【解析】3D打印結合數字化技術在數字骨科醫(yī)學發(fā)展中的應用配合

3D打印技術目前在社會各領域的應用越來越廣泛，被譽為是“ 第三次工業(yè)革命的標志” ，將成為改變未來世界新的創(chuàng)造性科技， 即將使人類進入“點擊制造”時代。數字醫(yī)學之父鐘世鎮(zhèn)院士奠定了中國數字醫(yī)學發(fā)展的基礎，在他的倡導下我國于2001年和2003年召開了兩次香山科學會議。在2001年舉行的第174次香山科學會議上，首次研討了“中國數字化虛擬人體的科技問題”；2003年召開的第208次香山科學會議上，研討了“中國數字化虛擬人體研究的發(fā)展與應用”。

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)應用，數字醫(yī)學的基礎和應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)院士基于數字醫(yī)學提出了數字骨科的理念，為３Ｄ打印技術在數字骨科的應用及發(fā)展提供了有力的技術保障。隨著制造技術、數字建模技術、數控技術、信息技術、 材料科學與化學、生物技術等前沿技術的迅猛發(fā)展以及多學科的密切合作，３Ｄ打印技術的開發(fā)已經成為當今最熱門的新 技術之一。

３Ｄ打印技術的飛速發(fā)展也為骨科醫(yī)學領域提供 了難得的發(fā)展契機，尤其是對數字骨科領域的發(fā)展起到了巨大的推動作用。數字骨科結合數字技術使傳統(tǒng)骨科步入數字化時代，為數字骨科的發(fā)展注入新的活力，引領一場新的數字骨科醫(yī)學革命。３Ｄ打印結合數字化技術是數字骨科個性化治療發(fā)展的一個重要方向， 它的出現有效解決了個性治療的難題 ，它是利用三維重建、逆向工程、計算機輔助設計（ＣＡＤ） 等技術提取病人的影像數據并通過３Ｄ打印制作出個性化的實體模型、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例骨科的病人應用３Ｄ打印技術實行個性化手術治療，效果較好。現報告如下。

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，肩關節(jié)懸吊復位骨折１例， 骨盆髖臼骨折１例，骨盆腫瘤２例。所有病人手術過程順利，愈合效果好。

1.2 方法
傳統(tǒng)的骨科手術通常采用二維圖像資料進行手術方案的術前設計， 然后根據醫(yī)生在大腦中形成的三維印象進行手術，經驗與手術熟練程度決定了手術的成敗。數字化技術可以對具體病例進行優(yōu)化以及個性化的手術方案設計， 使手術更作者簡介 邱雪，主管護師，�？�，單位：４３００２２，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院；吳荷玉（通訊作者）單位：４３００２２，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院。 加精確及個性化。術前利用３Ｄ打印技術可以制作出１∶１的病人組織器官的３Ｄ實體模型，在３Ｄ模型上醫(yī)生可以根據術前優(yōu)化的手術設計方案進行模擬手術以及更為細致的手術規(guī)劃并按照規(guī)劃對病人實施手術治療。

２ 結果   
所有病人手術過程順利， 手術時間１ｈ～３ｈ，平均２．２５ｈ，無一例病人出現與手術相關的嚴重并發(fā)癥，愈合效果好。

３ 配合要點
  隨著３ Ｄ打印結合數字化技術的發(fā)展，未來的數字骨科模式將是“個性化、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學習相關知識
３Ｄ打印技術是利用三維計算機輔助設計（ＣＡＤ）的數據，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體。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“立體打印機”，因此得名 。３Ｄ打印原理是集成 計算機輔助設計和計算機輔助制造（ＣＡＤ／ＣＡＭ）、數控技術、激光技術、高分子材料、三維ＣＴ技術等領域為一體的全新快速成型技術，區(qū)別于傳統(tǒng)的等材制造和去材制造技術，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）內裝有液體或粉末等“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機 上的藍圖變成實物， “分層制造，逐層疊加”是其核心原理 。  醫(yī)學治療的個性化是２ １世紀醫(yī)學發(fā)展方向之一。

個體化治療是骨科能進一步改進內植物與受區(qū)的匹配度，骨骼肌肉系統(tǒng)的個體特征，滿足不同性別、種族、運動習慣和職業(yè)的個體需要，從而實現治療決策與治療技術的優(yōu)化。提取病人的影像數據，利用三維重建、逆向工程等技術“量體裁衣、度身定做”，并通過３Ｄ打印制作出個性化的實體模型、植入物及輔助器械，有效地提高療效。

個性化醫(yī)療植入物在個體化人工關節(jié)置換、個體化接骨鈑、個體化骨盆修復等臨床手術中，打印技術得到廣泛應 用 。因此，定制化、個性化的假體與內植物更能符合個性化 醫(yī)療的要求。金屬３Ｄ打印技術的出現給外科植入物的發(fā)展提供了有力的保障，可以將個性化、定制化的假體三維設計轉化為醫(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，實現結構的優(yōu)化。

３Ｄ打印技術可以將計算機中的三維模型、工具或假體等結構復雜的數字文件生產為實物，為臨床 醫(yī)師使用，醫(yī)生可以拿在手上作任意角度觀察的實體模型， 有助于臨床醫(yī)師對復雜的三維解剖結構做出最真實、準確的評估。借助準確的個體模型，合理的術前規(guī)劃成為可能，個體的導板工具成為現實，個體化的植入物可避免長時間等待，制作成本也相應下降。通過計算機模擬進針點及角度， 私人定制特殊進針角度的個性化骨科手術導向模板、導向器。目前的內固定器械常有配套的通用瞄準器械或模板系統(tǒng)，以輔助內固定物置入，但在術中仍需Ｘ線影像的確證。

而計算機輔助導航系統(tǒng)采 用紅外線或電磁技術，可實現手術中螺釘的準確植入，但設 備昂貴、 操作繁瑣及學習曲線長等不足限制了其在臨床的推廣應用。而基于逆向工程技術和３Ｄ打印技術的個體化內固定模板則能夠與特定病例實體骨骼完全匹配，具有安全、準確等優(yōu) 點，并可有效減少醫(yī)護人員及病人術中放射性暴露。模型 板不僅用于數字骨科手術，而且可以在模型上預先進行手術模型，進行預制手術導板的設計，術中參考和使用，選擇最佳重建方案，提供了大量的臨床參考數據，這項技術已臨床應用例，近期效果良好， 遠期效果需臨床進一步隨訪。

3.2參與術前手術計劃制訂
通過３Ｄ打印可清晰直觀地顯示病人的骨科創(chuàng)傷狀況，如復雜骨折與畸形。３Ｄ打印所獲得的數字化實體模型， 提供了比醫(yī)學影像資料更加詳細的解剖學信息， 實現了由二維到三維、平面到立體、虛擬到現實的轉變。醫(yī)生可直接在此模型上進行手術設計及模擬， 以確保手術的成功，為臨床疾病的診斷及治療提供了精確化、個性化的新型思 路和方法［ ６－ １２］。手術室護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，知曉手術醫(yī)生的手術方式、手術過程、手術要點和術中注意事項， 提前做好術前準備工作。

3.3配合醫(yī)師進行手術模擬演練
通過模擬手術可預知在術中可能遇到的問題，事先采取預防措施，比較各種方案的優(yōu)劣程度，找出最佳手術方案。而且術前還可在計算機上反復預演、交流，提高對手術方案的熟悉程度。護士全程參與手術模擬演練，認真仔細配合手術醫(yī)生做好模擬手術，提前熟悉手術步驟，掌握定制器械的使用方法，牢記術中所需使用的鋼板、螺釘規(guī)格與位置、 螺釘進入途徑及角度等，做到與手術醫(yī)生同步，準確、熟練、快速地配合手術醫(yī)生操作，能夠在實際手術過程中，縮短手術時間，節(jié)約麻醉藥用量，減少術中出血，快速完成手術。

3.4術前訪視
術前可在計算機上給病人及其家屬預演手術過程并結合使用１∶１仿真模型進行模擬展示，詳細講解病變的復雜性及手術操作的危險性，術前注意事項等內容，減輕病人心理負擔，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理工作。

3.5術前準備
手術應安排在百級層流手術間，手術間應有防輻射鉛墻、防輻射鉛衣、鉛帽、Ｃ臂機，手術間門上貼有明顯警示標牌。由參與術前制定手術計劃的�？谱o士擔任巡回工作，器械護士由提前配合模擬手術演練的護士擔任。提前１ｄ由負責手術的專科巡回護士備好術中所需特殊器械，如定制器械、鋼板、螺釘等，器械外包裝上注明手術房間，手術醫(yī)生名字，以避免發(fā)生錯誤。手術當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
優(yōu)勢
３Ｄ打印因其無需模具、快捷、準確的優(yōu)勢成為“第三次工業(yè)革命”的重大標志之一，其獨特的個性化制造能力滿 足了醫(yī)療領域眾多病人差異化的需求，３Ｄ打印結合數字化技術有望在人工假體、 人工組織器官的制造方面發(fā)揮巨大的推動作用。仿真實物模型術前給病人及其家屬進行模擬展示，使病人更加直觀了解病情，便于醫(yī)生解釋手術方案，減輕病人心理負擔，提高病人自信心，有利于建立和諧的醫(yī)患關系。同時，可節(jié)約手術時間，減少術中出血，使病人康復周期明顯縮短，減少并發(fā)癥的發(fā)生， 使病人早日重返日常生活工作中。

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３Ｄ打印的技術發(fā)展。
③３Ｄ打印材料的材質特性與單一性還需改進，例如利用金屬粉末打印假體的生物力學性能目前并不能達到傳統(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胞打印組織器官，并不能實現人體組織器官功能的復雜多樣性。
④目前還不能完全指導手術過程（骨盆髖臼骨折中肌肉的阻擋及神經血管分布等）。

編輯：南極熊
作者：邱 雪，吳荷玉