1、快速成型制造个体化金属植入物在骨科应用的展望【摘要】 针对骨病、骨肿瘤，最理想的治疗方法是根据患者病骨的几何解剖状态，专门设计制定个体化治疗方案，个体化治疗中涉及到个体化植入物的应用。现存的金属植入物缺乏个体匹配性。基于反求工程和快速成形技术直接制造的个体化金属植入物，解决了目前个体化植入物翻模制造、周期较长的问题。采用新型材料作为原材料直接成型出个体化金属植入物将是快速成形技术在骨科应用的发展方向。 【关键词】 快速成型; 个体化; 金属植入物Abstract:The ideal treatment of osteonosus and bone tumor is individualized
2、 treatment with individualized implants on the basis of patients geometrical anatomic condition. Traditional metal implants are lack of individual matching. The new individualized metal implant is based on reverse engineering and rapid prototyping technique, and has solved the problems of long perio
3、d manufactural procedure in the traditional technique. New type of material is applied for rapid prototyping directly.It would be the developing tendency in orthopedic application.Key words：rapid prototyping; individualized; metal implant随着骨缺损、骨肿瘤病例的增多，金属植入物被更广泛地应用于骨科临床，由于人骨骼的不规则性，常常遇到植入物与患区骨骼不匹配，须临
4、时对植入物进行塑型、拼对，这对植入物造成了磨损，且塑型的植入物难以获得满意的形状，仍与患区匹配不佳，同时延长了手术时间，从而影响了手术效果。若术前能针对不同的患者定制手术所需金属植入物，不仅使植入物与患区获得良好的匹配，而且缩短了手术时间。针对骨病、骨肿瘤，最理想的治疗方法是根据患者病骨的几何解剖状态，专门设计制定个性化治疗方案，个体化治疗中涉及到个体化植入物的应用。从生物医学工程的角度植入物须满足：(1)足够的机械强度，以承受机体的自重和运动时的冲击;(2)个体匹配性，以与缺损部位和周围的组织相匹配;(3)具有良好生物组织相容性1、2。然而，现存的金属植入物缺乏个体匹配性。随着材料学和计算机
5、辅助工程学的迅速发展，植入物的加工工艺越来越精细，并使得个体化的设计、制造普及成为可能。1 计算机辅助设计个体化金属植入物1.1 患区骨骼的三维重建CT 薄层扫描患处，准确提取人体骨骼断层截面数据，即骨的断层横截面图像。由于各层图像既包含骨的轮廓，又包含软骨和其他组织的图案，因此，必须采取合理的图像处理技术对各层图像进行二值化处理，以便获得骨横截面的清晰图案，然后进一步获得骨骼的轮廓图像，最后通过矢量化(离散化)处理获得骨骼轮廓的矢量图形文件。将数据导入医学专用影像处理软件进行处理，利用阈值分割和区域增长功能去除软组织，得到清晰的人体骨骼三维图像。重建的三维图像与实物原形十分接近，杨连平等3报
6、道三维 CT 影像测量精确性高、可重复性好，三维图像与原型的测量差值为 0.150.27 mm。三维图像的精确度取决于 CT 扫描的断层厚度，层厚大于 2 mm 图像会出现伪影，造成三维建模失真;层厚越小，三维模型越接近于真实原形。三维解剖学建模应用于临床可准确测定人体骨骼病变部位的范围及大小，有助于诊断、治疗及教学科研的直观便捷;同时也方便医患交流以及远程诊疗，此技术已越来越多地应用于多个学科的疾病诊断与治疗中4。1.2 个体化手术方案的制订骨科医生往往依靠 X 线片或 CT 片等制定手术计划，而缺乏术前手术设计，不能很好地估计手术中遇到的问题，计算机辅助手术设计模拟系统的发展，为解决此问题
7、创造了有利条件。将 CT 获取的人体断层图像数据导入计算机软件，可以绘制出一个容易操作的三维地图，在这地图上集中了手术时所能观察到的形态信息、手术预定部位的范围及随手术过程而发生的形态变化的预后图。计算机模拟手术技术是通过人工交互的方式将待移动模块逐步移动到适当的位置，按照已知软、硬组织移动比例关系修改软硬组织的边界形状。在三维解剖数据模型上实现模拟手术操作如三维截骨，手术部位及切口方向可任意选择逐层“切开”并三维显示。术前医生通过三维重构图像了解手术部位及邻近区域的解剖结构，预先模拟手术过程，对可能遇到的问题，事先考虑补救方法和预防措施，并通过不同手术方案的模拟比较各种方案的优劣，找出较好方
8、案;通过体外模拟仿真操作以确定手术方案的正确性5。1.3 个体化金属植入物的设计计算机辅助设计的个体化植入物，是对 CT 影像和数据进行有限元分析的方法，设计出有限元模型并制造出植入物，使植入物更适合于人体的生物力学和运动功能6。反求工程(reverse engineering，RE)是基于一个可以获得的实物模型构造出它的设计概念，并可通过对重构模型特征参数的调整和修改达到对实物模型的逼近或修改。它是基于实物测量数据的计算机辅助设计方法，是一种特殊的 CAD 方法，该方法已广泛应用于通过 CT 图像构建医学模型，这种 CAD 模型不同于一般的影像模型，其数据格式可以直接用于加工和制作工程7。随
9、着非侵入诊断技术如 CT、MR 和正电子放射断层扫描(PET)的发展，医生能够较易获得病人有关部位的一组二维断层图像，以此为工作基础反求工程在医学领域得到了较广泛的应用8、9。植入物的个体匹配与否，设计过程是一个决定全局的环节。首先必须获得骨骼的多层断面轮廓图像数据，其次必须采取合理的图像处理手段提取骨骼轮廓。植入物与人骨实现个体化匹配的关键是通过曲面反求实现植入物的原位设计，植入物的设计必须符合人体工程学、生物力学要求，同时要解决植入物体内定位的问题。植入物的设计往往需要临床经验丰富且具能熟练掌握运用 CAD 软件的医师，且设计过程复杂。根据医师的临床经验、模拟手术的预后图，构建出个体化植入
10、物的大小、形状、安放位置及固定方式。因此如何简化植入物设计过程、优化设计程序成为反求工程临床应用的发展方向。2 个体化金属植入物的制造快速成型技术(rapid prototyping，RP)是国外 20 世纪 80 年代后期发展起来的一门新兴技术，是指在计算机的协助下，根据物体的计算机辅助设计(CAD)模型或 CT 等数据，通过材料的精确堆积，制造原型的一种基于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术。由于 CT 扫描与 RP切片的数据格式极其相似，通过对 CT 数据转化，实现生物体表面轮廓的反求，可以精确复制与生物形体相同的形体。它是一种增加法制造方式，其构想突破了传统的“毛坯-切削-加工-装
11、配-成品”这一制造模式，集中体现了计算机辅助设计、激光加工、精密数控和新材料开发等多学科、多技术的综合应用10、11。RP 主要方法有：采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法、采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割的叠层实体制造法、采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的选择性激光烧结法和熔融材料加热熔化挤压喷射冷却成型的熔融沉积制造法12。其原理是先将 CAD 生成的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射薄层使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型13。该技术可制作几何形状任意复杂的实体，而不受传统机械加工方法中刀具无
12、法达到某些型面的限制。特别适用于骨科特殊部位金属植入物的制造：如四肢恶性肿瘤切除后假体的制造，人工关节的制造等。近年来，反求工程与快速成型技术相结合在医疗领域的应用是当前一个重要的研究方向14。RP 技术可以根据特定病人的断层图像数据，而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作植入物，这样极大地减少了植入物设计的出错空间，并且这种适合每个病人的解剖结构的个体定制化植入物确实能保证一个更好的手术结果。这种与病人病患处完美配合的植入物可以帮助骨科医生大大缩短手术操作时间。为了改进个体匹配植入物的设计与制造的速度和精度，缩短病人的等待时间和提高植入物外形的匹配程度，直接将所需植入物的断层图像数据转化为快
13、速成型分层制造的轮廓数据格式并快速制造植入物的实体原型，对其形状的修改和编辑在 CAD 原型上进行。这种方法具有速度快、精度高的特点，能很好地满足个体匹配植入物对设计制造的速度和精度的要求。高勃等15通过螺旋 CT 图像重建人下颌骨三维数据并制作单侧骨缺损模型，采用健侧数据镜像反转方法获得修复缺损的植入体 CAD 数据模型，用 SLS 法将 CAD 数据转换成蜡模，经失蜡铸造制作纯钛植入体，通过定点测量比较植入体与 CAD 模型的几何差异，实验表明所制作的钛植入体形态自然，尺寸精度高，认为应用SLS 法定制修复下颌骨缺损的植入体精度高，耗时短，是一种很有前景的个性化修复下颌骨缺损的方法。较传统
14、的金属植入物制造工艺具有诸多优点：(1)实现了植入物与自体骨的形状匹配，使每一植入体的制造都是针对具体的患者而进行的，从而大大提高了植入体的匹配性能;(2)能以很小的制造成本，很短的制造周期制作出任意复杂形状的人工植入物原型，为术前的植入模拟提供了便利条件，从而可提高手术的效率和准确性。3 个体化金属植入物的临床应用随着计算机技术和快速成型技术的推广，越来越多学科将基于快速成型的个体化植入物应用于临床取得了令人满意的疗效。3.1 个体化金属植入物在颌面外科、神经外科的应用现阶段反求工程与快速成型技术在颌面外科、神经外科应用较多16、17。归来等18、192004 年在国内率先于颅骨缺损病人中应
15、用个性化钛修复体，取得很好的手术效果，认为个性化修复体边缘与弧度精确拟合缺损部位的自然形态，几乎复原病人原先的容貌;且术中无需修整，大大缩短了手术时间。Sunil Gopakumar20将 RP 技术应用于头盖骨修复移植物的制作并用于临床手术中，也取得了令人满意的效果。龚振宇等17应用反求工程和快速原型技术完成 2 例下颌骨缺损的修复体设计和制作，并行修复体植入术。经计算机设计和严密制作的修复体术中仅数分钟顺利就位，各部件达到设计位置，术后患者面部外形与健侧对称，咬合关系良好，下颌偏斜纠正。安金刚等21应用计算机辅助制作个性化钛网技术对 8 例非单纯性眼眶骨折进行治疗，并与传统手术进行比较，认
16、为个性化钛网技术重建眶壁形态、眶壁修复范围和置入深度等方面均优于自体骨、人工材料移植等传统重建方法，应用计算机辅助制作个性化钛网技术可以更加精确地重建眶壁，提高眼球内陷和复视的矫治效果。3.2 个体化人工关节的设计及应用人的骨骼结构存在着很大的差异，标准化的假体不能适用于所有的病人，为了更好地发挥假体的作用，提高病人的生存质量，要求在假体设计上使假体更适合于每个病人的骨骼结构和力学要求。延长人工关节的有效使用寿命是人工关节研究的最终目标和难题22，骨吸收和无菌性松动是影响其使用寿命的主要因素，标准人工假体与病人骨骼之间的误差使二者难以很好匹配，不能确保人工关节的长期稳定。个体化人工关节可以最大
17、限度的减少匹配误差，从而有效减少和防止骨吸收和无菌性松动的发生。Martini F 等23对个体化股骨柄周围的骨密度进行测定，表明个体化假体周围的骨密度丢失很少，与其他假体相比其丢失量可以忽略，说明个体化假体周围的骨吸收是很小的。姜涛等22在计算机上模拟临床手术进行截骨置换三类人工股骨假体，远端固定约束，测量三种人工股骨假体在应力分布、界面应力、初始微动三个生物力学特性，实验表明，无论在双足还是单足静止站立载荷下，个体化股骨假体所受的应力、界面应力、微动均大大小于普通生物型股骨假体和普通骨水泥型股骨假体。Zadeh AG 等24采用 CAD/CAM 方法，设计个体化假体，并行转子下截骨治疗髋关
18、节发育不良和先天性髋脱位，获得良好效果;Harris 髋评分平均由术前的 44 分增加到随访时的 91 分。王臻等25、26采用 RP 技术制造个性化人工膝关节：利用提取的股骨髁关节软骨三维轮廓数据，在 Surfacer 9.0 图像处理软件上进行个体化人工半膝关节的计算机辅助设计，得到三维模型，进行数据格式转换。在 LPS 600 激光快速成型机上完成成型过程，获得光敏树脂原型，以该原型为母模，以硅胶为材料翻制具有较好柔性的两瓣硅胶凹模，并在关节最低点设计蜡流出道，然后再以硅胶模为模板在蜡成型机上制作蜡模。其后进行涂挂、撤砂、脱蜡及焙烧等工艺，最后进行浇铸，获得了个体化钛合金关节。目前，快速
19、成型在医学应用中存在的问题：1)大多通过医学影像获得三维信息，而影像的精度目前只能达到 1 mm 左右，限制了快速成型的制造精度;2)快速成型现阶段只能通过翻模制造，直接成型出可应用于医学的金属产品是目前的研究方向。4 展望骨科是临床应用金属植入物最多的学科，除了人工关节，还有众多个体化金属植入物可在骨科推广应用，这将使骨科的手术治疗提升到个性化治疗阶段，极大地提高手术的效率和准确性。解决目前个体化钛植入物翻模制造、周期较长的问题，有利于个体化金属植入物在骨科的广泛应用。快速成型技术正朝着精密化、高精度、标准化、低成本等方向发展，并且可以实现真正意义上的绿色制造，采用新型材料作为原材料直接成型
20、出个性化金属植入物将是 RP 技术在骨科应用的发展方向。【参考文献】1 Hollister SJ, Maddox RD, Taboas JM. Optimal design and fabrication of scaffolds to mimic tissue properties and satisfy biological constraintsJ.Biomaterials, 2002,20: 4095-4103.2 Sun W, Darling A, Starly B,et al.Computer aided tissue engineering: overview, scope an
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