3Ｄ列印技術具有成型精度高、重複性好、可實現產業化生 產等傳統工藝無法比擬的優點， 正作為一項前沿的製造技術在醫學領域逐漸被重視和推廣， 主要在脊柱外科、關節外科、頜面外科等領域得到廣泛的應 用， 可為臨床手術設計提供有效的解決方法 。 在骨科臨床工作中， 個體化、精確化是骨科的一個重要方向， 既往術前只能通過Ｘ射線平片、ＣＴ掃描、ＭＲＩ成像等影像學手段來進行手術分析及預計手術方式。 但這些影像學資料在拍攝時的一些不可控因素以及在反映病變位置、嚴重程度和解剖學畸形方面 缺乏精確性和直觀性 。
１ ３Ｄ列印技術原理及重建要點
3Ｄ列印骨科模型的製作主要通過逆向工程原理和快速成型技術而實現。 其主要原理是先通過Ｍｉｍｉｃｓ、ＣＡＤ等軟體進行三維數位化模型的構建， 然 後再進行“分層製造， 逐層堆積”， 即將三維模型以特定的ＳＴＬ格式輸入3Ｄ印表機進行分層製造， 形成二維結構的物質平面， 再利用雷射光束或熱熔噴嘴等方法精確堆積材料、逐層疊加， 最終形成產品的三 維結構 。 目前， 在醫學研究領域使用最廣泛的逆向工程技術軟體有比利時Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司的Ｍｉｍｉｃｓ軟體和德國ＳＩＥＭＥＮＳ的ＵＧＮＸ以及美國3ＤＳｙｓ-ｔｅｍ公司的ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ軟體。 Ｍｉｍｉｃｓ軟體是基於醫學三維ＣＴ、ＭＲＩ成像而進行三維重建的軟體， 可顯示和分割ＣＴ等醫學圖像， 並具有良好的圖像 編輯功能 。 ＵＧＮＸ和ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ軟體屬於ＣＡＤ軟體之一， 具有強大的資料處理和編輯功能。
模型重建程式：
①對需要建模部位進行三維ＣＴ掃描， 以ＤＩＣＯＭ格式保存資料， 導入Ｍｉｍｉｃｓ軟體；
②針對所需建模進行Ｍｉｍｉｃｓ軟體的閾值設定， 低密度的肌肉和軟組織閾值偏低， 高密度的骨組織閾值較高， 可根據建模部位的需求設定閾值， 稱為“閾值分割”。 需注意的是在閾值設定時，
③分割後的圖像被不同顏色標記， 成為“蒙版”， 可利用“區域增長”、“蒙板編輯”、“布耳運算”等對圖像進行編輯；
④對編輯完成後的“蒙版”進行計算， 即生成3Ｄ模型， 在計算生成3Ｄ模型後， 可能由於骨骼與周圍組織的各閾值不同， 以統一閾值標記重建後出現一些“孔洞”或“釘狀物”， 則需要手動逐層修補處理；
⑤處理完成後以ＳＴＬ格式保存， 導入3Ｄ印表機即可列印出與建模部位高度還原的3Ｄ實物模型。
２ 術前骨骼模型還原重建
在關節外科中， 常需通過植入人工假體來替換已經發生病變的相應部位， 以重建其解剖結構及功能， 但人工假體與手術部位的形態擬合性較差， 術前無法完全確定假體型號及確切大小， 因此術中常需反復嘗試各種型號的假體， 加重了局部創傷的同時 也增加了手術時間 。 3Ｄ列印骨骼模型不僅具有高度還原性， 同時還能顯示出Ｘ射線片、ＣＴ掃描、ＭＲＩ成像無法展現的資訊。 術前根據模型提供的資訊確定假體的型號及具體大小， 更直觀化、全面化、簡單化、準確化地制定手術方案，進行術前演練與手術模擬操作等，進而提高關節外科複雜高難度手術 的成功率，使手術更精確、更安全。
Ｗｏｎ等 利用3Ｄ列印技術為２１例伴有嚴重畸形的髖關節疾病的患者制訂了個體化的手術方案並行人工全髖關節置換術，術後影像學檢查表明假體位置與術前計畫精確吻合，而且手術時間明顯縮短。在創傷骨科中，利用3Ｄ列印技術列印出骨折部位的三維模型，可在術前對骨折有詳盡和全面的瞭解並做出準確的診斷和分型，也可在模型上實施類比手術過程，如骨折復位、選擇合適的內固定物、預彎塑形鋼板、確定螺釘的方向和長度等，通過模擬手術選擇不同的手術方法及調整手術策略，制定出最佳個性化手術方案。吳章林等利用術前針對髖臼骨折進行三維建模和虛擬骨折重定，並在重定模型上優化預設植入鋼板位置和虛擬釘道模擬、測量釘道長度，三維切割預設植入鋼板部位骨塊並3Ｄ列印，據此進行鋼板折彎。術後得出折彎鋼板模擬植入位置、螺 釘植入方向、長度和虛擬設計高度一致。
３ 個性化手術導板
近年來，3Ｄ列印技術在骨科領域的發展，使得手術醫生在術前不僅能通過對手術部位進行還原重建，對解剖形態複雜、需要精確定位的手術進行詳細的術前設計，同時也能根據模型為患者“量身定制”手術導板，有助於提高手術成功率、降低手術難度、 確保患者安全 。目前3Ｄ列印個性化手術工具中最為典型的是手術置釘導板，包括骨盆導板、關節導 板、脊柱導板等。朱春冀等將3Ｄ列印個體化手術導板應用於骨科複雜手術中，術前列印出骨骼 模型並設計相應的手術導板，對內置物進行預處理。
研究者認為3Ｄ列印個體化手術導板能滿足手術的個體化需求，在手術中能夠準確還原術前設計，不同3Ｄ列印模型對骨科複雜手術的指導意義重大，可以降低手術的難度，減少手術時間。尹知訓等為肘關節畸形患者設計製作3Ｄ列印個性化截骨範本並引導術中三維截骨，術後肘關節畸形糾正率為９５％。Ｒａａｉｊｍａａｋｅｒｓ等應用該技術製作出與股骨 頭、股骨頸前表面緊密貼合的置釘導向器，在股骨頭表面置換中可將假體柄精確安裝在股骨頸解剖軸上，使假體定位過程變得簡單、安裝更精確。陳宣煌等利用3Ｄ列印技術製作的輔助椎弓根螺釘置入 導航範本，也獲得了滿意的效果。 在全膝關節置換術中，下肢力線是評價人工全膝關節術成功的重要指標，且滿意的下肢力線常需有豐富手術經驗的醫生才能完成 。Ｊｅｆｆｅｒｙ等 指出下肢力線偏差如果在±3°之內，術後１２年假體鬆動率為3％，如果下肢力線偏差超過±４°則鬆動率增加至２４％。
因此，為提高下肢力線重建的精確性，李偉等 對１６具屍體設計製作了與股骨遠端 和脛骨近端匹配的個體化釘孔導航範本用於全膝關節置換手術的截骨定位。結果表明個體化的手術導板提高了股骨遠端及脛骨近端的截骨精確度，精確定位股骨遠端的旋轉軸線，使假體的安放位置更加準確。Ａｓｔ等 也通過綜述個體化手術導板在全膝 關節置換術中的應用得出，個體化手術導板不僅能術前確定截骨量、假體旋轉、安放位置以及假體大小等，且術中無需再使用髓內定位元或髓外定位導向器，由此至多能減少２１個手術步驟，不僅減少了因開髓腔而導致的失血量增加，也減少了大量的術前準備 時間。樊慶陽等還通過對５例膝骨關節炎合併股骨幹骨折畸形癒合的患者術前進行三維建模後應用3Ｄ列印技術列印出患者膝關節１∶１樹脂材料模型，並設計製作出截骨範本及確定膝關節假體規格。術後膝關節功能改善明顯，未發生感染、深靜脈血栓形成等併發症。也有研究報導3Ｄ列印個體化手術導板的使用相對于傳統器械更容易，更微創，更省時，且準確度更高 。 重建的機械軸線更接近于中立位，平均住院日、手術 時間、手術切口長度均有改善 。
４ 個體化替代物列印
3Ｄ列印技術具備加工精確、製作迅速、無需特殊模具等特點，使個體化假體設計、製備成為可能 。早在１９７９年，由Ｔｏｎｎｅｒ等 採用聚苯乙烯 為原料，為一位纖維肉瘤的患者構建了骨盆模型，並以此模型定制了彌補腫瘤切除術後骨盆缺損的金屬內置物。２００５年，戴尅戎等率先應用3Ｄ列印技術設計列印出人工半骨盆替代物成功進行了首例半 骨盆置換手術。王臻等應用該技術設計出個體化鈦合金膝關節假體，成功為１例１４歲右股骨下段 骨肉瘤術後復發患兒施行保肢手術。Ｂｅｎｕｍ等也應用該技術設計製作出股骨髓腔導向器及個體化股骨假體，為２例石骨症患者成功施行人工全髖關節置換術。與傳統標準尺寸的骨科植入物相比，為患者“量身定制”的3Ｄ列印個體化植入物與患者骨骼匹配更精准，患肢功能恢復更快。目前研究最多的個體化假體設計為髖關節、膝關節及骨盆等，但大多都僅限於研究階段，應用於臨床的僅為少數，其臨床效果仍需進一步的臨床實驗驗證。
５ ３Ｄ列印技術在骨科臨床應用存在的問題分析
3Ｄ列印技術是一種新型的快速成型技術，在骨科手術中具有重要的應用價值。但骨科個性化的3Ｄ列印還面臨著以下問題：
①經濟問題：3Ｄ列印具備規模經濟的優勢，印表機的價格從數萬元到上千萬元不等，且相關配套的ＣＴ、ＭＲＩ設備以及建模和 逆向工程、ＣＡＤ等軟體，都是一筆不小的費用 。
②材料問題：目前應用較多的材料包括金屬、陶瓷、光敏樹脂、石膏等，每種材料的物理性能和理化性質不同，價格從幾百元到幾千元不等，且並不都適應臨床需要，文獻報導人工關節置換術後１％的患者出現明顯金屬過敏症狀，在假體功能良好的患者中，通 過檢測發現２０％～２５％的患者存在金屬過敏 。因此選擇適合人體特性的金屬材料如鈦合金，其價 格高達每千克２０００元左右 。
③生產問題：3Ｄ列印技術需要依靠數位技術模型來進行生產，但目前針對骨科列印臨床規劃軟體很少，且大多數臨床醫生不會使用相關設備和軟體，因此很多研究者需與專門的技術人員合作，結合使用多組工程軟體才得以實現某些臨床複雜手術的術前規劃，但這個過程耗費時間長，經濟費用增加，一定程度地限制了3Ｄ列印技術在臨床應用。
④列印精度問題：應用3Ｄ列印技術實現骨骼還原重建及設計製作個體化手術導板均要求3Ｄ列印機具有較高的精確性，在高度還原重建的模型上製備的手術導板才能準確定位，若術前構建的模型還原度較差，將直接導致手術導板及個體化替代物的設計存在力學和材料學上的缺陷，最終使手術失敗。
⑤臨床應用問題：在臨床實踐中，3Ｄ列印出的個體化手術導板存在不規則性，在手術中的固定穩定性較差，為防止使用時導板移動，需要選擇標誌性的解剖結構作為參考點及錨定點。且術前準備時不同列印材料及不同消毒方式對於手 術導板及個體化替代物的影響也有待進一步研究。
６ 展望
目前3Ｄ列印的模型能夠提供比任何二維或三維影像更直觀全面的資訊，使術者可以為患者制定 個性化手術方案 。隨著3Ｄ列印的快速發展，要高度重視列印廢棄物對環境的污染、對能源的消耗等，應大力提倡環保、可再利用列印材料的研發和應用 。並且一款針對骨科各種手術的集逆向工程和快速成型技術於一體的多功能軟體的開發是有必要的。3Ｄ列印技術在骨科手術中的應用已成為研究熱點之一，儘管研究結果仍存在爭議，但3Ｄ列印技術本身極具應用價值，需要進行更多的研究、探索，最終在未來的臨床工作中，越來越多的患者能夠獲益。
編輯：南極熊
作者：吳 碧 ，馮均偉
金剛狼不久就會出現了。。。
更直觀化、全面化、簡單化、準確化地制定手術方案，進行術前演練與手術模擬操作等，進而提高關節外科複雜高難度手術 的成功率，使手術更精確、更安全。Ｗｏｎ等 利用3Ｄ列印技術為２１例伴有嚴重畸形的髖關節疾病的患者制訂了個體化的手術方案並行人工全髖關節置換術，術後影像學檢查表明假體位置與術前計畫精確吻合，而且手術時間明顯縮短。在創傷骨科中，利用3Ｄ列印技術列印出骨折部位的三維模型，可在術前對骨折有詳盡和全面的瞭解並做出準確的診斷和分型，也可在模型上實施類比手術過程，如骨折復位、選擇合適的內固定物、預彎塑形鋼板、確定螺釘的方向和長度等，通過模擬手術選擇不同的手術方法及調整手術策略，制定出最佳個性化手術方案。吳章林等利用術前針對髖臼骨折進行三維建模和虛擬骨折重定，並在重定模型上優化預設植入鋼板位置和虛擬釘道模擬、測量釘道長度，三維切割預設植入鋼板部位骨塊並3Ｄ列印，據此進行鋼板折彎。術後得出折彎鋼板模擬植入位置、螺 釘植入方向、長度和虛擬設計高度一致。
３ 個性化手術導板
近年來，3Ｄ列印技術在骨科領域的發展，使得手術醫生在術前不僅能通過對手術部位進行還原重建，對解剖形態複雜、需要精確定位的手術進行詳細的術前設計，同時也能根據模型為患者“量身定制”手術導板，有助於提高手術成功率、降低手術難度、 確保患者安全 。目前3Ｄ列印個性化手術工具中最為典型的是手術置釘導板，包括骨盆導板、關節導 板、脊柱導板等。朱春冀等將3Ｄ列印個體化手術導板應用於骨科複雜手術中，術前列印出骨骼 模型並設計相應的手術導板，對內置物進行預處理。
研究者認為3Ｄ列印個體化手術導板能滿足手術的個體化需求，在手術中能夠準確還原術前設計，不同3Ｄ列印模型對骨科複雜手術的指導意義重大，可以降低手術的難度，減少手術時間。尹知訓等為肘關節畸形患者設計製作3Ｄ列印個性化截骨範本並引導術中三維截骨，術後肘關節畸形糾正率為９５％。Ｒａａｉｊｍａａｋｅｒｓ等應用該技術製作出與股骨 頭、股骨頸前表面緊密貼合的置釘導向器，在股骨頭表面置換中可將假體柄精確安裝在股骨頸解剖軸上，使假體定位過程變得簡單、安裝更精確。陳宣煌等利用3Ｄ列印技術製作的輔助椎弓根螺釘置入 導航範本，也獲得了滿意的效果。 在全膝關節置換術中，下肢力線是評價人工全膝關節術成功的重要指標，且滿意的下肢力線常需有豐富手術經驗的醫生才能完成 。Ｊｅｆｆｅｒｙ等 指出下肢力線偏差如果在±3°之內，術後１２年假體鬆動率為3％，如果下肢力線偏差超過±４°則鬆動率增加至２４％。
因此，為提高下肢力線重建的精確性，李偉等 對１６具屍體設計製作了與股骨遠端 和脛骨近端匹配的個體化釘孔導航範本用於全膝關節置換手術的截骨定位。結果表明個體化的手術導板提高了股骨遠端及脛骨近端的截骨精確度，精確定位股骨遠端的旋轉軸線，使假體的安放位置更加準確。Ａｓｔ等 也通過綜述個體化手術導板在全膝 關節置換術中的應用得出，個體化手術導板不僅能術前確定截骨量、假體旋轉、安放位置以及假體大小等，且術中無需再使用髓內定位元或髓外定位導向器，由此至多能減少２１個手術步驟，不僅減少了因開髓腔而導致的失血量增加，也減少了大量的術前準備 時間。樊慶陽等還通過對５例膝骨關節炎合併股骨幹骨折畸形癒合的患者術前進行三維建模後應用3Ｄ列印技術列印出患者膝關節１∶１樹脂材料模型，並設計製作出截骨範本及確定膝關節假體規格。術後膝關節功能改善明顯，未發生感染、深靜脈血栓形成等併發症。也有研究報導3Ｄ列印個體化手術導板的使用相對于傳統器械更容易，更微創，更省時，且準確度更高 。 重建的機械軸線更接近于中立位，平均住院日、手術 時間、手術切口長度均有改善 。
４ 個體化替代物列印
3Ｄ列印技術具備加工精確、製作迅速、無需特殊模具等特點，使個體化假體設計、製備成為可能 。早在１９７９年，由Ｔｏｎｎｅｒ等 採用聚苯乙烯 為原料，為一位纖維肉瘤的患者構建了骨盆模型，並以此模型定制了彌補腫瘤切除術後骨盆缺損的金屬內置物。２００５年，戴尅戎等率先應用3Ｄ列印技術設計列印出人工半骨盆替代物成功進行了首例半 骨盆置換手術。王臻等應用該技術設計出個體化鈦合金膝關節假體，成功為１例１４歲右股骨下段 骨肉瘤術後復發患兒施行保肢手術。Ｂｅｎｕｍ等也應用該技術設計製作出股骨髓腔導向器及個體化股骨假體，為２例石骨症患者成功施行人工全髖關節置換術。與傳統標準尺寸的骨科植入物相比，為患者“量身定制”的3Ｄ列印個體化植入物與患者骨骼匹配更精准，患肢功能恢復更快。目前研究最多的個體化假體設計為髖關節、膝關節及骨盆等，但大多都僅限於研究階段，應用於臨床的僅為少數，其臨床效果仍需進一步的臨床實驗驗證。
５ ３Ｄ列印技術在骨科臨床應用存在的問題分析
3Ｄ列印技術是一種新型的快速成型技術，在骨科手術中具有重要的應用價值。但骨科個性化的3Ｄ列印還面臨著以下問題：
①經濟問題：3Ｄ列印具備規模經濟的優勢，印表機的價格從數萬元到上千萬元不等，且相關配套的ＣＴ、ＭＲＩ設備以及建模和 逆向工程、ＣＡＤ等軟體，都是一筆不小的費用 。
②材料問題：目前應用較多的材料包括金屬、陶瓷、光敏樹脂、石膏等，每種材料的物理性能和理化性質不同，價格從幾百元到幾千元不等，且並不都適應臨床需要，文獻報導人工關節置換術後１％的患者出現明顯金屬過敏症狀，在假體功能良好的患者中，通 過檢測發現２０％～２５％的患者存在金屬過敏 。因此選擇適合人體特性的金屬材料如鈦合金，其價 格高達每千克２０００元左右 。
③生產問題：3Ｄ列印技術需要依靠數位技術模型來進行生產，但目前針對骨科列印臨床規劃軟體很少，且大多數臨床醫生不會使用相關設備和軟體，因此很多研究者需與專門的技術人員合作，結合使用多組工程軟體才得以實現某些臨床複雜手術的術前規劃，但這個過程耗費時間長，經濟費用增加，一定程度地限制了3Ｄ列印技術在臨床應用。
④列印精度問題：應用3Ｄ列印技術實現骨骼還原重建及設計製作個體化手術導板均要求3Ｄ列印機具有較高的精確性，在高度還原重建的模型上製備的手術導板才能準確定位，若術前構建的模型還原度較差，將直接導致手術導板及個體化替代物的設計存在力學和材料學上的缺陷，最終使手術失敗。
⑤臨床應用問題：在臨床實踐中，3Ｄ列印出的個體化手術導板存在不規則性，在手術中的固定穩定性較差，為防止使用時導板移動，需要選擇標誌性的解剖結構作為參考點及錨定點。且術前準備時不同列印材料及不同消毒方式對於手 術導板及個體化替代物的影響也有待進一步研究。
６ 展望
目前3Ｄ列印的模型能夠提供比任何二維或三維影像更直觀全面的資訊，使術者可以為患者制定 個性化手術方案 。隨著3Ｄ列印的快速發展，要高度重視列印廢棄物對環境的污染、對能源的消耗等，應大力提倡環保、可再利用列印材料的研發和應用 。並且一款針對骨科各種手術的集逆向工程和快速成型技術於一體的多功能軟體的開發是有必要的。3Ｄ列印技術在骨科手術中的應用已成為研究熱點之一，儘管研究結果仍存在爭議，但3Ｄ列印技術本身極具應用價值，需要進行更多的研究、探索，最終在未來的臨床工作中，越來越多的患者能夠獲益。
編輯：南極熊
作者：吳 碧 ，馮均偉
金剛狼不久就會出現了。。。