3D 打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)在數(shù)字骨科醫(yī)學(xué)發(fā)展中的應(yīng)用配合

3D 打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)在數(shù)字骨科醫(yī)學(xué)發(fā)展中的應(yīng)用配合

邱雪，吳荷玉

關(guān)鍵詞:3D打??；數(shù)字化技術(shù)；數(shù)字骨科；應(yīng)用配合

中圖分類號：R473.73

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：碼：C

doi:10.3969/j.issn.1009-6493.2015.30.054

文章編號：號：100-6493(2015)10C-3839-02

作者簡介邱雪,主管護(hù)師,?？?單位: 430022，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院;吳荷玉(

通訊作者)單位: 430022，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院。

3D打印技術(shù)目前在社會(huì)各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，被譽(yù)為是“第三次工業(yè)革命的標(biāo)志”[1]，將成為改變未來世界新的創(chuàng)造性科技，即將使人類進(jìn)入“點(diǎn)擊制造”時(shí)代。數(shù)字醫(yī)學(xué)之父鐘世鎮(zhèn)院士奠定了中國數(shù)字醫(yī)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，在他的倡導(dǎo)下我國于2001年和2003年召開了兩次香山科學(xué)會(huì)議。在2001年舉行的第174次香山科學(xué)會(huì)議上，首次研討了“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”；2003年召開的第208次香山科學(xué)會(huì)議上，研討了“中國數(shù)字化虛擬人體研究的發(fā)展與應(yīng)用”。之后，從無到有、從模仿到創(chuàng)新、從繼承到研究、從理論探討到開發(fā)應(yīng)用，數(shù)字醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究在我國得到迅速發(fā)展并取得了令人矚目的成績。 在此背景下，鐘世鎮(zhèn)院士基于數(shù)字醫(yī)學(xué)提出了數(shù)字骨科的理念，為3D打印技術(shù)在數(shù)字骨科的應(yīng)用及發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。隨著制造技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)、生物技術(shù)等前沿技術(shù)的迅猛發(fā)展以及多學(xué)科的密切合作，3D打印技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今最熱門的新技術(shù)之一[2]。3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展也為骨科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了難得的發(fā)展契機(jī)，尤其是對數(shù)字骨科領(lǐng)域的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。數(shù)字骨科結(jié)合數(shù)字技術(shù)使傳統(tǒng)骨科步入數(shù)字化時(shí)代, 為數(shù)字骨科的發(fā)展注入新的活力，引領(lǐng)一場新的數(shù)字骨科醫(yī)學(xué)革命。3D打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)是數(shù)字骨科個(gè)性化治療發(fā)展的一個(gè)重要方向,它的出現(xiàn)有效解決了個(gè)性治療的難題[3],它是利用三維重建、逆向工程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)等技術(shù)提取病人的影像數(shù)據(jù)并通過3D打印制作出個(gè)性化的實(shí)體模型、植入物及輔助器械,有效地提高療效。我院2014年1月—2015年2月對8例骨科的病人應(yīng)用3D打印技術(shù)實(shí)行個(gè)性化手術(shù)治療,效果較好?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1資料與方法

1.1一般資料8例病人中,男5例,女3例；年齡19歲～60歲,平均41歲；頸椎骨折2例,脛腓骨折2例,肩關(guān)節(jié)懸吊復(fù)位骨折1例,骨盆髖臼骨折1例，骨盆腫瘤2例。所有病人手術(shù)過程順利，愈合效果好。

1.2方法傳統(tǒng)的骨科手術(shù)通常采用二維圖像資料進(jìn)行手術(shù)方案的術(shù)前設(shè)計(jì)，然后根據(jù)醫(yī)生在大腦中形成的三維印象進(jìn)行手術(shù)，經(jīng)驗(yàn)與手術(shù)熟練程度決定了手術(shù)的成敗。數(shù)字化技術(shù)可以對具體病例進(jìn)行優(yōu)化以及個(gè)性化的手術(shù)方案設(shè)計(jì)，使手術(shù)更加精確及個(gè)性化。術(shù)前利用3D打印技術(shù)可以制作出1∶1的病人組織器官的3D實(shí)體模型，在3D模型上醫(yī)生可以根據(jù)術(shù)前優(yōu)化的手術(shù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬手術(shù)以及更為細(xì)致的手術(shù)規(guī)劃并按照規(guī)劃對病人實(shí)施手術(shù)治療。

2結(jié)果

所有病人手術(shù)過程順利,手術(shù)時(shí)間1 h～3 h,平均2.25 h,無一例病人出現(xiàn)與手術(shù)相關(guān)的嚴(yán)重并發(fā)癥,愈合效果好。

3配合要點(diǎn)

隨著3D打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,未來的數(shù)字骨科模式將是“個(gè)性化、精確化、微創(chuàng)化”的發(fā)展模式,骨科醫(yī)療器械制造業(yè)將是“定制化”的發(fā)展趨勢。

3.1學(xué)習(xí)相關(guān)知識3D打印技術(shù)是利用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成型材料不同，成型原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有差異，但基本原理一樣，那就是“分層制造，逐層疊加”，猶如一臺(tái)“立體打印機(jī)”，因此得名[4]。3D打印原理是集成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、高分子材料、三維 CT 技術(shù)等領(lǐng)域?yàn)橐惑w的全新快速成型技術(shù),區(qū)別于傳統(tǒng)的等材制造和去材制造技術(shù),又稱增材制造,它與普通的打印原理基本相同,在快速成型裝置(打印機(jī))內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”一層層疊加起來,最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物,“分層制造,逐層疊加”是其核心原理[5]。

醫(yī)學(xué)治療的個(gè)性化是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展方向之一。個(gè)體化治療是骨科能進(jìn)一步改進(jìn)內(nèi)植物與受區(qū)的匹配度,骨骼肌肉系統(tǒng)的個(gè)體特征,滿足不同性別、種族、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣和職業(yè)的個(gè)體需要,從而實(shí)現(xiàn)治療決策與治療技術(shù)的優(yōu)化。提取病人的影像數(shù)據(jù),利用三維重建、逆向工程等技術(shù)“量體裁衣、度身定做”,并通過3D打印制作出個(gè)性化的實(shí)體模型、植入物及輔助器械,有效地提高療效。個(gè)性化醫(yī)療植入物在個(gè)體化人工關(guān)節(jié)置換、個(gè)體化接骨鈑、個(gè)體化骨盆修復(fù)等臨床手術(shù)中,打印技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[6，7]。因此，定制化、個(gè)性化的假體與內(nèi)植物更能符合個(gè)性化醫(yī)療的要求。金屬3D打印技術(shù)的出現(xiàn)給外科植入物的發(fā)展提供了有力的保障，可以將個(gè)性化、定制化的假體三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為醫(yī)用不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金制成的植入物，不再需要中間繁復(fù)的工藝過程和裝備，不僅效率高，而且可以規(guī)避傳統(tǒng)制造工藝的限制，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。3D打印技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)中的三維模型、工具或假體等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)字文件生產(chǎn)為實(shí)物,為臨床醫(yī)師使用[8],醫(yī)生可以拿在手上作任意角度觀察的實(shí)體模型,有助于臨床醫(yī)師對復(fù)雜的三維解剖結(jié)構(gòu)做出最真實(shí)、準(zhǔn)確的評估。借助準(zhǔn)確的個(gè)體模型,合理的術(shù)前規(guī)劃成為可能,個(gè)體的導(dǎo)板工具成為現(xiàn)實(shí),個(gè)體化的植入物可避免長時(shí)間等待,制作成本也相應(yīng)下降。通過計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)針點(diǎn)及角度,私人定制特殊進(jìn)針角度的個(gè)性化骨科手術(shù)導(dǎo)向模板、導(dǎo)向器。目前的內(nèi)固定器械常有配套的通用瞄準(zhǔn)器械或模板系統(tǒng),以輔助內(nèi)固定物置入,但在術(shù)中仍需 X 線影像的確證。而計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)采用紅外線或電磁技術(shù),可實(shí)現(xiàn)手術(shù)中螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入[9],但設(shè)備昂貴、操作繁瑣及學(xué)習(xí)曲線長等不足限制了其在臨床的推廣應(yīng)用。而基于逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)的個(gè)體化內(nèi)固定模板則能夠與特定病例實(shí)體骨骼完全匹配,具有安全、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),并可有效減少醫(yī)護(hù)人員及病人術(shù)中放射性暴露[10，11]。模型板不僅用于數(shù)字骨科手術(shù), 而且可以在模型上預(yù)先進(jìn)行手術(shù)模型,進(jìn)行預(yù)制手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì),術(shù)中參考和使用,選擇最佳重建方案,提供了大量的臨床參考數(shù)據(jù),這項(xiàng)技術(shù)已臨床應(yīng)用例,近期效果良好,遠(yuǎn)期效果需臨床進(jìn)一步隨訪。

3.2參與術(shù)前手術(shù)計(jì)劃制訂通過3D 打印可清晰直觀地顯示病人的骨科創(chuàng)傷狀況,如復(fù)雜骨折與畸形。 3D打印所獲得的數(shù)字化實(shí)體模型,提供了比醫(yī)學(xué)影像資料更加詳細(xì)的解剖學(xué)信息,實(shí)現(xiàn)了由二維到三維、平面到立體、虛擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變。醫(yī)生可直接在此模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)及模擬,以確保手術(shù)的成功,為臨床疾病的診斷及治療提供了精確化、個(gè)性化的新型思路和方法[6-12]。手術(shù)室護(hù)理人員積極參與這一環(huán)節(jié),可以提前清晰地了解病人病情,知曉手術(shù)醫(yī)生的手術(shù)方式、 手術(shù)過程、手術(shù)要點(diǎn)和術(shù)中注意事項(xiàng),提前做好術(shù)前準(zhǔn)備工作。

3.3配合醫(yī)師進(jìn)行手術(shù)模擬演練通過模擬手術(shù)可預(yù)知在術(shù)中可能遇到的問題,事先采取預(yù)防措施,比較各種方案的優(yōu)劣程度,找出最佳手術(shù)方案。而且術(shù)前還可在計(jì)算機(jī)上反復(fù)預(yù)演、交流,提高對手術(shù)方案的熟悉程度。護(hù)士全程參與手術(shù)模擬演練,認(rèn)真仔細(xì)配合手術(shù)醫(yī)生做好模擬手術(shù),提前熟悉手術(shù)步驟,掌握定制器械的使用方法,牢記術(shù)中所需使用的鋼板、螺釘規(guī)格與位置、螺釘進(jìn)入途徑及角度等,做到與手術(shù)醫(yī)生同步,準(zhǔn)確、熟練、快速地配合手術(shù)醫(yī)生操作,能夠在實(shí)際手術(shù)過程中,縮短手術(shù)時(shí)間，節(jié)約麻醉藥用量，減少術(shù)中出血，快速完成手術(shù)。

3.4術(shù)前訪視術(shù)前可在計(jì)算機(jī)上給病人及其家屬預(yù)演手術(shù)過程并結(jié)合使用1∶1仿真模型進(jìn)行模擬展示,詳細(xì)講解病變的復(fù)雜性及手術(shù)操作的危險(xiǎn)性，術(shù)前注意事項(xiàng)等內(nèi)容,減輕病人心理負(fù)擔(dān),減少恐懼感,提高病人自信心, 增加病人自我參與意識,更好地理解及配合護(hù)理工作。

3.5術(shù)前準(zhǔn)備手術(shù)應(yīng)安排在百級層流手術(shù)間,手術(shù)間應(yīng)有防輻射鉛墻、防輻射鉛衣、鉛帽、C臂機(jī),手術(shù)間門上貼有明顯警示標(biāo)牌。由參與術(shù)前制定手術(shù)計(jì)劃的?？谱o(hù)士擔(dān)任巡回工作,器械護(hù)士由提前配合模擬手術(shù)演練的護(hù)士擔(dān)任。提前1 d由負(fù)責(zé)手術(shù)的?？蒲不刈o(hù)士備好術(shù)中所需特殊器械,如定制器械、鋼板、螺釘?shù)?器械外包裝上注明手術(shù)房間,手術(shù)醫(yī)生名字,以避免發(fā)生錯(cuò)誤。手術(shù)當(dāng)日提前打開特殊器械包,檢查滅菌效果,滅菌有效方可麻醉病人,避免病人在麻醉下等待特殊器械。

4小結(jié)

4.1優(yōu)勢3D打印因其無需模具、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)勢成為“第三次工業(yè)革命”的重大標(biāo)志之一，其獨(dú)特的個(gè)性化制造能力滿足了醫(yī)療領(lǐng)域眾多病人差異化的需求，3D打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)有望在人工假體、人工組織器官的制造方面發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。仿真實(shí)物模型術(shù)前給病人及其家屬進(jìn)行模擬展示,使病人更加直觀了解病情,便于醫(yī)生解釋手術(shù)方案,減輕病人心理負(fù)擔(dān),提高病人自信心,有利于建立和諧的醫(yī)患關(guān)系。同時(shí),可節(jié)約手術(shù)時(shí)間,減少術(shù)中出血,使病人康復(fù)周期明顯縮短,減少并發(fā)癥的發(fā)生,使病人早日重返日常生活工作中。

4.2劣勢①打印速度慢,成本昂貴。②配套軟件集成度及功能尚不能適應(yīng)3D打印的技術(shù)發(fā)展。③3D打印材料的材質(zhì)特性與單一性還需改進(jìn)，例如利用金屬粉末打印假體的生物力學(xué)性能目前并不能達(dá)到傳統(tǒng)工藝制造的假體性能，生物打印的材料只能利用單一的活性細(xì)胞打印組織器官，并不能實(shí)現(xiàn)人體組織器官功能的復(fù)雜多樣性。④目前還不能完全指導(dǎo)手術(shù)過程(骨盆髖臼骨折中肌肉的阻擋及神經(jīng)血管分布等)。

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(修稿日期：2015-02-05；修回日期：2015-09-18)

(本文編輯崔曉芳)