引用本文： 羅強, 劉德榮, 方欣碩, 梁加利. 3-D打印技術在矯形外科的應用. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 268-271. doi: 10.7507/1002-1892.20140061 復制
過去幾十年，醫學影像學經歷了革命性的發展。多排螺旋CT、MRI、正電子發射計算機斷層顯像（PET）等無創診斷技術的涌現，使影像學診斷更加容易、可靠。依賴于高性能的電腦工作站，CT、MRI影像資料可迅速、簡便地轉化為三維立體圖像，對臨床診斷、術前評估等具有重要意義。如今，影像學資料已完全融入了臨床工作的各個方面，從術前診斷到術中指導，從入院治療到出院評估，從近期隨訪到遠期預后等。
然而，平面顯示的三維圖像并不能給人直觀、立體的感覺，3-D打印技術能很好地解決這個問題。3-D打印技術又稱快速成型技術，是一種基于三維數字模型，應用粉末狀或液體的金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式來構造實物的技術。由于其無需機械加工、裝配及任何模具，可直接根據計算機三維圖形數據“打印”出任何形狀、結構的物品，極大地縮短了產品研發、生產周期，降低了成本。從上世紀90年代開始，經過20余年的迅猛發展，目前3-D打印技術已廣泛應用于工程設計、制造、醫學等領域。在醫學診斷領域，相對于單純的影像學診斷，3-D打印技術的優點顯而易見。醫生可直接在打印的實物模型上進行診斷，制定手術方案，還可根據患者需要設計、制造個性化器械，甚至打印人體器官等。目前，3-D打印技術在顱頜面外科、牙科、骨科手術中已逐步得到應用及發展。本文將綜述近年來3-D打印技術在醫學，尤其是矯形外科領域的應用，并總結其存在的問題及發展方 向。
1 影像學資料
3-D打印的實物質量取決于源影像學資料的質量及后期圖像處理。常用的高質量醫學影像學資料有CT、MRI、PET、單光子發射計算機斷層成像（SPECT）等。相對于軟組織來說，骨組織在CT圖片上具有較高的對比度和清晰度，所以矯形外科一般選擇CT作為3-D打印的源影像學資料。
2 影像數據的后期處理
對于數據的后期處理，需要有高性能的工作站與處理軟件。常用的3-D后期處理工具包括分割工具和可視化工具。前者是基于簡單目標區域的分割，后者是類似表面/體積渲染、最大/最小強度的投影和多平面的改造。目前，這些技術已廣泛應用于CT數據的后期處理，尤其是血管外科、矯形外科、小兒外科的疾病診斷、術前評估及手術方案制定[1-2]。
被分割出來的目標區域經過網格化處理后，整個輪廓由三角體構成[3]。三角體越小、數量越多，模型的表面越光滑，整個模型數據量越大。然后，網格化的數據需用其他計算機輔助軟件進行優化和改動。最后，這些數據傳輸至3-D打印設備進行打印。
3 3-D打印技術
3-D打印技術是將三維數字模型打印出三維實物的一種方法。理論上說，這項技術可以制造出任何復雜形狀的模型。3-D打印技術種類繁多，包括眾多已建立的技術及一些尚處于實驗階段的技術。每項技術均有優缺點，表 1對醫學領域使用的部分3-D打印技術進行了比較。
表1
醫學領域使用的3-D打印技術比較
Table1.
Comparison of 3-D printing techniques
4 3-D打印技術在矯形外科的應用
4.1 制定手術方案
近年來，隨著醫學影像學技術的發展，3-D打印技術逐步被用于制定各種復雜手術的術前計劃及進行手術操作練習，尤其是骨科及顱頜面外科手術應用較多。根據患者術前三維影像學資料，如CT、MRI等，應用3-D打印技術可直接、精確地打印手術區域解剖結構。與三維數字模型相比，3-D打印的實物模型更加直觀。術者可在術前作出更準確診斷，制定更詳細手術方案，評估術中可能存在的風險，并在實物模型上操作、練習，預測手術效果等，從而縮短手術時間，提高手術成功率[4-5]。
早在1999年Petzold等[6]將3-D打印技術應用于小兒顱縫早閉及其他顱頜面畸形患者的術前手術計劃，并取得了良好手術效果。隨后，在顱頜面外科手術術前計劃制定中，3-D打印技術發展迅速，并得到了廣泛應用[7-9]。此外，3-D打印技術也被成功應用于心臟外科[10-12]以及神經外科[13-15]等領域。
Guarino等[16]將3-D打印技術應用于10例小兒脊柱側凸及3例復雜骨盆骨折，結果表明該技術可提高復雜骨盆骨折分類及椎弓根釘植入的準確性，減少醫源性脊髓損傷幾率，并縮短手術時間。Brown等[17]將3-D打印技術應用于117例復雜手術者，包括41例復雜髖臼骨折、35例脊柱疾病、4例長骨畸形愈合、15例復雜腕關節骨折、22例其他關節骨折。他認為在這些打印出來的實物模型上制定術前計劃及手術方案非常有效，還有利于術前復雜性骨折的評估，準確測量所需鋼板、螺釘等內植物的大小，預測其植入位置并進行調整，從而有效避免術中螺釘穿入關節內。3-D打印技術還可顯著減少術中X線透射次數及透射時間。Hurson等[18]通過研究12例髖臼骨折患者，認為采用3-D打印技術制備的髖臼骨折模型有利于對骨折分類，進一步完善術前計劃，此外這些骨折模型還可用于培訓年輕醫生、醫學生及護士。Kacl等[19]將3-D打印技術應用于復雜跟骨骨折的治療，也取得了較好效果。Paiva等[20]將3-D打印技術用于1例頸椎尤文肉瘤患者，他認為該技術有利于制定術前計劃、評估術中風險。Sanghera等[4]研究了3-D打印技術在骨科、牙科及顱頜面外科的應用，他們認為該技術在疾病診斷及手術方案制定方面非常有價值。
4.2 個性化假體制作
3-D打印技術還可應用于骨科假體與內植物的設計及制作，即根據患者實際情況定制個性化、特殊需求的假體及內植物，以滿足解剖及生物力學的需求。目前，標準大小及形狀的假體、鋼板及螺釘等內植物能滿足絕大部分患者臨床需求，但在特殊情況下，如患者所需內植物太大或太小，或由于疾病的特殊性無合適商 業化產品，或需要與個體解剖結構更為貼附的內植物以提高手術效果時，則需要個性化定制假體及內植 物。
戴尅戎等[21]和Sun等[22]分別將3-D打印技術應用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。Harrysson等[23]將3-D打印技術應用于特殊病例半髖假體的設計，有限元分析證實該半髖假體與遠端股骨精確匹配。He等[24]結合有限元模型、計算機輔助技術，利用3-D打印技術制作了與膝關節假體配套的假體托，修復脛骨近端骨腫瘤切除后骨缺損。王臻等[25-26]將3-D打印技術制備的個性化半膝假體應用于脛骨近端腫瘤患者，取得了滿意效果。Kozakiewicz等[27]將3-D打印技術制備的鈦合金內植物應用于眶底骨折固定，也取得了較好效果。
4.3 骨組織工程
在骨組織工程領域，3-D打印技術主要用于制作結構復雜、形狀各異的組織工程支架[28-30]，甚至打印組織工程人體器官[31-32]。根據醫學影像學及計算機輔助技術設計的支架，通過3-D打印后可滿足患者個體化需求。輔以微米、納米技術，可根據需要設定特定的孔隙率、交聯，顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合等[33]。
此外，3-D打印技術可根據需要控制支架孔隙率以滿足某些特殊要求。Zein等[34]用3-D打印技術制備了蜂窩狀聚己內酯（polycaprolactone，PCL）支架，孔隙直徑保持在160～770 μm。Samar等[35]成功應用3-D打印技術制備抗張力與松質骨相似的聚丙烯-磷酸三鈣支架。還有研究將人BMSCs種植于3-D打印的PCL支架上，結果表明細胞在支架表面和孔隙內生長、分化良好[36]。
5 問題與不足
3-D打印技術是一項革命性技術，其顛覆了傳統制造業模式及醫療模式。在醫學領域，其優點顯而易見。它可以直接將三維數字模型打印為更直觀、立體的實物模型，有利于醫生在個體化模型上進行診斷、針對性操作練習等。然而，3-D打印技術并非是用來解決醫學模型問題，它只是恰好能解決一些醫學模型問題。迄今為止，3-D打印技術不是一個理想的骨科模型解決方案。它存在以下問題：① 費用問題。費用與很多因素相關，如3-D打印設備的購置、運行，打印材料及專業人員相關費用。目前，3-D打印設備及其運行費用高昂，同時有些打印材料費用也很昂貴。而且，由于3-D打印出來的都是個性化模型及內植物或假體，不可能通過大批量生產來降低成本。據報道，打印1個頭顱模型需花費1 500～2 000美元，1個用于頭顱成形術的聚甲基丙烯酸甲酯水泥內植物需300～400美元[37]。隨著此項技術的商業化及廣泛推廣，相信費用會逐漸降低。Brown等[17]報道打印蠟制的模型僅花費50～100美元。② 3-D打印技術對打印材料要求較高，因此必須選擇合適材料。目前醫學常用的3-D打印材料包括金屬、陶瓷、高分子材料、骨水泥等，選擇有限。因該技術是將原材料逐層打印，然后黏合在一起，所以打印出來的大部分實物模型機械強度差、很脆，無法適應高強度長期使用。此外，作為臨床應用的3-D打印模型，其材料必須具有生物相容性、可降解性，而目前很多材料不能滿足這些要求。因此，開發能夠適合醫學應用的3-D打印材料是當務之急。③ 雖然3-D打印技術是一種快速成型技術，然而從影像學資料的建立到實物模型打印及個性化假體與內植物的制造，整個過程耗時較長。根據打印技術的不同及模型大小、復雜與精細程度，整個過程耗時少則數小時，多則數天。這限制了3-D打印技術在臨床的使用，尤其是一些復雜的急診手術。④ 雖然3-D打印技術已被引入很多醫院用于提高疾病的診斷及治療質量，但其在醫院的使用仍受到諸多條件限制。3-D打印是一個多學科合作領域，需要生物工程、生物材料、影像學處理等領域的專業人士合作，這些人力資源一般醫院往往并不具備。另外，對于簡單病例，常規診斷及治療方法已足夠；對于復雜病例，相對于傳統影像學診斷方法，目前為止3-D打印技術尚未顯示出革命性優勢。這也限制了該技術在醫學領域的廣泛推廣和使用。
目前3-D打印技術雖存在上述問題與不足，但隨著各項技術的發展、相關專業人員的培訓，在未來的臨床工作中，尤其是矯形外科疾病診療中，3-D打印技術勢必會發揮越來越大的作用。
過去幾十年，醫學影像學經歷了革命性的發展。多排螺旋CT、MRI、正電子發射計算機斷層顯像（PET）等無創診斷技術的涌現，使影像學診斷更加容易、可靠。依賴于高性能的電腦工作站，CT、MRI影像資料可迅速、簡便地轉化為三維立體圖像，對臨床診斷、術前評估等具有重要意義。如今，影像學資料已完全融入了臨床工作的各個方面，從術前診斷到術中指導，從入院治療到出院評估，從近期隨訪到遠期預后等。
然而，平面顯示的三維圖像并不能給人直觀、立體的感覺，3-D打印技術能很好地解決這個問題。3-D打印技術又稱快速成型技術，是一種基于三維數字模型，應用粉末狀或液體的金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式來構造實物的技術。由于其無需機械加工、裝配及任何模具，可直接根據計算機三維圖形數據“打印”出任何形狀、結構的物品，極大地縮短了產品研發、生產周期，降低了成本。從上世紀90年代開始，經過20余年的迅猛發展，目前3-D打印技術已廣泛應用于工程設計、制造、醫學等領域。在醫學診斷領域，相對于單純的影像學診斷，3-D打印技術的優點顯而易見。醫生可直接在打印的實物模型上進行診斷，制定手術方案，還可根據患者需要設計、制造個性化器械，甚至打印人體器官等。目前，3-D打印技術在顱頜面外科、牙科、骨科手術中已逐步得到應用及發展。本文將綜述近年來3-D打印技術在醫學，尤其是矯形外科領域的應用，并總結其存在的問題及發展方 向。
1 影像學資料
3-D打印的實物質量取決于源影像學資料的質量及后期圖像處理。常用的高質量醫學影像學資料有CT、MRI、PET、單光子發射計算機斷層成像（SPECT）等。相對于軟組織來說，骨組織在CT圖片上具有較高的對比度和清晰度，所以矯形外科一般選擇CT作為3-D打印的源影像學資料。
2 影像數據的后期處理
對于數據的后期處理，需要有高性能的工作站與處理軟件。常用的3-D后期處理工具包括分割工具和可視化工具。前者是基于簡單目標區域的分割，后者是類似表面/體積渲染、最大/最小強度的投影和多平面的改造。目前，這些技術已廣泛應用于CT數據的后期處理，尤其是血管外科、矯形外科、小兒外科的疾病診斷、術前評估及手術方案制定[1-2]。
被分割出來的目標區域經過網格化處理后，整個輪廓由三角體構成[3]。三角體越小、數量越多，模型的表面越光滑，整個模型數據量越大。然后，網格化的數據需用其他計算機輔助軟件進行優化和改動。最后，這些數據傳輸至3-D打印設備進行打印。
3 3-D打印技術
3-D打印技術是將三維數字模型打印出三維實物的一種方法。理論上說，這項技術可以制造出任何復雜形狀的模型。3-D打印技術種類繁多，包括眾多已建立的技術及一些尚處于實驗階段的技術。每項技術均有優缺點，表 1對醫學領域使用的部分3-D打印技術進行了比較。
表1
醫學領域使用的3-D打印技術比較
Table1.
Comparison of 3-D printing techniques
4 3-D打印技術在矯形外科的應用
4.1 制定手術方案
近年來，隨著醫學影像學技術的發展，3-D打印技術逐步被用于制定各種復雜手術的術前計劃及進行手術操作練習，尤其是骨科及顱頜面外科手術應用較多。根據患者術前三維影像學資料，如CT、MRI等，應用3-D打印技術可直接、精確地打印手術區域解剖結構。與三維數字模型相比，3-D打印的實物模型更加直觀。術者可在術前作出更準確診斷，制定更詳細手術方案，評估術中可能存在的風險，并在實物模型上操作、練習，預測手術效果等，從而縮短手術時間，提高手術成功率[4-5]。
早在1999年Petzold等[6]將3-D打印技術應用于小兒顱縫早閉及其他顱頜面畸形患者的術前手術計劃，并取得了良好手術效果。隨后，在顱頜面外科手術術前計劃制定中，3-D打印技術發展迅速，并得到了廣泛應用[7-9]。此外，3-D打印技術也被成功應用于心臟外科[10-12]以及神經外科[13-15]等領域。
Guarino等[16]將3-D打印技術應用于10例小兒脊柱側凸及3例復雜骨盆骨折，結果表明該技術可提高復雜骨盆骨折分類及椎弓根釘植入的準確性，減少醫源性脊髓損傷幾率，并縮短手術時間。Brown等[17]將3-D打印技術應用于117例復雜手術者，包括41例復雜髖臼骨折、35例脊柱疾病、4例長骨畸形愈合、15例復雜腕關節骨折、22例其他關節骨折。他認為在這些打印出來的實物模型上制定術前計劃及手術方案非常有效，還有利于術前復雜性骨折的評估，準確測量所需鋼板、螺釘等內植物的大小，預測其植入位置并進行調整，從而有效避免術中螺釘穿入關節內。3-D打印技術還可顯著減少術中X線透射次數及透射時間。Hurson等[18]通過研究12例髖臼骨折患者，認為采用3-D打印技術制備的髖臼骨折模型有利于對骨折分類，進一步完善術前計劃，此外這些骨折模型還可用于培訓年輕醫生、醫學生及護士。Kacl等[19]將3-D打印技術應用于復雜跟骨骨折的治療，也取得了較好效果。Paiva等[20]將3-D打印技術用于1例頸椎尤文肉瘤患者，他認為該技術有利于制定術前計劃、評估術中風險。Sanghera等[4]研究了3-D打印技術在骨科、牙科及顱頜面外科的應用，他們認為該技術在疾病診斷及手術方案制定方面非常有價值。
4.2 個性化假體制作
3-D打印技術還可應用于骨科假體與內植物的設計及制作，即根據患者實際情況定制個性化、特殊需求的假體及內植物，以滿足解剖及生物力學的需求。目前，標準大小及形狀的假體、鋼板及螺釘等內植物能滿足絕大部分患者臨床需求，但在特殊情況下，如患者所需內植物太大或太小，或由于疾病的特殊性無合適商 業化產品，或需要與個體解剖結構更為貼附的內植物以提高手術效果時，則需要個性化定制假體及內植 物。
戴尅戎等[21]和Sun等[22]分別將3-D打印技術應用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。Harrysson等[23]將3-D打印技術應用于特殊病例半髖假體的設計，有限元分析證實該半髖假體與遠端股骨精確匹配。He等[24]結合有限元模型、計算機輔助技術，利用3-D打印技術制作了與膝關節假體配套的假體托，修復脛骨近端骨腫瘤切除后骨缺損。王臻等[25-26]將3-D打印技術制備的個性化半膝假體應用于脛骨近端腫瘤患者，取得了滿意效果。Kozakiewicz等[27]將3-D打印技術制備的鈦合金內植物應用于眶底骨折固定，也取得了較好效果。
4.3 骨組織工程
在骨組織工程領域，3-D打印技術主要用于制作結構復雜、形狀各異的組織工程支架[28-30]，甚至打印組織工程人體器官[31-32]。根據醫學影像學及計算機輔助技術設計的支架，通過3-D打印后可滿足患者個體化需求。輔以微米、納米技術，可根據需要設定特定的孔隙率、交聯，顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合等[33]。
此外，3-D打印技術可根據需要控制支架孔隙率以滿足某些特殊要求。Zein等[34]用3-D打印技術制備了蜂窩狀聚己內酯（polycaprolactone，PCL）支架，孔隙直徑保持在160～770 μm。Samar等[35]成功應用3-D打印技術制備抗張力與松質骨相似的聚丙烯-磷酸三鈣支架。還有研究將人BMSCs種植于3-D打印的PCL支架上，結果表明細胞在支架表面和孔隙內生長、分化良好[36]。
5 問題與不足
3-D打印技術是一項革命性技術，其顛覆了傳統制造業模式及醫療模式。在醫學領域，其優點顯而易見。它可以直接將三維數字模型打印為更直觀、立體的實物模型，有利于醫生在個體化模型上進行診斷、針對性操作練習等。然而，3-D打印技術并非是用來解決醫學模型問題，它只是恰好能解決一些醫學模型問題。迄今為止，3-D打印技術不是一個理想的骨科模型解決方案。它存在以下問題：① 費用問題。費用與很多因素相關，如3-D打印設備的購置、運行，打印材料及專業人員相關費用。目前，3-D打印設備及其運行費用高昂，同時有些打印材料費用也很昂貴。而且，由于3-D打印出來的都是個性化模型及內植物或假體，不可能通過大批量生產來降低成本。據報道，打印1個頭顱模型需花費1 500～2 000美元，1個用于頭顱成形術的聚甲基丙烯酸甲酯水泥內植物需300～400美元[37]。隨著此項技術的商業化及廣泛推廣，相信費用會逐漸降低。Brown等[17]報道打印蠟制的模型僅花費50～100美元。② 3-D打印技術對打印材料要求較高，因此必須選擇合適材料。目前醫學常用的3-D打印材料包括金屬、陶瓷、高分子材料、骨水泥等，選擇有限。因該技術是將原材料逐層打印，然后黏合在一起，所以打印出來的大部分實物模型機械強度差、很脆，無法適應高強度長期使用。此外，作為臨床應用的3-D打印模型，其材料必須具有生物相容性、可降解性，而目前很多材料不能滿足這些要求。因此，開發能夠適合醫學應用的3-D打印材料是當務之急。③ 雖然3-D打印技術是一種快速成型技術，然而從影像學資料的建立到實物模型打印及個性化假體與內植物的制造，整個過程耗時較長。根據打印技術的不同及模型大小、復雜與精細程度，整個過程耗時少則數小時，多則數天。這限制了3-D打印技術在臨床的使用，尤其是一些復雜的急診手術。④ 雖然3-D打印技術已被引入很多醫院用于提高疾病的診斷及治療質量，但其在醫院的使用仍受到諸多條件限制。3-D打印是一個多學科合作領域，需要生物工程、生物材料、影像學處理等領域的專業人士合作，這些人力資源一般醫院往往并不具備。另外，對于簡單病例，常規診斷及治療方法已足夠；對于復雜病例，相對于傳統影像學診斷方法，目前為止3-D打印技術尚未顯示出革命性優勢。這也限制了該技術在醫學領域的廣泛推廣和使用。
目前3-D打印技術雖存在上述問題與不足，但隨著各項技術的發展、相關專業人員的培訓，在未來的臨床工作中，尤其是矯形外科疾病診療中，3-D打印技術勢必會發揮越來越大的作用。
