引用本文： 罗强, 刘德荣, 方欣硕, 梁加利. 3-D打印技术在矫形外科的应用. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(3): 268-271. doi: 10.7507/1002-1892.20140061 复制
过去几十年，医学影像学经历了革命性的发展。多排螺旋CT、MRI、正电子发射计算机断层显像（PET）等无创诊断技术的涌现，使影像学诊断更加容易、可靠。依赖于高性能的电脑工作站，CT、MRI影像资料可迅速、简便地转化为三维立体图像，对临床诊断、术前评估等具有重要意义。如今，影像学资料已完全融入了临床工作的各个方面，从术前诊断到术中指导，从入院治疗到出院评估，从近期随访到远期预后等。
然而，平面显示的三维图像并不能给人直观、立体的感觉，3-D打印技术能很好地解决这个问题。3-D打印技术又称快速成型技术，是一种基于三维数字模型，应用粉末状或液体的金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造实物的技术。由于其无需机械加工、装配及任何模具，可直接根据计算机三维图形数据“打印”出任何形状、结构的物品，极大地缩短了产品研发、生产周期，降低了成本。从上世纪90年代开始，经过20余年的迅猛发展，目前3-D打印技术已广泛应用于工程设计、制造、医学等领域。在医学诊断领域，相对于单纯的影像学诊断，3-D打印技术的优点显而易见。医生可直接在打印的实物模型上进行诊断，制定手术方案，还可根据患者需要设计、制造个性化器械，甚至打印人体器官等。目前，3-D打印技术在颅颌面外科、牙科、骨科手术中已逐步得到应用及发展。本文将综述近年来3-D打印技术在医学，尤其是矫形外科领域的应用，并总结其存在的问题及发展方 向。
1 影像学资料
3-D打印的实物质量取决于源影像学资料的质量及后期图像处理。常用的高质量医学影像学资料有CT、MRI、PET、单光子发射计算机断层成像（SPECT）等。相对于软组织来说，骨组织在CT图片上具有较高的对比度和清晰度，所以矫形外科一般选择CT作为3-D打印的源影像学资料。
2 影像数据的后期处理
对于数据的后期处理，需要有高性能的工作站与处理软件。常用的3-D后期处理工具包括分割工具和可视化工具。前者是基于简单目标区域的分割，后者是类似表面/体积渲染、最大/最小强度的投影和多平面的改造。目前，这些技术已广泛应用于CT数据的后期处理，尤其是血管外科、矫形外科、小儿外科的疾病诊断、术前评估及手术方案制定[1-2]。
被分割出来的目标区域经过网格化处理后，整个轮廓由三角体构成[3]。三角体越小、数量越多，模型的表面越光滑，整个模型数据量越大。然后，网格化的数据需用其他计算机辅助软件进行优化和改动。最后，这些数据传输至3-D打印设备进行打印。
3 3-D打印技术
3-D打印技术是将三维数字模型打印出三维实物的一种方法。理论上说，这项技术可以制造出任何复杂形状的模型。3-D打印技术种类繁多，包括众多已建立的技术及一些尚处于实验阶段的技术。每项技术均有优缺点，表 1对医学领域使用的部分3-D打印技术进行了比较。
表1
医学领域使用的3-D打印技术比较
Table1.
Comparison of 3-D printing techniques
4 3-D打印技术在矫形外科的应用
4.1 制定手术方案
近年来，随着医学影像学技术的发展，3-D打印技术逐步被用于制定各种复杂手术的术前计划及进行手术操作练习，尤其是骨科及颅颌面外科手术应用较多。根据患者术前三维影像学资料，如CT、MRI等，应用3-D打印技术可直接、精确地打印手术区域解剖结构。与三维数字模型相比，3-D打印的实物模型更加直观。术者可在术前作出更准确诊断，制定更详细手术方案，评估术中可能存在的风险，并在实物模型上操作、练习，预测手术效果等，从而缩短手术时间，提高手术成功率[4-5]。
早在1999年Petzold等[6]将3-D打印技术应用于小儿颅缝早闭及其他颅颌面畸形患者的术前手术计划，并取得了良好手术效果。随后，在颅颌面外科手术术前计划制定中，3-D打印技术发展迅速，并得到了广泛应用[7-9]。此外，3-D打印技术也被成功应用于心脏外科[10-12]以及神经外科[13-15]等领域。
Guarino等[16]将3-D打印技术应用于10例小儿脊柱侧凸及3例复杂骨盆骨折，结果表明该技术可提高复杂骨盆骨折分类及椎弓根钉植入的准确性，减少医源性脊髓损伤几率，并缩短手术时间。Brown等[17]将3-D打印技术应用于117例复杂手术者，包括41例复杂髋臼骨折、35例脊柱疾病、4例长骨畸形愈合、15例复杂腕关节骨折、22例其他关节骨折。他认为在这些打印出来的实物模型上制定术前计划及手术方案非常有效，还有利于术前复杂性骨折的评估，准确测量所需钢板、螺钉等内植物的大小，预测其植入位置并进行调整，从而有效避免术中螺钉穿入关节内。3-D打印技术还可显著减少术中X线透射次数及透射时间。Hurson等[18]通过研究12例髋臼骨折患者，认为采用3-D打印技术制备的髋臼骨折模型有利于对骨折分类，进一步完善术前计划，此外这些骨折模型还可用于培训年轻医生、医学生及护士。Kacl等[19]将3-D打印技术应用于复杂跟骨骨折的治疗，也取得了较好效果。Paiva等[20]将3-D打印技术用于1例颈椎尤文肉瘤患者，他认为该技术有利于制定术前计划、评估术中风险。Sanghera等[4]研究了3-D打印技术在骨科、牙科及颅颌面外科的应用，他们认为该技术在疾病诊断及手术方案制定方面非常有价值。
4.2 个性化假体制作
3-D打印技术还可应用于骨科假体与内植物的设计及制作，即根据患者实际情况定制个性化、特殊需求的假体及内植物，以满足解剖及生物力学的需求。目前，标准大小及形状的假体、钢板及螺钉等内植物能满足绝大部分患者临床需求，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 物。
戴尅戎等[21]和Sun等[22]分别将3-D打印技术应用于骨盆肿瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意临床效果。Harrysson等[23]将3-D打印技术应用于特殊病例半髋假体的设计，有限元分析证实该半髋假体与远端股骨精确匹配。He等[24]结合有限元模型、计算机辅助技术，利用3-D打印技术制作了与膝关节假体配套的假体托，修复胫骨近端骨肿瘤切除后骨缺损。王臻等[25-26]将3-D打印技术制备的个性化半膝假体应用于胫骨近端肿瘤患者，取得了满意效果。Kozakiewicz等[27]将3-D打印技术制备的钛合金内植物应用于眶底骨折固定，也取得了较好效果。
4.3 骨组织工程
在骨组织工程领域，3-D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[28-30]，甚至打印组织工程人体器官[31-32]。根据医学影像学及计算机辅助技术设计的支架，通过3-D打印后可满足患者个体化需求。辅以微米、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等[33]。
此外，3-D打印技术可根据需要控制支架孔隙率以满足某些特殊要求。Zein等[34]用3-D打印技术制备了蜂窝状聚己内酯（polycaprolactone，PCL）支架，孔隙直径保持在160～770 μm。Samar等[35]成功应用3-D打印技术制备抗张力与松质骨相似的聚丙烯-磷酸三钙支架。还有研究将人BMSCs种植于3-D打印的PCL支架上，结果表明细胞在支架表面和孔隙内生长、分化良好[36]。
5 问题与不足
3-D打印技术是一项革命性技术，其颠覆了传统制造业模式及医疗模式。在医学领域，其优点显而易见。它可以直接将三维数字模型打印为更直观、立体的实物模型，有利于医生在个体化模型上进行诊断、针对性操作练习等。然而，3-D打印技术并非是用来解决医学模型问题，它只是恰好能解决一些医学模型问题。迄今为止，3-D打印技术不是一个理想的骨科模型解决方案。它存在以下问题：① 费用问题。费用与很多因素相关，如3-D打印设备的购置、运行，打印材料及专业人员相关费用。目前，3-D打印设备及其运行费用高昂，同时有些打印材料费用也很昂贵。而且，由于3-D打印出来的都是个性化模型及内植物或假体，不可能通过大批量生产来降低成本。据报道，打印1个头颅模型需花费1 500～2 000美元，1个用于头颅成形术的聚甲基丙烯酸甲酯水泥内植物需300～400美元[37]。随着此项技术的商业化及广泛推广，相信费用会逐渐降低。Brown等[17]报道打印蜡制的模型仅花费50～100美元。② 3-D打印技术对打印材料要求较高，因此必须选择合适材料。目前医学常用的3-D打印材料包括金属、陶瓷、高分子材料、骨水泥等，选择有限。因该技术是将原材料逐层打印，然后黏合在一起，所以打印出来的大部分实物模型机械强度差、很脆，无法适应高强度长期使用。此外，作为临床应用的3-D打印模型，其材料必须具有生物相容性、可降解性，而目前很多材料不能满足这些要求。因此，开发能够适合医学应用的3-D打印材料是当务之急。③ 虽然3-D打印技术是一种快速成型技术，然而从影像学资料的建立到实物模型打印及个性化假体与内植物的制造，整个过程耗时较长。根据打印技术的不同及模型大小、复杂与精细程度，整个过程耗时少则数小时，多则数天。这限制了3-D打印技术在临床的使用，尤其是一些复杂的急诊手术。④ 虽然3-D打印技术已被引入很多医院用于提高疾病的诊断及治疗质量，但其在医院的使用仍受到诸多条件限制。3-D打印是一个多学科合作领域，需要生物工程、生物材料、影像学处理等领域的专业人士合作，这些人力资源一般医院往往并不具备。另外，对于简单病例，常规诊断及治疗方法已足够；对于复杂病例，相对于传统影像学诊断方法，目前为止3-D打印技术尚未显示出革命性优势。这也限制了该技术在医学领域的广泛推广和使用。
目前3-D打印技术虽存在上述问题与不足，但随着各项技术的发展、相关专业人员的培训，在未来的临床工作中，尤其是矫形外科疾病诊疗中，3-D打印技术势必会发挥越来越大的作用。
过去几十年，医学影像学经历了革命性的发展。多排螺旋CT、MRI、正电子发射计算机断层显像（PET）等无创诊断技术的涌现，使影像学诊断更加容易、可靠。依赖于高性能的电脑工作站，CT、MRI影像资料可迅速、简便地转化为三维立体图像，对临床诊断、术前评估等具有重要意义。如今，影像学资料已完全融入了临床工作的各个方面，从术前诊断到术中指导，从入院治疗到出院评估，从近期随访到远期预后等。
然而，平面显示的三维图像并不能给人直观、立体的感觉，3-D打印技术能很好地解决这个问题。3-D打印技术又称快速成型技术，是一种基于三维数字模型，应用粉末状或液体的金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造实物的技术。由于其无需机械加工、装配及任何模具，可直接根据计算机三维图形数据“打印”出任何形状、结构的物品，极大地缩短了产品研发、生产周期，降低了成本。从上世纪90年代开始，经过20余年的迅猛发展，目前3-D打印技术已广泛应用于工程设计、制造、医学等领域。在医学诊断领域，相对于单纯的影像学诊断，3-D打印技术的优点显而易见。医生可直接在打印的实物模型上进行诊断，制定手术方案，还可根据患者需要设计、制造个性化器械，甚至打印人体器官等。目前，3-D打印技术在颅颌面外科、牙科、骨科手术中已逐步得到应用及发展。本文将综述近年来3-D打印技术在医学，尤其是矫形外科领域的应用，并总结其存在的问题及发展方 向。
1 影像学资料
3-D打印的实物质量取决于源影像学资料的质量及后期图像处理。常用的高质量医学影像学资料有CT、MRI、PET、单光子发射计算机断层成像（SPECT）等。相对于软组织来说，骨组织在CT图片上具有较高的对比度和清晰度，所以矫形外科一般选择CT作为3-D打印的源影像学资料。
2 影像数据的后期处理
对于数据的后期处理，需要有高性能的工作站与处理软件。常用的3-D后期处理工具包括分割工具和可视化工具。前者是基于简单目标区域的分割，后者是类似表面/体积渲染、最大/最小强度的投影和多平面的改造。目前，这些技术已广泛应用于CT数据的后期处理，尤其是血管外科、矫形外科、小儿外科的疾病诊断、术前评估及手术方案制定[1-2]。
被分割出来的目标区域经过网格化处理后，整个轮廓由三角体构成[3]。三角体越小、数量越多，模型的表面越光滑，整个模型数据量越大。然后，网格化的数据需用其他计算机辅助软件进行优化和改动。最后，这些数据传输至3-D打印设备进行打印。
3 3-D打印技术
3-D打印技术是将三维数字模型打印出三维实物的一种方法。理论上说，这项技术可以制造出任何复杂形状的模型。3-D打印技术种类繁多，包括众多已建立的技术及一些尚处于实验阶段的技术。每项技术均有优缺点，表 1对医学领域使用的部分3-D打印技术进行了比较。
表1
医学领域使用的3-D打印技术比较
Table1.
Comparison of 3-D printing techniques
4 3-D打印技术在矫形外科的应用
4.1 制定手术方案
近年来，随着医学影像学技术的发展，3-D打印技术逐步被用于制定各种复杂手术的术前计划及进行手术操作练习，尤其是骨科及颅颌面外科手术应用较多。根据患者术前三维影像学资料，如CT、MRI等，应用3-D打印技术可直接、精确地打印手术区域解剖结构。与三维数字模型相比，3-D打印的实物模型更加直观。术者可在术前作出更准确诊断，制定更详细手术方案，评估术中可能存在的风险，并在实物模型上操作、练习，预测手术效果等，从而缩短手术时间，提高手术成功率[4-5]。
早在1999年Petzold等[6]将3-D打印技术应用于小儿颅缝早闭及其他颅颌面畸形患者的术前手术计划，并取得了良好手术效果。随后，在颅颌面外科手术术前计划制定中，3-D打印技术发展迅速，并得到了广泛应用[7-9]。此外，3-D打印技术也被成功应用于心脏外科[10-12]以及神经外科[13-15]等领域。
Guarino等[16]将3-D打印技术应用于10例小儿脊柱侧凸及3例复杂骨盆骨折，结果表明该技术可提高复杂骨盆骨折分类及椎弓根钉植入的准确性，减少医源性脊髓损伤几率，并缩短手术时间。Brown等[17]将3-D打印技术应用于117例复杂手术者，包括41例复杂髋臼骨折、35例脊柱疾病、4例长骨畸形愈合、15例复杂腕关节骨折、22例其他关节骨折。他认为在这些打印出来的实物模型上制定术前计划及手术方案非常有效，还有利于术前复杂性骨折的评估，准确测量所需钢板、螺钉等内植物的大小，预测其植入位置并进行调整，从而有效避免术中螺钉穿入关节内。3-D打印技术还可显著减少术中X线透射次数及透射时间。Hurson等[18]通过研究12例髋臼骨折患者，认为采用3-D打印技术制备的髋臼骨折模型有利于对骨折分类，进一步完善术前计划，此外这些骨折模型还可用于培训年轻医生、医学生及护士。Kacl等[19]将3-D打印技术应用于复杂跟骨骨折的治疗，也取得了较好效果。Paiva等[20]将3-D打印技术用于1例颈椎尤文肉瘤患者，他认为该技术有利于制定术前计划、评估术中风险。Sanghera等[4]研究了3-D打印技术在骨科、牙科及颅颌面外科的应用，他们认为该技术在疾病诊断及手术方案制定方面非常有价值。
4.2 个性化假体制作
3-D打印技术还可应用于骨科假体与内植物的设计及制作，即根据患者实际情况定制个性化、特殊需求的假体及内植物，以满足解剖及生物力学的需求。目前，标准大小及形状的假体、钢板及螺钉等内植物能满足绝大部分患者临床需求，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 物。
戴尅戎等[21]和Sun等[22]分别将3-D打印技术应用于骨盆肿瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意临床效果。Harrysson等[23]将3-D打印技术应用于特殊病例半髋假体的设计，有限元分析证实该半髋假体与远端股骨精确匹配。He等[24]结合有限元模型、计算机辅助技术，利用3-D打印技术制作了与膝关节假体配套的假体托，修复胫骨近端骨肿瘤切除后骨缺损。王臻等[25-26]将3-D打印技术制备的个性化半膝假体应用于胫骨近端肿瘤患者，取得了满意效果。Kozakiewicz等[27]将3-D打印技术制备的钛合金内植物应用于眶底骨折固定，也取得了较好效果。
4.3 骨组织工程
在骨组织工程领域，3-D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[28-30]，甚至打印组织工程人体器官[31-32]。根据医学影像学及计算机辅助技术设计的支架，通过3-D打印后可满足患者个体化需求。辅以微米、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等[33]。
此外，3-D打印技术可根据需要控制支架孔隙率以满足某些特殊要求。Zein等[34]用3-D打印技术制备了蜂窝状聚己内酯（polycaprolactone，PCL）支架，孔隙直径保持在160～770 μm。Samar等[35]成功应用3-D打印技术制备抗张力与松质骨相似的聚丙烯-磷酸三钙支架。还有研究将人BMSCs种植于3-D打印的PCL支架上，结果表明细胞在支架表面和孔隙内生长、分化良好[36]。
5 问题与不足
3-D打印技术是一项革命性技术，其颠覆了传统制造业模式及医疗模式。在医学领域，其优点显而易见。它可以直接将三维数字模型打印为更直观、立体的实物模型，有利于医生在个体化模型上进行诊断、针对性操作练习等。然而，3-D打印技术并非是用来解决医学模型问题，它只是恰好能解决一些医学模型问题。迄今为止，3-D打印技术不是一个理想的骨科模型解决方案。它存在以下问题：① 费用问题。费用与很多因素相关，如3-D打印设备的购置、运行，打印材料及专业人员相关费用。目前，3-D打印设备及其运行费用高昂，同时有些打印材料费用也很昂贵。而且，由于3-D打印出来的都是个性化模型及内植物或假体，不可能通过大批量生产来降低成本。据报道，打印1个头颅模型需花费1 500～2 000美元，1个用于头颅成形术的聚甲基丙烯酸甲酯水泥内植物需300～400美元[37]。随着此项技术的商业化及广泛推广，相信费用会逐渐降低。Brown等[17]报道打印蜡制的模型仅花费50～100美元。② 3-D打印技术对打印材料要求较高，因此必须选择合适材料。目前医学常用的3-D打印材料包括金属、陶瓷、高分子材料、骨水泥等，选择有限。因该技术是将原材料逐层打印，然后黏合在一起，所以打印出来的大部分实物模型机械强度差、很脆，无法适应高强度长期使用。此外，作为临床应用的3-D打印模型，其材料必须具有生物相容性、可降解性，而目前很多材料不能满足这些要求。因此，开发能够适合医学应用的3-D打印材料是当务之急。③ 虽然3-D打印技术是一种快速成型技术，然而从影像学资料的建立到实物模型打印及个性化假体与内植物的制造，整个过程耗时较长。根据打印技术的不同及模型大小、复杂与精细程度，整个过程耗时少则数小时，多则数天。这限制了3-D打印技术在临床的使用，尤其是一些复杂的急诊手术。④ 虽然3-D打印技术已被引入很多医院用于提高疾病的诊断及治疗质量，但其在医院的使用仍受到诸多条件限制。3-D打印是一个多学科合作领域，需要生物工程、生物材料、影像学处理等领域的专业人士合作，这些人力资源一般医院往往并不具备。另外，对于简单病例，常规诊断及治疗方法已足够；对于复杂病例，相对于传统影像学诊断方法，目前为止3-D打印技术尚未显示出革命性优势。这也限制了该技术在医学领域的广泛推广和使用。
目前3-D打印技术虽存在上述问题与不足，但随着各项技术的发展、相关专业人员的培训，在未来的临床工作中，尤其是矫形外科疾病诊疗中，3-D打印技术势必会发挥越来越大的作用。
