3D打印技术在骨科的临床研究进展
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3D打印在骨科疾病诊疗中的应用进展
局鮮手术学杂志J REGANATOPERSURG 2018,27(3)http://www. jjssxzz. cn225 doi:10.11659//ssx.01E018047•综述•3D打印在骨科疾病诊疗中的应用进展赵少飞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) Application progress of3D printing in diagnosis and treatment of ortliopedic diseasesZHAO Shao-fei1,GUO Gen-w r ei2,ZHOU Xing2(1.the66337 Troops of PLA,Jiexiu Shanxi032000,China；.Department of O rthopedics,Nanjing General Hospital of PLA,Nanjing Jiangsu210002, 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[基金项目]军队医学科技青年培育计划（15QNP023)[通信作者]周幸，E-mail:2/30876466@[1/任华建，李冠炜，王革非，等.降钙素原预测肠瘘确定性手术后手术部位感染价值研究[J].中国实用外科杂志，2014,34(12) :154-156.[20]杨国虎，蒋丽媛，高正君.降钙素原与C-反应蛋白对骨折病人术后感染的诊断价值分析[J].中华医院感染学杂志，2014,24(16): 4150 -4154.doi：10.11816/cn.ni.2014 - 134815.[21]van D iem en M P,Colen S,Dalem ans AA,et al.T w o-stage revision of a ninfected total hip arth roplasty/follow-up of136patients[J].H ip Int，2013,23(5) ：445-450.doi：10.5301/hipixt.500004/.[22]段晓丹•滥用抗生素的危害及科学使用抗生素[J]•当代医学，2012,18(24) // -20. doi：10.396//j.issn.100/-43/3. 2012.24.010.[23] 张岩，廖秦平.妇科手术术前感染因素评估及围手术期预防性抗生素应用规范[J].中国实用妇科与产科杂志，2014,30(11):840-843.d〇i：10.7504/fk2014100103.[24] 刘国辉，王卫红，李婷，等.甲状腺术后抗生素应用不合理情况调查[]•中国卫生产业，2016(24):40 -42•doi:10•16659//cnki•1672-5654.2016.24.00.[5]杨静波.普外科中手术切口感染的原因分析及相关处理[J].中外医疗杂志，2011,30 (6):28.d〇i:10.16662// cki.1674 - 0742.2011.06.070.[6]石巨铁.普外科手术切口感染原因分析[J].世界最新医学信息文摘，2017，17(1/):158 - 15/.doi:10.396/// issn. 1671 -3141.2017.1.136.[7]赵状平.妇产科围手术期预防性应用抗生素的现状及循证评价[J].临床合理用药杂志，2011，4(5):97 - 98•doi:10•3969//isn.1674- 3296.2011.05.0/1.[28]F ang F,Zhiu S,Shi G,et al.U pdate and evidence-based evaluation ofprophylactic antibio-tics for obsteteic an d gne cologic opetation inC hengdu[J].J Paractic O bstetri G ynecol,2004 ,20(1)：17. [/]朱福.抗生素在临床应用中的注意事项[J].现代诊断与治疗，2014,25(1) ：0-71.[0]陈勇川，彭永富，张成，等.回顾性分析本院抗菌药使用与G-菌耐药率变化的相关性中国临床药理学杂，2011，27(4):272 -275.doi：10.1369//ki.1001-6821.2011.04.020.[1]王艳琴.择期剖宫产预防手术部位感染抗生素的选择[J].中国医刊，2008 ,3(10):64-65. doi:10.396/// issn.1008- 1070.2008.10.025.[2]甄国庆，张沛永.200例I类手术切口预防应用抗菌药物的分析[]•中国卫生标准管理，2416,24(7) ：74-75.〇i:10.969//issn.1674- 9316.2016.2. 041.[3]杨庆连.围术期预防应用抗菌药物的分析[J].中国当代医药，2017,2(6) ：29-31.[4]冯晶晶，王小万，靖瑞锋.控制抗生素滥用的国际经验及启示[J].中国抗生素杂志，2014，39(1) :14- 18.doi:10.3969// issn.1001 -8689.2014.01.003.[5]夏培元，肖光夏.细菌对抗生素的耐药性----个必须面对的严重问题[]•中华烧伤杂志，201，17(2) :71 -74. doi:10.3760/ cm a.j.issn.1009- 2587.2001.02.002.(编辑:左艳芳）226局鮮手术学杂志JREGANATOPERSURG 2018,27(3)http: //"www. jjssxzz. cn3D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]。
3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的临床应用研究
3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的临床应用研究1. 引言1.1 背景介绍随着人口老龄化和交通事故频发，骨折成为常见的临床问题，其中复杂胫骨平台骨折更是一种常见但难治的骨折类型。
传统手术治疗存在手术操作繁琐、术后恢复缓慢、术后后遗症等问题，给患者带来了极大的痛苦和不便。
在这种背景下，3D打印技术应运而生，为复杂胫骨平台骨折手术带来了全新的可能。
通过将患者的骨骼数据进行扫描、重建，再利用3D打印技术制备个性化的手术导板，可以更精准地进行手术操作，避免了传统手术中的误差和不确定性，提高了手术的成功率和患者的术后恢复效果。
本研究旨在探讨3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的临床应用，评估其在提高手术精准度、减少手术时间、改善术后疗效等方面的效果，为临床医生提供更有效的治疗方案，为患者带来更好的治疗体验。
1.2 研究目的研究目的是通过探讨3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的临床应用，系统总结和分析目前该领域的研究进展，评估3D打印技术在个性化手术导板制备、手术方案设计及术后疗效评价等方面的应用效果，为临床医生提供更准确、更个性化的手术方案，进一步提高手术成功率和患者术后生活质量。
通过本研究，旨在揭示3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的潜在优势和局限性，为临床决策提供科学依据，推动该技术在骨科领域的广泛应用与推广，为患者提供更优质的医疗服务。
1.3 研究意义复杂胫骨平台骨折是一种常见的严重骨折类型，一旦出现，会给患者的生活造成严重的影响，甚至可能导致残疾。
目前，传统手术治疗复杂胫骨平台骨折存在着许多问题，如手术难度大、操作精细度要求高、术后康复时间长等。
寻找一种新的技术来提高手术治疗效果，减少手术风险，缩短术后康复时间迫在眉睫。
本研究旨在探讨3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的临床应用，旨在为临床医生提供更多治疗手段和技术支持，为患者提供更加安全、有效的治疗方案，具有重要的现实意义和推广价值。
2. 正文2.1 3D打印技术在骨折手术中的应用现状目前，3D打印技术在骨折手术中的应用逐渐得到广泛关注和应用。
骨科3D打印技术的应用研究进展
端恶性肿瘤 ， 需切除内、 外侧髁及股骨下端大部分骨 质， 为保 持下 肢骨 继续 生 长 ， 需 保 留胫 骨 近端 ， 然后
进 行半 膝关 节 置 换 。黄 晨 等 提 出将 双 运 动 轨 迹 半 膝关 节假 体应用 于儿 童 股 骨 下端 肿 瘤 手术 ， 而 通
过３ Ｄ技术 就 可 以打印 出这种假 体 。
关键词 ： ３ Ｄ打 印； 个性 化假 体 ； 骨移植替代物 ； 手术导航模板
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ － ２ ６ ６ Ｘ ． ２ ０ １ ５ ． ３ ９ ． ０ ３ ９
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ３ ３ ４ ． ８ ； Ｒ ６ ８
文献标志码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ２ － ２ ６ ６ Ｘ（ ２ ０ １ ５ ） ３ ９ － ０ ０ ９ ８ － ０ ３
３ Ｄ打印技术是一种快速制造技术 ， 其主要原理
是“ 分 层制 造 ， 逐 层叠 加 ” ， 即先通 过 ３ Ｄ打 印机分 层 制造 ， 形成 二维 结构 的物 质平 面 ， 再 根据需 要精 确堆 积材 料 、 逐层叠 加 ， 最 终形 成产 品的三维结 构… 。 随着 ３ Ｄ打 印理念 的发展 ， 各 种 制 造技 术 逐 渐形 成 ，
全髋 关节 置换 手术 ， 疗 效较 理 想 。对 于 儿 童股 骨远
先是 １ ９ ８ ６ 年， Ｃ ｈ ｕ ｃ ｋ Ｈ ｕ ｌ ｌ 发明了光固化立体印刷技
术（ Ｓ Ｌ Ａ） ， 并 产 生第 一 台 ３ Ｄ打 印机 ； １ ９ ８ ９年 Ｄ ｅ ｃ ｋ —
ａ ｒ ｄ发 明选 择 性 激 光 烧 结 技 术 （ Ｓ Ｌ Ｓ ） ； 然后 是 １ ９ ９ ２ 年Ｃ ｒ ｕ ｍ ｐ发 明熔 融 沉 积 成 型 技 术 （ Ｆ Ｄ Ｍ） ； １ ９ ９ ３年
3D打印技术在骨科手术中的应用
3D打印技术在骨科手术中的应用一、引言随着科技的不断发展和现代医学的进步，3D打印技术逐渐进入了各个领域。
其中，在骨科手术中的应用正日益受到医疗界的关注和重视。
本文将就3D打印技术在骨科手术中的应用进行探讨和讲解。
二、3D打印技术概述1. 3D打印技术的定义和原理3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种将数字设计模型直接打印实体物体的技术。
其原理主要基于堆积原型制造（Rapid Prototyping, RP）和计算机辅助设计（CAD）技术。
2. 3D打印技术的分类根据打印材料的不同，3D打印技术可分为光固化型、熔融沉积型、粉末烧结型等多种类型。
在骨科手术中，常用的是粉末烧结型的3D打印技术。
三、3D打印技术在骨科手术中的应用1. 骨模型的制作在骨科手术前，医生可以使用3D打印技术制作患者个性化的骨模型。
通过从CT或MRI扫描数据中提取相关信息，利用3D打印技术可以制作出精细的骨模型，帮助医生进行手术前的术前规划和仿真操作，提高手术效果和减少手术风险。
2. 针钢导板的定制针钢导板是骨科手术中常用的一种辅助工具，用于指导手术器械的位置和方向。
传统制作针钢导板需要医生根据患者的骨骼结构手工制作，费时费力。
而通过3D打印技术，可以根据患者骨骼结构的数字化数据，制作出符合患者个体差异的定制化针钢导板，提高手术的准确性和安全性。
3. 骨修复植入物的制作在骨科手术中，骨修复植入物的设计和制作一直是一个难题。
传统的植入物制作多使用标准化产品，不能完全满足患者个体化的需求。
而借助3D打印技术，可以根据患者的骨骼结构和损伤程度制作出个性化的骨修复植入物，提高植入物的适配性和生物相容性。
四、3D打印技术在骨科手术中的优势1. 个性化治疗3D打印技术可以根据患者个体差异制作出个性化的骨模型、针钢导板和骨修复植入物，实现精准治疗。
2. 手术准确性借助3D打印技术，医生可以提前进行术前规划和仿真操作，减少手术中的操作风险，提高手术的准确性。
骨科医疗中的3D打印技术研究
骨科医疗中的3D打印技术研究随着科技的不断发展，3D打印技术已经逐渐应用于医疗领域，特别是在骨科医疗方面，3D打印技术的出现，为医生提供了更为精确和安全的手术方案，为患者提供了更为可靠和有效的治疗方案。
一、3D打印技术在骨科医疗中的应用骨科医疗是3D打印技术的主要应用领域之一，主要包括以下几个方面：1. 模型制作：3D打印技术可以将患者的骨骼CT影像数据转化成三维模型，为医生提供精确的解剖信息，以便于手术的规划和操作。
2. 手术导航：基于3D打印的模型，医生可以进行虚拟手术操作和模拟手术方案，为手术提供更为精确和安全的指导。
3. 假体制作：通过3D打印技术，可以制作出符合患者骨骼结构的假体，提高假体的贴合度和稳固性，减少手术风险。
4. 矫形器制作：根据患者骨骼CT影像数据，通过3D打印技术制作矫形器，可以提高矫形器的精度和适配性，使治疗更加有效。
二、3D打印技术在骨科医疗中的优势1. 提高手术精度：通过3D打印技术，医生可以根据患者的骨骼CT影像数据制作出精确的模型，为手术提供精确的规划和操作指导，减少错误操作和手术风险。
2. 提高治疗效果：通过3D打印技术制作出符合患者骨骼结构的假体和矫形器，可以提高假体的贴合度和稳固性，减少假体松动等不适应现象的发生，同时，又可以有效治疗骨折和关节疾病等病症。
3. 缩短手术时间：通过3D打印技术，医生可以进行虚拟手术操作和模拟手术方案，提高手术的精度，减少手术时间和手术风险。
4. 提高患者体验：通过3D打印技术，制作出符合患者骨骼结构的假体和矫形器，可以提高患者的治疗效果和舒适感，减少患者的痛苦和不适感。
三、3D打印技术在骨科医疗中的发展趋势1. 应用扩大化：随着3D打印技术的不断发展和成熟，其在骨科医疗领域的应用将会逐渐扩大化，不仅仅局限于骨折和关节疾病等治疗方案，也将会扩展到骨肿瘤等更为复杂和多样化的疾病治疗领域。
2. 精准化：随着科技的不断进步和3D打印技术的不断发展，其在骨科医疗领域的应用也将逐步实现“个性化治疗”，即根据患者的身体特点和病情进行个性化的治疗方案制定和操作，提高治疗和手术的精准度和有效性。
国内外3D打印在骨科的发展状况
３Ｄ 打 印 机 （３Ｄ Ｐｒｉｎｔｅｒｓ）又 称 三 维 打 印 机 简 称 （３ＤＰ），比 如 打 印 一 个 飞 机 模 型 ，一 个 鸡 蛋 等 等 。 ３Ｄ 打 印 就 是 一 片 一 片 的 打 印 ，然 后 重 叠 加 到一 起 ，成 为 一 个 立 体 物 体 ；就 是 按 照 设 计 好 的 空 间 模 型 ，用 粉末 一 层 一层 堆 砌 直 到 形 成 固态 物 体 成 型 的 一 种 新 技 术 ，也 就 是 形 成 了一 个 三 维 物 体 Ｅ ］。 １．３ ３Ｄ 打 印 的 特 点
＊通 讯 作 者
的应 用 是 从 ２０１３年 开 始 ，目前 骨 科 应 用 比较 广 泛 ，尤 其 是 脊 柱 外 科 手 术 、四肢 骨 折 手 术 、骨 肿 瘤 切 除 术 、膝 关 节 置 换 术 、 个 性 化 手 术 导 向模 板 、个 性 化 内植 物 、制 作 个 体 化 骨 组 织 工 程 支 架 等 使 用 ３Ｄ 打 印技 术 ，经 验 丰 富 ，效 果 显 著 。 ２．１．１ ３Ｄ 打 印模 型 在 脊 柱 外 科 中 的 应 用 以前 依 据 患 者 创 伤 部 位 的 ｘ线 片 与 ＣＴ 影像 等二 维 图 像 作 为 手 术 依 据 ，医 生 完全 靠 三 维 空 间想 象 力 ，目前 利 用 ３Ｄ 打 印 出 １：１患 者 受 伤 骨骼 模 型 ，使 术 前 诊 断 更 加 精 确 ，避 免 误 诊 的 可 能 性 ，同 时 按 照 ３Ｄ 打 印 出 的 １：１骨 骼 模 型 进 行 术 前 计 划 ，并 开 展 模 型 手 术 ，更 难 能 可 贵 的 是 ，让 患者 直 观 地 看 到 仿 真 模 型 ，能 够 清 楚 了解 整 个 手术 的过 程 ，让 患 者 及 家 属 深 人 了 解 自身 病 情 和 治 疗 过 程 ，提 高 患 者 的 配 合 程 度 ，更 好 的 处 理 医 患 关 系 ）。 ３Ｄ打 印技 术 制 作 出 的脊 柱 模 型 可 清 晰 准 确 的显 示 畸 形 脊 柱 形 态 ，能 够 明 确 显 示 ｘ 线 片 、ＣＴ 片 及 Ｍ ＲＩ等 临 床 影 像 学 技 术 观 测 不 到 的病 灶 ，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 用 脊 柱 模 型 进 行 手 术 前 设 计 等 操 作 ］。椎 弓 根螺 钉 置 于脊 柱 ：椎 弓 根 螺 钉 置 于 脊 柱 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 。 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 满 意 的 效 果 ，设 计 导 航 杆 正 好 穿 破 椎 弓根 中心 ，３Ｄ 打 印 出腰 椎 标 木 模 型 和 导 航 模 板 ， 结 果 腰 椎 弓 螺 钉 进 行 方 向都 与 虚 拟 方 向 完 全 一 致 ，未 穿 破 弓 根 皮 质 Ｅ 。 ２．１．２ ３Ｄ 打 印 在 复 杂 四肢 骨 折 手 术 中 的 应 用 跟 骨 、骨盆 骨 折 ：四肢 骨 折 通 过 ３Ｄ 打 印 技 术 可 以直 观 反 应 其 三 维 立 体 结 构 ，分 析 出 临 床病 例 中 骨折 分 型 ，通 过 ３Ｄ 打 印对 较 少 见 的 跟 骨 骨 折 、骨盆 骨 折 等 进 行 术 前 设 计 模 型 ，能 够 辅 助 内 固定 钢 板 及 螺 钉 准 确 置 入 ，缩 短 手 术 时 间 ，帮 助 医 生 制 定 术 前 规 划 ，内 固定 选 择 等 有 重 要 意 义 。胫 骨 远 端 骨 折 ：３Ｄ模 型 能 够 帮 助 医 生 详 细 分 析 解 决 患 者 手 术 部 位 胫 骨 远 端 骨 折 的 骨 折 原 因 ，同时 还 可 以对 实 施 的手 术 进 行 术 前模 拟 操 作 和 多 次 练 习 ；特 别 是 对 粉 碎 性 骨 折 的 骨 折 碎 片 能 够 精 确 的 迅 速 归 位 。 最 终 达 到 了手 术 时 间短 ，患 者 流 血 量 少 ，手 术 简 易 便 捷 ；减 轻 患 者 痛 苦 ，术 后 恢 复 快 ，从 而还 减 少 了住 院 的 时 间 ，更 节 约 了 费 用 。ｐｉｌｏｎ骨折 模 型 ：３Ｄ 打 印 技 术 不 仅 可 以 显 示 胫 骨 前 内 侧 关 节 面 的 具 体 骨 折 情 况 ，而且 可 以 显 示 出 骨 折 块 的 数 量 、 骨 折 的 形 态 ，以 及 移 位 程 度 ，在 评 价 骨 折 的 骨 折 程 度 以 及 术 前 制 定 个 体 化 治 疗 方 案 方 面 ，该 模 型 较 ＣＴ 有 明 显 的 优
＊通 讯 作 者
的应 用 是 从 ２０１３年 开 始 ，目前 骨 科 应 用 比较 广 泛 ，尤 其 是 脊 柱 外 科 手 术 、四肢 骨 折 手 术 、骨 肿 瘤 切 除 术 、膝 关 节 置 换 术 、 个 性 化 手 术 导 向模 板 、个 性 化 内植 物 、制 作 个 体 化 骨 组 织 工 程 支 架 等 使 用 ３Ｄ 打 印技 术 ，经 验 丰 富 ，效 果 显 著 。 ２．１．１ ３Ｄ 打 印模 型 在 脊 柱 外 科 中 的 应 用 以前 依 据 患 者 创 伤 部 位 的 ｘ线 片 与 ＣＴ 影像 等二 维 图 像 作 为 手 术 依 据 ，医 生 完全 靠 三 维 空 间想 象 力 ，目前 利 用 ３Ｄ 打 印 出 １：１患 者 受 伤 骨骼 模 型 ，使 术 前 诊 断 更 加 精 确 ，避 免 误 诊 的 可 能 性 ，同 时 按 照 ３Ｄ 打 印 出 的 １：１骨 骼 模 型 进 行 术 前 计 划 ，并 开 展 模 型 手 术 ，更 难 能 可 贵 的 是 ，让 患者 直 观 地 看 到 仿 真 模 型 ，能 够 清 楚 了解 整 个 手术 的过 程 ，让 患 者 及 家 属 深 人 了 解 自身 病 情 和 治 疗 过 程 ，提 高 患 者 的 配 合 程 度 ，更 好 的 处 理 医 患 关 系 ）。 ３Ｄ打 印技 术 制 作 出 的脊 柱 模 型 可 清 晰 准 确 的显 示 畸 形 脊 柱 形 态 ，能 够 明 确 显 示 ｘ 线 片 、ＣＴ 片 及 Ｍ ＲＩ等 临 床 影 像 学 技 术 观 测 不 到 的病 灶 ，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 用 脊 柱 模 型 进 行 手 术 前 设 计 等 操 作 ］。椎 弓 根螺 钉 置 于脊 柱 ：椎 弓 根 螺 钉 置 于 脊 柱 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 。 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 满 意 的 效 果 ，设 计 导 航 杆 正 好 穿 破 椎 弓根 中心 ，３Ｄ 打 印 出腰 椎 标 木 模 型 和 导 航 模 板 ， 结 果 腰 椎 弓 螺 钉 进 行 方 向都 与 虚 拟 方 向 完 全 一 致 ，未 穿 破 弓 根 皮 质 Ｅ 。 ２．１．２ ３Ｄ 打 印 在 复 杂 四肢 骨 折 手 术 中 的 应 用 跟 骨 、骨盆 骨 折 ：四肢 骨 折 通 过 ３Ｄ 打 印 技 术 可 以直 观 反 应 其 三 维 立 体 结 构 ，分 析 出 临 床病 例 中 骨折 分 型 ，通 过 ３Ｄ 打 印对 较 少 见 的 跟 骨 骨 折 、骨盆 骨 折 等 进 行 术 前 设 计 模 型 ，能 够 辅 助 内 固定 钢 板 及 螺 钉 准 确 置 入 ，缩 短 手 术 时 间 ，帮 助 医 生 制 定 术 前 规 划 ，内 固定 选 择 等 有 重 要 意 义 。胫 骨 远 端 骨 折 ：３Ｄ模 型 能 够 帮 助 医 生 详 细 分 析 解 决 患 者 手 术 部 位 胫 骨 远 端 骨 折 的 骨 折 原 因 ，同时 还 可 以对 实 施 的手 术 进 行 术 前模 拟 操 作 和 多 次 练 习 ；特 别 是 对 粉 碎 性 骨 折 的 骨 折 碎 片 能 够 精 确 的 迅 速 归 位 。 最 终 达 到 了手 术 时 间短 ，患 者 流 血 量 少 ，手 术 简 易 便 捷 ；减 轻 患 者 痛 苦 ，术 后 恢 复 快 ，从 而还 减 少 了住 院 的 时 间 ，更 节 约 了 费 用 。ｐｉｌｏｎ骨折 模 型 ：３Ｄ 打 印 技 术 不 仅 可 以 显 示 胫 骨 前 内 侧 关 节 面 的 具 体 骨 折 情 况 ，而且 可 以 显 示 出 骨 折 块 的 数 量 、 骨 折 的 形 态 ，以 及 移 位 程 度 ，在 评 价 骨 折 的 骨 折 程 度 以 及 术 前 制 定 个 体 化 治 疗 方 案 方 面 ，该 模 型 较 ＣＴ 有 明 显 的 优
3D打印技术在骨科应用的研究进展
特征 和治疗技 术的复杂性 ，熟 悉３ Ｄ打 印技 术的优 势和特点 ，结合 临床 实际应用 ，在 术前 更加 深入研 究疾病 的特点 ，做好 充分的手术计划 ，可最终提 高临床疗效 。同时 ，也应注意到 ３ Ｄ打 印辅 助手术技 术 的局 限性 ，在临床工作 中扬 长避 短 ，使
其 更好 地 为 患 者服 务 。
（ １ ． Ｇｒ ａ ｄｅ ２ ０１ ２ Ｃｌ ａ ｓ ｓ ２ ２， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙａ ｎ ｇ Ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃｏｌ ｌ ｅ ｇ ｅ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ ３ ４， Ｃｈ ｉ ｎａ ； ２． Ｇｒ ａ ｄ ｅ ２ ０１ ４ Ｃｌ ａ ｓ ｓ ３； ３ ． Ｇｒ ａ ｄ ｅ ２ ０１ ４ Ｃｌ ａ ｓ ｓ ２； ４． Ｄｅ ｐａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ
Ｒｅ ｓ ｅ ａｒ ｃ ｈ Ｐｒ ｏ ｇｒ ｅ ｓ ｓ ｏｆ ３ Ｄ Ｐｒ ｉ ｎｔ ｉ ｎｇ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｎ Ｏｒ ｔ ｈ ｏｐａ ｅ ｄｉ ｃ Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ
Ｃ ＨＵ Ｊ ｉ ｎ ｚ ｅ ， ＹＡＮＧ Ｘｕ ｅ ， ＭＥ Ｉ Ｙｕ ， ＸＵ Ｗｅ ｎ ｑ ｉ ａ ｎ ，Ｃ ＡＩ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｃ ｕ ｎ
沈 阳医学 院学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ 第１ ９ 卷
第 ２期
２ ０ １ ７ 年 ３月
３ Ｄ打印技术在骨科应用的研究进展
初 金 泽 ，杨 雪 ，梅 昱 ，徐 文倩 。 ，蔡振 存
ｏ ｆ Ｏｒ ｔ ｈ ｏ ｐ ａ ｅ ｄ ｉ ｃ ｓ ，Ｔ ｈ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｈｏ ｓ ｐ ｉ ｔ ａ ｌ Ａｆ ｉｌ ｆ ｉ ａ ｔ ｅ ｄｔ ｏ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇＭｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ）
其 更好 地 为 患 者服 务 。
（ １ ． Ｇｒ ａ ｄｅ ２ ０１ ２ Ｃｌ ａ ｓ ｓ ２ ２， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙａ ｎ ｇ Ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃｏｌ ｌ ｅ ｇ ｅ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ ３ ４， Ｃｈ ｉ ｎａ ； ２． Ｇｒ ａ ｄ ｅ ２ ０１ ４ Ｃｌ ａ ｓ ｓ ３； ３ ． Ｇｒ ａ ｄ ｅ ２ ０１ ４ Ｃｌ ａ ｓ ｓ ２； ４． Ｄｅ ｐａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ
Ｒｅ ｓ ｅ ａｒ ｃ ｈ Ｐｒ ｏ ｇｒ ｅ ｓ ｓ ｏｆ ３ Ｄ Ｐｒ ｉ ｎｔ ｉ ｎｇ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｎ Ｏｒ ｔ ｈ ｏｐａ ｅ ｄｉ ｃ Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ
Ｃ ＨＵ Ｊ ｉ ｎ ｚ ｅ ， ＹＡＮＧ Ｘｕ ｅ ， ＭＥ Ｉ Ｙｕ ， ＸＵ Ｗｅ ｎ ｑ ｉ ａ ｎ ，Ｃ ＡＩ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｃ ｕ ｎ
沈 阳医学 院学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ 第１ ９ 卷
第 ２期
２ ０ １ ７ 年 ３月
３ Ｄ打印技术在骨科应用的研究进展
初 金 泽 ，杨 雪 ，梅 昱 ，徐 文倩 。 ，蔡振 存
ｏ ｆ Ｏｒ ｔ ｈ ｏ ｐ ａ ｅ ｄ ｉ ｃ ｓ ，Ｔ ｈ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｈｏ ｓ ｐ ｉ ｔ ａ ｌ Ａｆ ｉｌ ｆ ｉ ａ ｔ ｅ ｄｔ ｏ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇＭｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ）
骨科3D打印技术的研究进展
骨科３Ｄ打印技术的研究进展刘大海李开南（遵义医学院-成都大学附属医院，成都市610000）摘要：为了大力推进3D打印技术在骨组织工程中的应用，让更多的人了解3D 打印技术的优势，使之成为骨组织替代材料生产的主方式。
据此，我们总结了近数十年间3D打印技术在骨科领域的发展历程。
从金属生物替代假体的制造，到复合细胞及生长因子的生物可降解替代物的制造，再到术前评估及术中导航模板的制造，都可以根据患者的需要，通过3D打印机打印出个性化的骨科产品，使3D打印技术应用于临床疾病的治疗逐渐增多，更有利于骨科疾病治疗的合理化及安全性。
所以，本文主要讲述近年来3D打印技术在骨科领域的研究进展及对未来的展望。
关键词：3D打印技术；生物可降解材料；个性化；替代物；导航模板3D打印技术是上世纪80年代新起的一种快速制造技术，其主要原理是“分层制造，逐层叠加”，先通过3D打印机分层制造，形成一个二维结构的物质平面，再根据自己的需要，通过对材料的精确堆积，逐层叠加，最终形成产品的三维立体结构[1]。
它的制作工艺有异于传统的削材及铸造技术，能使材料的物理结构不发生变化，增强产品的强度；还能根据需求定制，实现材料与病变部位的完全匹配，同时还可以携带细胞及生物活性微球进行骨缺损部位的原味打印。
随着3D打印这一核心思想的新起，逐步形成的各式各样的制造技术，先是1989年Deckard发明的选择性激光烧结技术（SLS），再次是1992年Crump发明了熔融沉积成型技术(FDM)，1993年Sachs在麻省理工大学发明了3D喷印技术(3DP)。
以上所有的打印技术，无一不是运用“分层制造，逐层叠加”的原理来实现的[2]。
目前，3D打印技术在骨科应用于以下几个方面。
一、骨科个性化替代物目前运用于临床的骨科替代性材料都是按照固定模式制造出来，已满足不了特殊疾病人群的需求，所以，制造出适合于每个患者的个性化替代性假体就显得非常有必要。
在髋关节的置换上，由于假体的不匹配，会导致围手术期假体失稳、肢体长度不等、假体周围骨折，和再次手术的风险；如：小直径髋臼假体容易获得良好的骨性包容，但是通常应力比较集中，容易对假体产生磨损，缩短假体寿命；大直径的髋臼假体，假体周围骨量丢失也越多，从而可造成假体松动等[3]。
应用3D打印技术的骨科手术
应用3D打印技术的骨科手术骨科手术是一种既精细又疗效显著的医疗领域，一直以来都是医疗技术的重点发展领域之一。
而在最近几年，随着3D打印技术的应用不断成熟，骨科手术也开始出现了更多的3D打印应用。
本文将简单介绍3D打印技术在骨科手术中的应用以及其带来的新改变。
一、何为3D打印技术？3D打印技术，又称增材制造技术，通过计算机数字模型裁切、堆叠等方式，造出一个三维实体。
这项技术在骨科手术中的应用可以使手术更加准确和个性化，可以生产各种不同的类型、规格的手术器械以及模拟出手术操作前的效果。
二、3D打印技术在骨科手术中的应用1.3D打印手术模型传统的手术模型需要样板制作，耗时耗力，还不一定准确，而3D打印技术可以更加快捷、精确地打印出手术模型，为医生提供更精准的解剖学模型，帮助医生更好地规划手术方案。
2.3D打印骨模型3D打印技术还可以用来制造骨模型来进行手术练习和仿真。
在手术前，医生通常会制作一些3D打印的骨模型。
这些模型可以较为真实地再现病人的病变和骨组织的形态，医生可以对模型进行锻炼，提前解决手术中的麻烦问题。
3.3D打印骨植入物3D打印技术还可以帮助制造特殊形态的骨植入物，如人工关节、人工骨、植入体支架等等。
在制造过程中，医生可以利用计算机模型和雕刻工具制造出精细的骨植入物，提高手术成功率和复原速度。
三、3D打印技术在骨科手术中的优势1.个性化在传统手术中，通常会选择比较普遍的手术器械。
而在3D打印技术下，医生可以通过计算机建模，根据每个患者的具体情况来选择最适合病人的器械。
这样一来，可以大大优化患者的治疗效果，增强患者的治愈体验和医生的满意度。
2.精准度高3D打印技术可以根据计算机中输入的数据进行精确的打印，这就可以使手术器械的形态、尺寸等等更加准确，比传统手术的手工制作更为精确。
这对于骨科手术来说是至关重要的，因为手术器械的精度直接影响到手术的效果。
3.低成本高效3D打印技术可以快速、低成本地制作出各式各样的手术器械和骨模型，在骨科手术领域尤其重要。
3D打印在骨科中的应用
• 但在特殊情况下，如患者所需内植物太大或太小，或由于 疾病的特殊性无合适商业化产品，或需要与个体解剖结构 更为贴附的内植物以提高手术效果时，则需要个性化定制 假体及内植入物。
精品课件
• 目前国内外已经广泛开展了3D打印个性化接骨板、个体化 人工关节假体的临床应用研究。
• 对于关节严重畸形以及特殊部位的骨肿瘤患者，手术方案 的制定非常具有挑战性，如假体型号的选择、假体安放位 置的准确以及畸形的矫正程度等都是术者面临的难题。
精品课件
3D打印局限
• 材料的限制：虽然目前可以实现塑料、某些金属或者陶瓷 打印，但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的，尚无法支持 各种材料、特别是生物材料的打印；材料的力学性能也是 目前研究的热点和要点。
• 加快3D生物打印研究与开发：除了研制适合3D打印的生物 材料和“墨水”外，还要研究细胞和生长因子与材料复合 的最佳浓度；打印时如何达到无菌、无热源、保持细胞／ 生物活性因子的活力、维持组织结构完整性等要求。辅以 材料的微米、纳米技术；可根据需要设定特定的孔隙率、 交联；显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细 胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合， 有助于缩短患者的恢复期，有利于节省患者的医疗成本。
• 可以直接“打印”出功能性的人体器官和组织。在骨组织 工程领域，3D 打印技术主要用于制作结构复杂、形状各 异的组织工程支架，甚至打印组织工程人体器官。
精品课件
实例应用（一）
• 桡骨头粉碎性骨折
• 患者摔伤右肘关节肿痛、活动受限1小时。查体：右肘部 见皮肤挫擦伤痕，局部肿胀明显，压痛，扪及骨擦感，肘 关节旋转功能障碍，腕指活动良好，指端血运皮肤感觉可
• 同时医生在术前可以在模型上进行模拟手术操作和练习， 对术中内固定物进行预塑形，提高手术操作准确度可以明 显的减少了术中X线的应用次数、节省手术时间。
精品课件
• 目前国内外已经广泛开展了3D打印个性化接骨板、个体化 人工关节假体的临床应用研究。
• 对于关节严重畸形以及特殊部位的骨肿瘤患者，手术方案 的制定非常具有挑战性，如假体型号的选择、假体安放位 置的准确以及畸形的矫正程度等都是术者面临的难题。
精品课件
3D打印局限
• 材料的限制：虽然目前可以实现塑料、某些金属或者陶瓷 打印，但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的，尚无法支持 各种材料、特别是生物材料的打印；材料的力学性能也是 目前研究的热点和要点。
• 加快3D生物打印研究与开发：除了研制适合3D打印的生物 材料和“墨水”外，还要研究细胞和生长因子与材料复合 的最佳浓度；打印时如何达到无菌、无热源、保持细胞／ 生物活性因子的活力、维持组织结构完整性等要求。辅以 材料的微米、纳米技术；可根据需要设定特定的孔隙率、 交联；显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细 胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合， 有助于缩短患者的恢复期，有利于节省患者的医疗成本。
• 可以直接“打印”出功能性的人体器官和组织。在骨组织 工程领域，3D 打印技术主要用于制作结构复杂、形状各 异的组织工程支架，甚至打印组织工程人体器官。
精品课件
实例应用（一）
• 桡骨头粉碎性骨折
• 患者摔伤右肘关节肿痛、活动受限1小时。查体：右肘部 见皮肤挫擦伤痕，局部肿胀明显，压痛，扪及骨擦感，肘 关节旋转功能障碍，腕指活动良好，指端血运皮肤感觉可
• 同时医生在术前可以在模型上进行模拟手术操作和练习， 对术中内固定物进行预塑形，提高手术操作准确度可以明 显的减少了术中X线的应用次数、节省手术时间。
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近年来，3Ｄ 打印技术在骨科领域的发展，使得 手术医生在术前不仅能通过对手术部位进行还原重 建，对解剖形态复杂、需要精确定位的手术进行详细 的术前设计，同时也能根据模型为患者“ 量身定制” 手术导板，有助于提高手术成功率、降低手术难度、 确保患者安全［１６］ 。 目前 3Ｄ 打印个性化手术工具中 最为典型的是手术置钉导板，包括骨盆导板、关节导 板、脊柱导板等［１７］ 。 朱春冀等［１８］ 将 3Ｄ 打印个体化 手术导板应用于骨科复杂手术中，术前打印出骨骼 模型并设万计方相数应据的手术导板，对内置物进行预处理。
【关键词】 3Ｄ 打印；原理；骨科；个体化；导板；替代物
【中图分类号】 Ｒ６８１
【文献标志码】 Ｂ
【文章编号】 １６７２-６１７０（２０１７）０２-０１５０-０４
3Ｄ 打印技术诞生于上世纪 ８０ 年代，从 １９８６ 年 Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈｕｌｌ 开发了第一台商业 3Ｄ 打印机，到 ２０１２ 年苏格兰科学家 Ｆａｕｌｋｎｅｒ-Ｊｏｎｅｓ 等［１］ 利用细胞打印 出人造肝脏组织。 3Ｄ 打印技术是一种快速制造技 术（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ），它融合了计算机 辅助设计、数控技术、新材料技术等当代新兴技术， 可以制作任意复杂几何形状的实体，极大地降低了 结构复杂产品的制造难度，很大程度上提升了生产 效率，具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生 产等传统工艺无法比拟的优点［２］ ，正作为一项前沿 的制造技术在医学领域逐渐被重视和推广，主要在 脊柱外科、关节外科、颌面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］ 。 在 骨科临床工作中，个体化、精确化是骨科的一个重要 方向，既往术前只能通过 Ｘ 射线平片、ＣＴ 扫描、ＭＲＩ 成像等影 像 学 手 段 来 进 行 手 术 分 析 及 预 计 手 术 方 式。 但这些影像学资料在拍摄时的一些不可控因素 以及在反映病变位置、严重程度和解剖学畸形方面 缺乏精确性和直观性［４］ 。 若仅靠手术医生的经验 以及术中所见的具体情况，对病变部位判断的偏差 可能直接影响手术的安全性和手术效果。 因此，术 前精确的手术部位定位以及严密的手术方案设计是 实现个体化手术的必要途径。 １ ３Ｄ 打印技术原理及重建要点
3０3０５０3１０９９ ）
△通讯作万者方数据
后再进行“ 分层制造，逐层堆积”，即将三维模型以 特定的 ＳＴＬ 格式输入 3Ｄ 打印机进行分层制造，形 成二维结构的物质平面，再利用激光束或热熔喷嘴 等方法精确堆积材料、逐层叠加，最终形成产品的三 维结构［５］ 。 目前，在医学研究领域使用最广泛的逆 向工程技术软件有比利时 Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ 公司的 Ｍｉｍｉｃｓ 软件和德国 ＳＩＥＭＥＮＳ 的 ＵＧ ＮＸ 以及美国 3Ｄ Ｓｙｓｔｅｍ 公司的 Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ 软件。 Ｍｉｍｉｃｓ 软件是基 于医学三维 ＣＴ、ＭＲＩ 成像而进行三维重建的软件， 可显示和分割 ＣＴ 等医学图像，并具有良好的图像 编辑功能［６］ 。 ＵＧ ＮＸ 和 Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ 软件属于 ＣＡＤ 软件之一，具有强大的数据处理和编辑功能。 模型重建程序：①对需要建模部位进行三维 ＣＴ 扫 描，以 ＤＩＣＯＭ 格式保存数据，导入 Ｍｉｍｉｃｓ 软件；② 针对所需建模进行 Ｍｉｍｉｃｓ 软件的阈值设定，低密度 的肌肉和软组织阈值偏低，高密度的骨组织阈值较 高，可根据建模部位的需求设定阈值，称为“ 阈值分 割”。 需注意的是在阈值设定时，最低阈值过高会 导致模型过小；最低阈值过小则会导致模型偏大；③ 分割后的图像被不同颜色标记，成为“ 蒙版”，可利 用“ 区域增长”、“ 蒙板编辑”、“ 布尔运算” 等对图像 进行编辑；④对编辑完成后的“ 蒙版” 进行计算，即 生成 3Ｄ 模型，在计算生成 3Ｄ 模型后，可能由于骨 骼与周围组织的各阈值不同，以统一阈值标记重建 后出现一些“ 孔洞” 或“ 钉状物” ，则需要手动逐层修 补处理；⑤处理完成后以 ＳＴＬ 格式保存，导入 3Ｄ 打 印机即可打印出与建模部位高度还原的 3Ｄ 实物模 型。 ２ 术前骨骼模型还原重建
3Ｄ 打印技术是一种新型的快速成型技术，在骨 科手术中具有重要的应用价值。 但骨科个性化的 3Ｄ 打印还面临着以下问题：①经济问题：3Ｄ 打印具 备规模经济的优势，打印机的价格从数万元到上千 万元不等，且相关配套的 ＣＴ、ＭＲＩ 设备以及建模和 逆向工程、ＣＡＤ 等软件，都是一笔不小的费用［3４］ 。 ②材料问题：目前应用较多的材料包括金属、陶瓷、 光敏树脂、石膏等，每种材料的物理性能和理化性质 不同，价格从几百元到几千元不等，且并不都适应临 床需要，文献报道人工关节置换术后 １％的患者出 现明显金属过敏症状，在假体功能良好的患者中，通 过检测发现 ２０％ ～２５％的患者存在金属过敏［3５］ 。 因此选择适合人体特性的金属材料如钛合金，其价 格高达每千克 ２０００ 元左右［3６］ 。 ③生产问题：3Ｄ 打 印技术需要依靠数字技术模型来进行生产，但目前 针对骨科打印临床规划软件很少，且大多数临床医 生不会使用相关设备和软件，因此很多研究者需与 专门的技术人员合作，结合使用多组工程软件才得 以实现某些临床复杂手术的术前规划，但这个过程 耗费时间长，经济费用增加，一定程度地限制了 3Ｄ 打印技术在临床应用。 ④打印精度问题：应用 3Ｄ 打印技术实现骨骼还原重建及设计制作个体化手术 导板均要求 3Ｄ 打印机具有较高的精确性，在高度 还原重建的模型上制备的手术导板才能准确定位， 若术前构建的模型还原度较差，将直接导致手术导 板及个体化替代物的设计存在力学和材料学上的缺 陷，最终使手术失败。 ⑤临床应用问题：在临床实践 中，3Ｄ 打印出的个体化手术导板存在不规则性，在 手术中的固定稳定性较差，为防止使用时导板移动， 需要选择标志性的解剖结构作为参考点及锚定点。 且术前准备时不同打印材料及不同消毒方式对于手 术导板及万个方体数化据替代物的影响也有待进一步研究。
１５１
研究者认为 3Ｄ 打印个体化手术导板能满足手术的 个体化需求，在手术中能够准确还原术前设计，不同 3Ｄ 打印模型对骨科复杂手术的指导意义重大，可以 降低手术的难度，减少手术时间。 尹知训等［１９］ 为肘 关节畸形患者设计制作 3Ｄ 打印个性化截骨模板并 引导术 中 三 维 截 骨， 术 后 肘 关 节 畸 形 纠 正 率 为 ９５％。 Ｒａａｉｊｍａａｋｅｒｓ 等［２０］ 应用该技术制作出与股骨 头、股骨颈前表面紧密贴合的置钉导向器，在股骨头 表面置换 中 可 将 假 体 柄 精 确 安 装 在 股 骨 颈 解 剖 轴 上，使假体定位过程变得简单、安装更精确。 陈宣煌 等［２１］ 利用 3Ｄ 打印技术制作的辅助椎弓根螺钉置入 导航模板，也获得了满意的效果。
3Ｄ 打印骨科模型的制作主要通过逆向工程原 理（Ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ） 和快速成型技术（ Ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ） 而实现。 其主要原理是先通过 Ｍｉｍｉｃｓ、ＣＡＤ 等软件进行三维数字化模型的构建，然
【基 金 项 目 】 四 川 省 卫 生 厅 科 研 基 金 资 助 项 目 （ 编 号：
3Ｄ 打印技术具备加工精确、制作迅速、无需特 殊模具 等 特 点， 使 个 体 化 假 体 设 计、 制 备 成 为 可 能［２９］ 。 早在 １９７９ 年，由 Ｔｏｎｎｅｒ 等［3０］ 采用聚苯乙烯 为原料，为一位纤维肉瘤的患者构建了骨盆模型，并 以此模型定制了弥补肿瘤切除术后骨盆缺损的金属
１５２
在关节外科中，常需通过植入人工假体来替换 已经发生病变的相应部位，以重建其解剖结构及功 能，但人工假体与手术部位的形态拟合性较差，术前
实用医院临床杂志 ２０１７ 年 3 月第 １４ 卷第 ２ 期
无法完全确定假体型号及确切大小，因此术中常需 反复尝试各种型号的假体，加重了局部创伤的同时 也增加了手术时间［２］ 。 3Ｄ 打印骨骼模型不仅具有 高度还原性，同时还能显示出 Ｘ 射线片、ＣＴ 扫描、 ＭＲＩ 成像无法展现的信息。 术前根据模型提供的信 息确定假体的型号及具体大小，更直观化、全面化、 简单化、准确化地制定手术方案，进行术前演练与手 术模拟操作等，进而提高关节外科复杂高难度手术 的成功率，使手术更精确、更安全［７］ 。 Ｗｏｎ 等［８］ 利 用 3Ｄ 打印技术为 ２１ 例伴有严重畸形的髋关节疾 病的患者制订了个体化的手术方案并行人工全髋关 节置换术，术后影像学检查表明假体位置与术前计 划精确吻合，而且手术时间明显缩短。 在创伤骨科 中，利用 3Ｄ 打印技术打印出骨折部位的三维模型， 可在术前对骨折有详尽和全面的了解并做出准确的 诊断和分型，也可在模型上实施模拟手术过程，如骨 折复位、选择合适的内固定物、预弯塑形钢板、确定 螺钉的方向和长度等，通过模拟手术选择不同的手 术方法及调整手术策略，制定出最佳个性化手术方 案 。 ［９ ～１２］ 吴章林等［１3］ 利用术前针对髋臼骨折进行 三维建模和虚拟骨折复位，并在复位模型上优化预 设植入钢板位置和虚拟钉道模拟、测量钉道长度，三 维切割预设植入钢板部位骨块并 3Ｄ 打印，据此进 行钢板折弯。 术后得出折弯钢板模拟植入位置、螺 钉植入方向、长度和虚拟设计高度一致。 李新春［１４］ 等应用 3Ｄ 打印技术打印出 Ｐｉｌｏｎ 骨折模型，并制定 手术方案及模拟手术过程，结论得出术中采用的固 定钢板、螺 钉 数 量 与 螺 钉 长 度 均 与 术 前 计 划 一 致。 3Ｄ 打印技术应用于 Ｐｉｌｏｎ 骨折的治疗临床可行性良 好，有助于术者对 Ｐｉｌｏｎ 骨折的理解和术前计划的制 定。 也有研究报道，在临床教学工作中，将 3Ｄ 打印 模型与临床病例相结合还提高了教学质量，有助于 学生临床技能的培养和胜任力的提升［１５］ ，减少了尸 体标本的使用，节约了尸体标本购买与保存的成本 等。 ３ 个性化手术导板
【摘要】 3Ｄ 打印技术作为数字化技术的集中体现，是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段。 随着基于 ＣＴ、ＭＲＩ
图像的人体组织器官的三维数字化建模技术和 3Ｄ 打印技术的进步，使越来越多的骨科手术向具有高度个性化、精确化和快
速化发展。 本文对 3Ｄ 打印技术在还原重建骨骼模型、个体化手术导板、个体化替代物、存在的问题及展望方面进行综述。
【关键词】 3Ｄ 打印；原理；骨科；个体化；导板；替代物
【中图分类号】 Ｒ６８１
【文献标志码】 Ｂ
【文章编号】 １６７２-６１７０（２０１７）０２-０１５０-０４
3Ｄ 打印技术诞生于上世纪 ８０ 年代，从 １９８６ 年 Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈｕｌｌ 开发了第一台商业 3Ｄ 打印机，到 ２０１２ 年苏格兰科学家 Ｆａｕｌｋｎｅｒ-Ｊｏｎｅｓ 等［１］ 利用细胞打印 出人造肝脏组织。 3Ｄ 打印技术是一种快速制造技 术（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ），它融合了计算机 辅助设计、数控技术、新材料技术等当代新兴技术， 可以制作任意复杂几何形状的实体，极大地降低了 结构复杂产品的制造难度，很大程度上提升了生产 效率，具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生 产等传统工艺无法比拟的优点［２］ ，正作为一项前沿 的制造技术在医学领域逐渐被重视和推广，主要在 脊柱外科、关节外科、颌面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］ 。 在 骨科临床工作中，个体化、精确化是骨科的一个重要 方向，既往术前只能通过 Ｘ 射线平片、ＣＴ 扫描、ＭＲＩ 成像等影 像 学 手 段 来 进 行 手 术 分 析 及 预 计 手 术 方 式。 但这些影像学资料在拍摄时的一些不可控因素 以及在反映病变位置、严重程度和解剖学畸形方面 缺乏精确性和直观性［４］ 。 若仅靠手术医生的经验 以及术中所见的具体情况，对病变部位判断的偏差 可能直接影响手术的安全性和手术效果。 因此，术 前精确的手术部位定位以及严密的手术方案设计是 实现个体化手术的必要途径。 １ ３Ｄ 打印技术原理及重建要点
3０3０５０3１０９９ ）
△通讯作万者方数据
后再进行“ 分层制造，逐层堆积”，即将三维模型以 特定的 ＳＴＬ 格式输入 3Ｄ 打印机进行分层制造，形 成二维结构的物质平面，再利用激光束或热熔喷嘴 等方法精确堆积材料、逐层叠加，最终形成产品的三 维结构［５］ 。 目前，在医学研究领域使用最广泛的逆 向工程技术软件有比利时 Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ 公司的 Ｍｉｍｉｃｓ 软件和德国 ＳＩＥＭＥＮＳ 的 ＵＧ ＮＸ 以及美国 3Ｄ Ｓｙｓｔｅｍ 公司的 Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ 软件。 Ｍｉｍｉｃｓ 软件是基 于医学三维 ＣＴ、ＭＲＩ 成像而进行三维重建的软件， 可显示和分割 ＣＴ 等医学图像，并具有良好的图像 编辑功能［６］ 。 ＵＧ ＮＸ 和 Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ 软件属于 ＣＡＤ 软件之一，具有强大的数据处理和编辑功能。 模型重建程序：①对需要建模部位进行三维 ＣＴ 扫 描，以 ＤＩＣＯＭ 格式保存数据，导入 Ｍｉｍｉｃｓ 软件；② 针对所需建模进行 Ｍｉｍｉｃｓ 软件的阈值设定，低密度 的肌肉和软组织阈值偏低，高密度的骨组织阈值较 高，可根据建模部位的需求设定阈值，称为“ 阈值分 割”。 需注意的是在阈值设定时，最低阈值过高会 导致模型过小；最低阈值过小则会导致模型偏大；③ 分割后的图像被不同颜色标记，成为“ 蒙版”，可利 用“ 区域增长”、“ 蒙板编辑”、“ 布尔运算” 等对图像 进行编辑；④对编辑完成后的“ 蒙版” 进行计算，即 生成 3Ｄ 模型，在计算生成 3Ｄ 模型后，可能由于骨 骼与周围组织的各阈值不同，以统一阈值标记重建 后出现一些“ 孔洞” 或“ 钉状物” ，则需要手动逐层修 补处理；⑤处理完成后以 ＳＴＬ 格式保存，导入 3Ｄ 打 印机即可打印出与建模部位高度还原的 3Ｄ 实物模 型。 ２ 术前骨骼模型还原重建
3Ｄ 打印技术是一种新型的快速成型技术，在骨 科手术中具有重要的应用价值。 但骨科个性化的 3Ｄ 打印还面临着以下问题：①经济问题：3Ｄ 打印具 备规模经济的优势，打印机的价格从数万元到上千 万元不等，且相关配套的 ＣＴ、ＭＲＩ 设备以及建模和 逆向工程、ＣＡＤ 等软件，都是一笔不小的费用［3４］ 。 ②材料问题：目前应用较多的材料包括金属、陶瓷、 光敏树脂、石膏等，每种材料的物理性能和理化性质 不同，价格从几百元到几千元不等，且并不都适应临 床需要，文献报道人工关节置换术后 １％的患者出 现明显金属过敏症状，在假体功能良好的患者中，通 过检测发现 ２０％ ～２５％的患者存在金属过敏［3５］ 。 因此选择适合人体特性的金属材料如钛合金，其价 格高达每千克 ２０００ 元左右［3６］ 。 ③生产问题：3Ｄ 打 印技术需要依靠数字技术模型来进行生产，但目前 针对骨科打印临床规划软件很少，且大多数临床医 生不会使用相关设备和软件，因此很多研究者需与 专门的技术人员合作，结合使用多组工程软件才得 以实现某些临床复杂手术的术前规划，但这个过程 耗费时间长，经济费用增加，一定程度地限制了 3Ｄ 打印技术在临床应用。 ④打印精度问题：应用 3Ｄ 打印技术实现骨骼还原重建及设计制作个体化手术 导板均要求 3Ｄ 打印机具有较高的精确性，在高度 还原重建的模型上制备的手术导板才能准确定位， 若术前构建的模型还原度较差，将直接导致手术导 板及个体化替代物的设计存在力学和材料学上的缺 陷，最终使手术失败。 ⑤临床应用问题：在临床实践 中，3Ｄ 打印出的个体化手术导板存在不规则性，在 手术中的固定稳定性较差，为防止使用时导板移动， 需要选择标志性的解剖结构作为参考点及锚定点。 且术前准备时不同打印材料及不同消毒方式对于手 术导板及万个方体数化据替代物的影响也有待进一步研究。
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研究者认为 3Ｄ 打印个体化手术导板能满足手术的 个体化需求，在手术中能够准确还原术前设计，不同 3Ｄ 打印模型对骨科复杂手术的指导意义重大，可以 降低手术的难度，减少手术时间。 尹知训等［１９］ 为肘 关节畸形患者设计制作 3Ｄ 打印个性化截骨模板并 引导术 中 三 维 截 骨， 术 后 肘 关 节 畸 形 纠 正 率 为 ９５％。 Ｒａａｉｊｍａａｋｅｒｓ 等［２０］ 应用该技术制作出与股骨 头、股骨颈前表面紧密贴合的置钉导向器，在股骨头 表面置换 中 可 将 假 体 柄 精 确 安 装 在 股 骨 颈 解 剖 轴 上，使假体定位过程变得简单、安装更精确。 陈宣煌 等［２１］ 利用 3Ｄ 打印技术制作的辅助椎弓根螺钉置入 导航模板，也获得了满意的效果。
3Ｄ 打印骨科模型的制作主要通过逆向工程原 理（Ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ） 和快速成型技术（ Ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ） 而实现。 其主要原理是先通过 Ｍｉｍｉｃｓ、ＣＡＤ 等软件进行三维数字化模型的构建，然
【基 金 项 目 】 四 川 省 卫 生 厅 科 研 基 金 资 助 项 目 （ 编 号：
3Ｄ 打印技术具备加工精确、制作迅速、无需特 殊模具 等 特 点， 使 个 体 化 假 体 设 计、 制 备 成 为 可 能［２９］ 。 早在 １９７９ 年，由 Ｔｏｎｎｅｒ 等［3０］ 采用聚苯乙烯 为原料，为一位纤维肉瘤的患者构建了骨盆模型，并 以此模型定制了弥补肿瘤切除术后骨盆缺损的金属
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在关节外科中，常需通过植入人工假体来替换 已经发生病变的相应部位，以重建其解剖结构及功 能，但人工假体与手术部位的形态拟合性较差，术前
实用医院临床杂志 ２０１７ 年 3 月第 １４ 卷第 ２ 期
无法完全确定假体型号及确切大小，因此术中常需 反复尝试各种型号的假体，加重了局部创伤的同时 也增加了手术时间［２］ 。 3Ｄ 打印骨骼模型不仅具有 高度还原性，同时还能显示出 Ｘ 射线片、ＣＴ 扫描、 ＭＲＩ 成像无法展现的信息。 术前根据模型提供的信 息确定假体的型号及具体大小，更直观化、全面化、 简单化、准确化地制定手术方案，进行术前演练与手 术模拟操作等，进而提高关节外科复杂高难度手术 的成功率，使手术更精确、更安全［７］ 。 Ｗｏｎ 等［８］ 利 用 3Ｄ 打印技术为 ２１ 例伴有严重畸形的髋关节疾 病的患者制订了个体化的手术方案并行人工全髋关 节置换术，术后影像学检查表明假体位置与术前计 划精确吻合，而且手术时间明显缩短。 在创伤骨科 中，利用 3Ｄ 打印技术打印出骨折部位的三维模型， 可在术前对骨折有详尽和全面的了解并做出准确的 诊断和分型，也可在模型上实施模拟手术过程，如骨 折复位、选择合适的内固定物、预弯塑形钢板、确定 螺钉的方向和长度等，通过模拟手术选择不同的手 术方法及调整手术策略，制定出最佳个性化手术方 案 。 ［９ ～１２］ 吴章林等［１3］ 利用术前针对髋臼骨折进行 三维建模和虚拟骨折复位，并在复位模型上优化预 设植入钢板位置和虚拟钉道模拟、测量钉道长度，三 维切割预设植入钢板部位骨块并 3Ｄ 打印，据此进 行钢板折弯。 术后得出折弯钢板模拟植入位置、螺 钉植入方向、长度和虚拟设计高度一致。 李新春［１４］ 等应用 3Ｄ 打印技术打印出 Ｐｉｌｏｎ 骨折模型，并制定 手术方案及模拟手术过程，结论得出术中采用的固 定钢板、螺 钉 数 量 与 螺 钉 长 度 均 与 术 前 计 划 一 致。 3Ｄ 打印技术应用于 Ｐｉｌｏｎ 骨折的治疗临床可行性良 好，有助于术者对 Ｐｉｌｏｎ 骨折的理解和术前计划的制 定。 也有研究报道，在临床教学工作中，将 3Ｄ 打印 模型与临床病例相结合还提高了教学质量，有助于 学生临床技能的培养和胜任力的提升［１５］ ，减少了尸 体标本的使用，节约了尸体标本购买与保存的成本 等。 ３ 个性化手术导板
【摘要】 3Ｄ 打印技术作为数字化技术的集中体现，是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段。 随着基于 ＣＴ、ＭＲＩ
图像的人体组织器官的三维数字化建模技术和 3Ｄ 打印技术的进步，使越来越多的骨科手术向具有高度个性化、精确化和快
速化发展。 本文对 3Ｄ 打印技术在还原重建骨骼模型、个体化手术导板、个体化替代物、存在的问题及展望方面进行综述。