3D打印技术在骨科与康复辅具中的应用

国际金属加工网 2018年04月19日

随着医学成像技术和图像处理软件的提高,3D打印技术近年来逐渐应用于临床,推动了相关的基础与临床科学研究。在骨科与康复辅具领域中,3D打印的基本操作过程主要是先获取病人患处的CT、MRI图像,以DICOM文件格式导入建模软件(如Mimics、Simpleware等),再经过逆向工程设计软件(如Geomagic等)、计算机辅助软件(CAD)等进行处理后获得3D模型,最后将模型文件输入3D打印机后进行制作。

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当前各种不同类型的3D打印技术基本原理一致,但根据成型方式与打印原料的不同可分为以下几类:

①选择性激光烧结(SLS):使用激光选择性融结热塑性颗粒材料、金属粉末、陶瓷粉末等;

②光固化成型(SLA):使用紫外激光逐层扫描光敏聚合物,使其由液态堆积成型为固态;

③熔融沉积成型(FDM):加热后挤压ABS、PLA等热塑型材料进行逐层推积;

④分层实体制造(LOM):在薄片材料表面涂上热熔胶后逐层切割粘贴成型;

⑤激光选区熔化(SLM):使用激光束熔融金属粉末后凝固成型;

电子束选区熔化(EBM):使用电子束熔融金属粉末后凝固成型;

⑦生物打印:主要以生物细胞为生物墨水,将其喷涂在生物支架后进行诱导培养。

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在骨科和康复应用领域中,SLA适用于精度较高的复杂模型制造,但造价高,且可用打印材料较为局限;FDM是目前最常见的3D打印技术,适用于制造精度要求不高的模型,成本较低;SLM与EBM适用于精度高的复杂小型金属内植物打印,在骨科内植物与临床的主要应用为促进骨组织再生,使得生物3D打印成为近年来的研究热点。

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术前规划与模拟涉及到复杂手术截骨、修复重建、骨穿刺的骨科手术中,医生往往面临确定截骨面以便于重建、修复,寻找穿刺入口,避免损伤周围神经、血管以及精准穿刺肿瘤,确定截骨量和截骨部位等问题。通过计算机辅助设计软件与3D打印技术,医生可以获得病人患处精准的立体模型,比起传统的X光片、CT片、MRI图像更能辅助其了解病人立体解剖结构、准确诊断病情,确定手术方案,并利用模型进行术前操作模拟,也可用于向病人及其家属解释病情与手术方案,有利于医患沟通,减轻病人心理负担。

术前规划与模拟可以降低手术的风险与难度、预测手术效果、缩短手术时间及减少并发症,最大程度地减少手术造成的损伤,降低了医生对经验的依赖,实现个性化、精准治疗。

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手术导板由于人体解剖结构的复杂性,在传统的截骨、假体和螺钉置入手术中,医生需要有多年临床经验,术中需反复进行透视以决定假体螺钉置入通道,容易造成手术时间过长和误操作等问题,同时大量X线照射对于病人与医生均会产生伤害。王金武教授、戴尅戎院士团队结合数字化设计和3D打印技术制作个性化肩关节经皮导板如图,克服了传统肩关节穿刺过程中易出现的反复多次穿刺、无法穿刺到病变甚至引起肿瘤病变播散等弊端,基本实现了肩关节病变手术诊断与手术中的精准定位与穿刺。

对患者行颈椎椎弓根螺钉内固定术前利用其CT数据三维建模,设计并模拟螺钉的最佳进钉通道,设计并3D打印定位导向孔的导向模板辅助手术,通过对术后效果的评估,肯定了数字导向模板在椎弓根螺钉固定的实用性和安全性。


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