美国3D打印在外科手术中的应用：即将进入医院？

3D打印手术导板可加快手术过程并提高其准确性。

3D打印及其相关技术正逐渐在美国外科领域占据一席之地。

根据分析，定制、降低生产成本和快速周转等因素将使医疗 3D 打印市场的价值翻一番，从 2022 年的 20 亿美元增加到 2026 年的 40 亿美元。

3D打印推动变革的一个领域是外科手术的规划和协助，过去发表在《学术放射学》上的研究发现，使用3D解剖模型作为手术指南可将手术时间平均减少62分钟，并为每个病例节省3,720美元的成本。

2021 年的另一项研究发现，如果使用患者专用的器械，持续时间为 4 至 8 小时的手术可减少 1.5 至 2.5 小时。

该技术还应用于医疗植入物的生产，其中可定制性是关键。

目前，美国各地的医院和医疗中心的内部3D设备并不普遍。然而，美国医院协会 （AHA） 2019 年的研究发现，美国有 113 家医院拥有用于即时制造的集中式 3D 设施，比 2010 年的仅三家有所增加。

虽然内部供应逐渐增加，但3D打印公司也采取行动，使美国的医疗保健提供者更容易获得3D打印设备。

2024 年 6 月，3D 打印公司理光在北卡罗来纳州的 Atrium Health 维克森林浸信会医疗中心推出了其旗舰即时 3D 医疗设备制造设施。

该设施旨在为临床医生提供“简单和立即”的开发、设计和制造服务，用于患者特定的3D打印解剖模型。

理光还表示，它计划将该设施作为许多连接到美国医疗保健系统的设施中的第一个。

内部3D打印来到耶鲁大学

2024 年 4 月，耶鲁大学医学院 （YSM） 骨科与康复系主席兼少尉教授 Lisa Lattanza 博士在 YSM 骨科与康复系建立 3D 医疗创新合作组织 （3DC） 后进行了首个完全内部的 3D 手术。

以前依赖外部供应商提供 3D 打印服务，而 YSM 内部拥有 3DC，可以根据临床医生的实时反馈快速更改其任何规定。它们还可以以更快的交货时间工作，因为不需要从第三方供应商处发货 3D 零件。

Lattanza 博士进行的第一个手术是截骨术矫正，用于治疗在不良位置愈合的手腕骨折。

截骨术是一种手术，在该手术中，将错位的骨头切开，移动到矫正位置，并在愈合时用钢板固定到位。

为了3D打印生产手术导板和患者解剖结构的塑料模型作为参考，第一步是通过计算机断层扫描（CT）扫描获得受影响解剖结构的图像。

在 YSM，内部工程师 Alyssa Glennon 然后使用软件格式化 CT 图像，该软件从成堆的 2D 图像数据中创建 3D 模型渲染。在这个阶段，显示患者解剖结构“健康”一侧的 CT 图像被镜像并叠加在变形的解剖结构上，以评估变化的位置。

“一旦我们看到这些变化在哪里，我们就可以计划要在哪里切开骨头，”Lattanza 说。

“我们几乎在计算机上完成所有这些操作，因此我们可以在多个不同的地方进行截骨术，以决定最合适的矫正位置。”

从这里，选择相关的标准骨科板用于手术。

在这些初步检查之后，手术导板、夹具和患者解剖结构的塑料模型（在第一种情况下是桡骨）被 3D 打印出来，然后进行灭菌以用于手术。

“我们确保导板完全按照我们计划的方式安装在患者的骨骼上，使其适合塑料骨骼。一旦我们确定是这样，我们就会用电线将导向器固定在骨头上，然后我们按照计划做任何事情，“Lattanza 说。

在截骨术中，此类计划通常涉及钻孔，然后进行必要的骨头切割。

Lattanza 指出，这种方法的伟大之处在于，为确保在手术期间按计划完成矫正，所需要做的就是将这些孔对齐。

她解释说：“如果骨头旋转了 90°，当我们钻这些孔时，它们在骨头上偏离了 90°，我们进行切割，然后我们旋转并将这些孔对齐以放置板，因为板孔是直的，这就是我们知道我们已经得到纠正的方式。

除了使相对常见的截骨术更准确之外，3D规定还允许处理更复杂的病例。Lattanza 讲述了最近的一个案例，其中一名儿童的前臂桡骨和尺骨骨折。

“在她成长的过程中，这种畸形变得'非常3D'，这意味着它在矢状面、冠状面和轴向平面上都脱落了，”Lattanza说。

“你在X射线上看不到轴向平面，如果你看不到它，你就无法矫正它。

在这种情况下，该手术需要在桡骨上切开两个切口以将其恢复到正常解剖结构，并在尺骨上切开一个切口。

“在拥有 3D 技术之前，在我的职业生涯中，在手术室中计划和执行这是困难或不可能的事情，因为你甚至无法看到需要两次切割才能使其恢复正常，”Lattanza 解释道。

Lattanza热衷于补充说，3D打印对术前计划和手术期间的影响不应该成为自满的原因，特别是考虑到CT扫描的3D可视化仍然存在局限性，主要是因为目前的技术无法显示软组织。

“有些人认为这有点像现在的电话，但这不是它的工作原理，”她说。

“这是工程师和外科医生之间的合作，必须以这种方式才能获得好的结果。

当无法选择现成的植入物时

除了使用3D打印的手术导板外，克利夫兰大学医院（UH）的骨科肿瘤学专家Brandon Jonard博士还使用3D打印技术制造植入物已有数年之久。

虽然很少见，但当患者需要在骨盆的某个区域（包括髋骨或髋臼）重建时，在切除骨肿瘤（肿瘤切除术）后，会进行定制的 3D 打印植入物手术。

“我们用来重建某人髋臼的大多数髋关节假体都是为关节炎患者设计的，但实际上没有任何现成的方法来应对大规模骨质流失，这是我们在进行肿瘤切除时最终创造的，”乔纳德解释说。

“这些骨骼缺陷中的每一个都是独一无二的，这就是为什么我们会遇到需要定制植入物的情况。”

3D打印手术导板在骨盆截骨术中具有特殊价值，因为它们通常性质复杂，并且可能需要多平面截骨术，其中在两个不同的平面上进行切割。

“如果你要对这些病人进行重建，那么你要使用的植入物是为该病人定制的，它也是为你计划的截骨术定制的，”乔纳德说。

“制作一个定制的植入物，然后让骨头在不同的地方切开，这对你没有任何好处，因为那样植入物就不适合了。”

3D技术在外科手术中的未来

展望未来，Jonard认为，植入物和定制的切割夹具将在骨科肿瘤学手术中变得更加普遍，不仅适用于骨盆和髋臼周围区域，还适用于某些长骨缺损，并可能用于以前使用过组织移植（同种异体移植）的区域。

他还指出，在整个骨科中，3D打印越来越被广泛接受，用于制造复杂的植入物，但也适用于更标准的护理设备。

“像髋臼杯组件这样的东西正变得越来越普遍，3D打印，有一天，我想全膝关节假体可能会变成3D打印的，”乔纳德说。

“我们甚至可能会找到一些应用，在这些应用中，我们创建了我们现在非常常用的定制板或钉子，在这些情况下，这些现成的工具之一不适合使用。”

虽然承认在内部3D打印截骨手术导板是一大步，但Lattanza认为，未来用于手术计划可视化方面的3D技术将与增强现实（AR）和虚拟现实（VR）集成，以执行这些程序。

“现在，我们正在通过打印塑料来做到这一点，但未来的是使用 AR 和 VR 来做这些类型的截骨术，摆脱打印的塑料并使用其他技术，这样我们就可以使用 AR 技术进入手术室，实时查看畸形，并根据我们在屏幕上看到的内容进行切割，“她说。

一旦这成为可能，Lattanza 预计该技术将在全球范围内提供远程虚拟协助，并帮助那些无法使用该技术的人。

“这是一个健康公平问题，也是一个技术问题。这是其中非常令人兴奋的部分，“她说。

为了支持这一未来，耶鲁大学于 2022 年推出了个性化医学和应用工程硕士课程。这个为期一年的学位涵盖了 3D 术前手术计划技术和相关领域，Lattanza 认为这些领域目前缺乏医学和工程学方面的培训。

她总结道：“我们希望确保我们处于最前沿，并且我们为这项技术做好准备并跟上这项技术的步伐，并利用它来为我们的患者带来最大的优势。

临床医生的舒适度以及对3D打印和相关技术的可及性似乎将成为其更广泛采用所依赖的因素。根据对医疗3D打印市场的预测价值，很明显，这种情况正在实时发生。

YSM已经建立了3D打印的内部规定，这一消息引起了人们的注意。一旦人们意识到3D打印的用途，这可能会成为人们看待3D打印方式的一个转折点，并且随着3D打印工具和技术的获取不断改善，随着医疗连接3D设备设施的颁布，如理光的北卡罗来纳州工厂，3D打印在手术领域的广泛采用似乎是肯定的。