issn[J].中华创伤骨

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