3D打印技术在骨科的应用现状及发展趋势探讨
李 晨，刘 深，杜志军
（郑州市骨科医院，河南 郑州 450000）
摘要：3D打印技术发展促使了在医疗领域尤其是骨科领域应用上进展。本文对3D打印技术在国内骨科领域的应用现状进行了介绍和分析，探讨了应用过程中面临的主要问题和挑战，结合医学影像信息化工作流程和影像三维重建技术的发展，提出了对未来流程优化方面的发展趋势和见解。
关键词：3D打印；三维重建；医学影像存档传输系统；骨科
3D打印技术是一种基于增材制造的快速成型技术，它以数字模型文件为基础，运用特定的可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。由于其可以快速、高效的满足高难度、复杂、个性化的设计和制造需要，因此3D打印技术在各个行业领域中的应用逐渐受到重视并得到不断发展。
目前，3D打印在医疗行业已经在新药研发、临床诊断与方面开始进行初步的尝试。在骨科学领域，随着信息化、数字化技术与骨科学的联系日益紧密，传统骨科学诊疗行为模式发生了深刻变革，逐步从经验化、大体化、轮廓化向标准化、精准化、个性化及数字化的方向发展。3D打印技术作为数字化技术的集中体现，是实现各种骨科手术个体化、精准化的有效手段。
1 3D打印技术在国内骨科的应用现状
在传统的骨科诊疗工作模式下，医师在手术前会根据患者的CT、磁共振等医学影像检查资料来了解手术部位的结构。面对CT、磁共振影像这些的二维平面数据，要求医师有足够丰富的经验和想象才能把二维平面的数据立体化，以便于医师在手术过程中更加容易到病灶的部位。
而借助于影像三维重建和3D打印技术，依据患者的医学检查影像（CT、磁共振检查等）进行医学影像的三维数字建模，并通过3D 打印技术来实现如下应用。
（1）个体化模型。可以通过3D打印建模的器官模型做手术预案或模拟手术预演习，可以在一定程度上帮助医生提高复杂手术的成功率、降低手术风险、缩短手术时间。目前，3D打印技术在应用中，能根据CT三维重建技术，构建1:1大小的3D模型，医生、患者及家属均能通过模型直观的进行视觉、触觉的体验，为疾病诊断、手术操作前演练、术前手术方案设计、术中辅助操作及术后恢复等提供应用场景。
（2）个体化手术导板。可以通过3D打印来制作手术导板，将手术的规划集中到导板上，使用时只需将导板接触于术前规划的部位，即可引导术者按照术前规划顺利进行术中定位、定点、线、面及其方向和深度，从而精确引导钉道方向和深度，确定截面、距离和相互成角关系等，使手术操作的精准性和安全性大大提高。
（3）精准化医患沟通。医生通过建模来告知患者及家属病患的问题部位，直观呈现疾病的原因及方案。例如在疾病诊断中，3D打印模型能够对复杂骨折分型、关节损伤、骨肿瘤等疾病的严重程度进行鉴别，为手术方案的制定提供依据，提高了手术的精准性与安全性。同时，对术中可能出现的情况能够进行预测，有利于手术疗效的改善。在上述操作中，医生能够根据3D模型向患者、家属讲解疾病部位、原因等，让患者对自身疾病更清楚的了解，对方案也能更好的接受。
（4）个体化内植入物。对于器官骨骼差异性很大的病患，个性化植入物能够更好的帮助患者恢复，如半月板、髋关节；康复使用的假肢结合断面，采用3D打印可以实现无缝吻合，让患者有肢体重生的感觉。
2 3D打印在骨科领域面临的挑战
目前，医疗行业的3D打印过程非常繁琐，面临着诸多挑战，主要有两个方面。
2.1 3D打印自身技术层面的挑战
（1）3D打印质量与打印要求存在差异。目前不同级别、不同厂家、不同材料制作的3D打印机的打印精度差别较大，尤其是商品化的桌面级3D打印机，其打印精确度较差，打印出一般模型尚可，但尚不能满足手术导板的打印要求，而工业级的3D打印机虽然精度高，但成本过于高昂，如果不能大面积应用，对医院而言在其设备的生命周期内回收成本是比较困难的。
（2）打印材料存在很大限制。目前受限于3D打印的工艺，导致打印成型的产品的结构强度普遍无法达到使用标准，仍需要热处理等后置处理方法来增加材料的强度，极大的限制了3D打印技术的使用范围。同时，骨科以手术为主，3D打印的手术导板等还需要满足灭菌消毒的要求，这对3D打印所使用的材料也是很大的挑战。
2.2 融入临床流程层面的挑战
（1）打印流程繁琐，各流程没有形成无缝衔接。目前的骨科3D打印需要通过专门的软件对CT、磁共振等成像设备产生的二维医学影像进行三维数字建模，并将其转化为三维数字模型，再进一步将建模文件转换成3D打印机可以识别的格式，传输给3D打印设备进行打印。
（2）三维重建和3D打印过于依赖第三方机构。上述数据转换过程不仅过于复杂，导致耗费大量时间，而且还会经常面临打印失败的情况，一般需要专业的3D打印服务机构来帮助完成。影像医生和临床医生的参与度低、体验差。
（3）缺少大规模应用得场景使其成本居高不下。3D打印目前需要多方协作来完整，期间耗费大量的时间、金钱成本，也导致3D 打印的成本居高不下。目前的3D打印没有收费标准，不能进入医保，需要患者自费，虽然意义重大，但还需考虑申请收费标准、提供成熟便捷的应用环境，以利于3D打印技术的推广应用。
3 基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印技术将利于3D 应用得普及
面对医疗3D打印自身技术局限，流程复杂、耗时过长、缺少大面积应用实践的环境等问题，研究开发基于医学影像存档传输系统（PACS）的人体骨骼模型三维重建和向3D打印机直接输出的相关功能实现和临床实际应用，探索符合人体骨科模型仿真打印要求的3D 打印机选型、应用、维护和管理经验，使其能够满足向患者清晰明了的展示手术部位及手术方案，将有利于3D打印应用在骨科领域的普及。较为可行的技术路线如下。
3.1 实施方案
（1）依托医院已经建成的全院级影像存档传输系统（PACS），研制开发三维重建模块，实现基于医学影像的人体组织模型的三维重建。
（2）利用医院内部信息网络，实现通过PACS直接驱动3D打印机的直接输出。
（3）探索符合人体组织模型仿真打印要求的3D打印机选型、应用、维护和管理经验，使其能够满足临床业务开展的要求。
3.2 主要关键技术
（1）人体骨科模型的三维重建技术。（2）影像存档传输系统（PACS）直接输入支持3D打印机识别的stl文件格式。
3.3 技术路线
3.4 技术实现
（下转第 22 页）
3.3 漏缆设计的建议
标准[5]规定漏缆宜挂设在距轨面1.8m-2.8m的高度，根据表2的结果隧道内最多挂设4条漏缆。假设隧道内覆盖表2中的全部频段，那么系统总容量与漏缆数量关系如图1所示。当漏缆数量达到两条时，系统总容量最大；随着漏缆数量增加，漏缆间距越小，信道相关性越高，导致系统总容量不增返降。因此，工程设计中建议采用双漏缆方案。
在双漏缆条件下，系统总容量与漏缆间距关系如图2所示。随着漏缆间距增加，系统总容量上升；在0.2m-0.4m区间容量上升明显，0.4m之后区域平缓。因此，工程设计中建议双漏缆水平间距至少大于0.4m。
实际工程中，隧道内公网可能会选择性地采用表2中的频段，
因此漏缆的设计还需要根据具体工程分析。
图1 系统容量与漏缆数量关系图                                    图2 系统容量与漏缆间距关系图
4 结语
在实际运用中，网速不仅受制于系统容量，还是受到信号强度、
干扰等其他因素影响，本文只针对隧道内公网的MIMO系统容量进行
了分析，对漏缆的设计提出以下建议：隧道内采用双漏缆的方案；
漏缆的水平间距至少需要大于0.4m。
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（上接第 20 页）
对医院的医学影像存档传输系统（PACS）进行功能改造，增加
三维重建模块，并在通用三维重建功能基础上，增加组织提取、渲
染和数字建模功能，使其能够输出能够被3D打印机识别的“.stl”
文件，减少对第三方工程建模软件的依赖。
应用流程如下：
（1）医学影像获取。通过CT、核磁等影像设备，得到存储患
者二维医学图像的DICOM文件，存储在PACS服务器上。考虑到三维
重建和建模的需要，需要获取患者的薄层检查影像，经过实践检验，
小于1mm的CT薄层图像重建效果最好。目前在实际应用过程中，选
择0.5mm的轴位CT图像进行三维数字建模。
（2）三维建模。通过PACS图像浏览器直接调用三维重建模块，
进行CT轴位图像的三维重建，并根据人体不同组织密度不同（CT
值）的特点进行组织分割和特定组织的提取，进行三维数字模型的
建模，添加必要的中空、支撑结构，将三维数字模型存储为可以被
3D打印机识别的STL（Standard Tessellation Language）格式。
（3）3D打印。将STL文件传输给3D打印设备，驱动3D打印
机进行逐层打印，生成3D打印模型成品。
通过对3D打印技术的分析可知，在骨科应用中主要涉及两个方
向，一个是快速制造、一个是快速成型。快速制造是实现流水线式
的制造，在手术器械、人工假体及骨移植等操作中实现快速制造的
目的；快速成型则是在制作导板、模型及匹配的骨替代物中实现快
速制作的目的。随着材料技术、计算机技术的发展，以及媒体的推
广，人们对3D打印技术也必将越来越熟悉，3D打印的价格也会逐
渐下降。在骨科领域内，3D打印技术在具有生命活性的人造骨骼打
印中，依赖于生物材料、组织培养、干细胞等多学科技术，将替代
缺损、坏死的骨组织部分，直接打印出具有生物活性的人工骨组织，
该项技术也必将很快实现。
4 基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印技术效益分析
4.1 简化操作，降低学习成本
3D打印技术涉及的软件比较多，且对于重建虚拟图像的技术要
求较高，需要临床医生要会用CAD、Mimics等工程类软件，临床医
生往往掌握不多。采用基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D
打印应用，大大的降低了临床医师的学习成本，简化了操作和流程。
4.2 提高效率，加强了临床医生的参与感
采用基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印应用，可
以在院内完成医学影像检查到3D打印输出完整的流程，缩短了各方
协作所耗费的时间成本和经济成本，提高了从医学影像到3D打印模
型的输出效率，也加强了临床医生的参与感。
4.3 降低成本、提高患者使用的意愿
采用基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印应用，减
少了对第三方数字建模人员和3D打印服务商的依赖，获取3D打印模
型的成本得到降低，对目前还没有纳入医保的3D打印模型，主要依
赖患者自费使用，费用的降低将提高患者使用3D打印模型的意愿。
5 结语
由医学影像存档传输系统（PACS）直接进行医学影像的三维重
3d打印未来发展方向建和数字建模，生成可供3D打印机识别的三维数字模型文件格式，
由3D打印机进行三维数字模型的打印。打印出1:1的3D模型，用
于临床手术模拟和示教，具有很大的实用性。项目旨在解决过去医学
影像扫描、三维数字建模和3D打印时空分散、流程繁琐、成本居高
不小等问题，省掉了中间专业三维数字建模的环节和到第三方3D打
印机构进行模型打印的环节，可以减少临床人员对三维建模等计算
机专业人才的依赖，加快医学影像到3D模型输出的时间，有利于
3D打印模拟手术技术的大规模推广应用。随着3D打印技术整体技
术上的进步，3D打印技术必将在骨科领域积极广泛的应用。
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