3D打印在骨科診療中的應(yīng)用

3D打印在骨科診療中的應(yīng)用摘要醫(yī)學(xué)影像經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，并且隨著多螺旋CT和MRT的出現(xiàn)，醫(yī)學(xué)影像的信息量越來(lái)越盤(pán)大，數(shù)據(jù)的處理能力也變得十分重要REF_Ref21768\w\h[1]。眾多的技術(shù)使得影像學(xué)在骨科的診療中扮演著十分重要的角色?？墒牵捎谶@些影像是3D影像，無(wú)法在2D的平面上體現(xiàn)出真正的效果，所以急需一種技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)目前的空缺。隨著3D打印技術(shù)的成熟，這一格局終于被打破。3D打印技術(shù)可以使得抽象數(shù)據(jù)變成真實(shí)的三維物體。關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)，骨科，影像，3D打印Theapplicationof3DprintinginorthopedicsAbstractAftermanyyearsofdevelopmentofmedicalimage,andwiththeemergenceofmultispiralMRTandCT,theinformationofmedicalimagebecomesmoreandmorelarge,andtheprocessingabilityofthedatabecomesveryimportant.ManytechniquesmaketheimagingplayaveryimportantroleinthediagnosisandtreatmentoftheDepartmentoforthopedics.However,becausetheseimagesare3Dimages,cannotreflecttherealeffectinthe2Dplane,soitisurgenttomakeupforthecurrentvacancy.With3Dprintingtechnologymatures,thispatternhasfinallybeenbroken.3Dprintingtechnologycanmaketheabstractdataintoarealthree-dimensionalobject.Keywords:Medical,orthopedics,image,3Dprinting目錄TOC\o"1-3"\h\u22651前言 5296131.1選題背景 5182631.2相關(guān)研究現(xiàn)狀及前景 5169181.3研究目的 566791.4可行性分析 5320121.5論文的主要內(nèi)容 620991.63D打印流程圖 62725123D打印機(jī) 7226732.1選擇3D打印機(jī) 7172892.23D打印機(jī)的材料選擇 7135962.33D打印的工藝 745142.43D打印機(jī)的使用方法 8200292.5特點(diǎn) 10123073需求分析 11227993.1引言 11292693.2骨科診療需求分析 11109453.3用途 11291733.4意義 1149624建模 13124634.1前言 13245774.2CAD建模 13226704.3照片合成建模 13181224.4照片浮雕制作 13292124.5三維重組建模 13217655應(yīng)用實(shí)例 15268405.1骨骼固定器 15302495.2填充材料 15144745.3可吸收性填充材料 1693065.4手術(shù)預(yù)演 16128616總結(jié) 175647參考文獻(xiàn) 1832215致謝 191前言1.1選題背景3D打印也被稱(chēng)為快速成型技術(shù)，最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)八十年代。3D打印是利用可粘合性材料，以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)來(lái)制作3D物體REF_Ref23649\w\h[2]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)也日益的成熟，其成本的降低及平民化的趨勢(shì)，使得3D打印技術(shù)逐漸走入我們的生活中來(lái)。骨科的診療在目前來(lái)說(shuō)也存在一定困難性，所以在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代急需一種可以將數(shù)據(jù)實(shí)物化的技術(shù)，那就是3D打印技術(shù)。1.2相關(guān)研究現(xiàn)狀及前景骨科疾病在我們的生活中可以說(shuō)是時(shí)常發(fā)生，然而我們卻對(duì)某些骨科問(wèn)題沒(méi)有十分有效的解決辦法。例如有些病人膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，但是卻沒(méi)有及時(shí)接受治療，或者受限與當(dāng)時(shí)的醫(yī)療條件，導(dǎo)致最終膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重變形。但是如果要進(jìn)行關(guān)節(jié)置換那么風(fēng)險(xiǎn)卻又會(huì)會(huì)十分的高。又例如髖臼骨折修復(fù)手術(shù)，因?yàn)轶y臼骨折修復(fù)手術(shù)需要在病人身上開(kāi)一個(gè)20至30厘米的切口，而且手術(shù)時(shí)間十分的長(zhǎng)，這樣會(huì)使病人伴隨有大出血的危險(xiǎn)，并且給病人帶來(lái)巨大的痛苦。所以骨科疾病所帶來(lái)的痛苦是不言而喻的。目前我們急需一種有效，安全的方法來(lái)解決骨科治療的這個(gè)問(wèn)題。然而3D打印的出現(xiàn)則打破了這個(gè)格局。3D打印不僅可以應(yīng)用于模具制造、珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車(chē)、航天航空、牙科、教育等應(yīng)用，也可以在骨科領(lǐng)域中有著出色的表現(xiàn)REF_Ref23751\w\h[3]。它的出現(xiàn)使人們對(duì)于骨科的治療又多了一種有效的方法。而且目前3D打印技術(shù)也只是初露頭角，后續(xù)的發(fā)展和完善將對(duì)骨科治療做出不可以估計(jì)的巨大貢獻(xiàn)REF_Ref23868\w\h[4]。1.3研究目的由于目前骨科的治療當(dāng)中存在許多難以解決的問(wèn)題，則3D打印在骨科診療中的應(yīng)用研究就顯得相當(dāng)?shù)闹匾?。所以，通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)的研究，來(lái)解決難以解決的骨科問(wèn)題，完成難以完成的骨科手術(shù)，這是飽受骨科疾病折磨的人們所迫切希望的。而且，3D打印技術(shù)發(fā)展至今成本已經(jīng)相對(duì)合適，對(duì)于患者來(lái)說(shuō)這也是一個(gè)好消息，因?yàn)檫@能減少他們?cè)卺t(yī)療中的花費(fèi)并且取得有效的治療效果。1.4可行性分析從材料上來(lái)看：目前，3D打印的材料有ABS/PLA,光明樹(shù)脂液體，尼龍粉末，金屬粉末，陶瓷粉末，石膏粉末，等等，而金屬粉末比較適合運(yùn)用于骨科當(dāng)中。從材料的獲取途徑來(lái)看：這些原材料獲取的途徑相對(duì)方便，并且成本也不會(huì)過(guò)高，所以不用擔(dān)心3D打印的材料問(wèn)題REF_Ref23995\w\h[5]。從3D打印需要的骨科模型來(lái)看：3D打印的骨科模型可以通過(guò)CT掃描實(shí)現(xiàn)1比1的真實(shí)還原，也可以通過(guò)手工建模來(lái)實(shí)現(xiàn)。從3D打印所需要的時(shí)間來(lái)看：目前普通的3D打印機(jī)打印所需要的時(shí)間也不會(huì)過(guò)長(zhǎng)，一般10個(gè)小時(shí)左右即可成型。所以3D打印在骨科中的應(yīng)用是可以實(shí)現(xiàn)的。1.5論文的主要內(nèi)容論文主要分為兩個(gè)方面，第一個(gè)方面是3D打印的購(gòu)買(mǎi)及使用方法來(lái)簡(jiǎn)單敘述3D打印的一個(gè)流程。第二個(gè)方面從骨科模型的獲取方法來(lái)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)述。第三個(gè)方面是從3D打印在骨科中可以使用的幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的論述。1.63D打印流程圖獲取模型數(shù)據(jù)源建模生成gcode文件對(duì)3D打印機(jī)發(fā)送code命令打印23D打印機(jī)2.1選擇3D打印機(jī)目前3D打印機(jī)的總類(lèi)十分繁多，而且價(jià)格也有很大的差距，所以3D打印技術(shù)首先需要挑選一款合適的3D打印機(jī)作為基礎(chǔ)。目前3D打印機(jī)有3種分類(lèi)。一種類(lèi)別是通過(guò)打印尺寸區(qū)分的3D打印機(jī)，一種則是通過(guò)工組區(qū)分的3D打印機(jī)，還有一種則是通過(guò)打印速度來(lái)區(qū)分的3D打印機(jī)。骨科診療中因?yàn)榇蛴〉奈锛粫?huì)過(guò)大，但是需要多組打印和較快的打印速度，所以需要的3D打印機(jī)則應(yīng)具備的條件是小尺寸，多工組，高速度的類(lèi)型。2.23D打印機(jī)的材料選擇目前3D打印的材料有許多種，他們的用途各有不同。目前常用的3D打印材料有ABS/PLA,光明樹(shù)脂液體，尼龍粉末，金屬粉末，陶瓷粉末，石膏粉末等等，目前還研究出了“可吸收材料”--鎂合金，和骨質(zhì)材料。相對(duì)于骨科應(yīng)用來(lái)說(shuō)“可吸收材料”和骨質(zhì)材料更適合運(yùn)用于骨科診療當(dāng)中。隨著3D打印的發(fā)展可能未來(lái)也會(huì)展現(xiàn)出更加適合用于骨科診療中的材料。2.33D打印的工藝3D打印目前使用的工藝有四種：1.利用激光固化樹(shù)脂材料的光造型法。光造型裝置是美國(guó)3DSYSTEMS公司獨(dú)占鰲頭的產(chǎn)品。如圖2-1所示，其工作原理是通過(guò)激光器發(fā)射紫外光，然后光學(xué)系統(tǒng)將其匯聚成一束細(xì)光。細(xì)光通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制，有選擇的掃描液體光敏樹(shù)脂表面，利用光敏樹(shù)脂遇到紫外光凝固的原理，一層一層固化光敏樹(shù)脂REF_Ref24028\w\h[6]。圖2-1光造型法2紙張疊層造型法REF_Ref24035\w\h[7]。目前紙張疊層造型法是以HELISYS公司開(kāi)發(fā)的LOM裝置應(yīng)用最為廣泛。如果2-2所示，紙張疊層造型法的工作原理是通過(guò)專(zhuān)用的滾筒紙，用加熱輥使紙張加熱，并用激光切斷紙張，等加熱輥?zhàn)詣?dòng)離開(kāi)后，再通過(guò)激光將紙張裁剪成所需要的形狀REF_Ref24051\w\h[8]。圖2-2紙張疊層造型法3熔融造型法。熔融造型法是以美國(guó)STRATASYS公司所研發(fā)的FDM應(yīng)用最為廣泛。工作原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴頭擠出熱材料，按照層面的幾何信息從下而上制作模型。其最大的優(yōu)點(diǎn)是成型速度快且無(wú)污染，是目前應(yīng)用最為廣泛的方法。4熱可塑造型法。熱可塑造型法是以DTM公司所研發(fā)出來(lái)的選擇性激光結(jié)應(yīng)用最為廣泛。其工作的原理是使用CO2激光熔融燒結(jié)樹(shù)脂粉末的方式制作樣件。工作時(shí),由ＣＯ2激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下,根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對(duì)材料粉末進(jìn)行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結(jié),如此反復(fù),直至制成所需樣件。2.43D打印機(jī)的使用方法目前3D打印機(jī)主要兩種使用方式，第一種是利用3D的打印軟件將目前主流的STL文件生成gcode文件，如圖2-3。再將gcode文件拷入SD卡當(dāng)中。圖2-3骨端STL文件轉(zhuǎn)化為G代碼插入SD卡，然后通過(guò)3D打印機(jī)的顯示屏，選則printfromSD，進(jìn)入后，選擇我們所要進(jìn)行3D打印的文件名字即可，如圖2-4。圖2-43D打印機(jī)打印選擇如果打印過(guò)程中發(fā)現(xiàn)打印速度和溫度不適宜，可以通過(guò)3D打印機(jī)的三個(gè)按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2-5：（一）SPEED--打印速度，打印速度是以百分比的方式顯示出來(lái)，即打印速度與編譯速度的比值。（二）NOZZLE--擠出機(jī)的溫度，可以通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整噴頭溫度。（三）BED--熱床溫度，同樣可以通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)熱床的溫度。圖2-53D打印機(jī)打印控制第二種方法是在計(jì)算機(jī)安裝3D打印的軟件，目前支持3D打印的軟件有很多種，例如3DBuilder，cura，xbuilder，makebot等。需要通過(guò)在計(jì)算機(jī)上安裝相關(guān)的軟件及驅(qū)動(dòng)，然后打開(kāi)所要進(jìn)行3D打印的文件，然后選擇對(duì)打印機(jī)發(fā)送gcode代碼或者直接選擇打印，如圖2-6，cura向3D打印機(jī)發(fā)送G代碼控制其打印。圖2-6cura向3D打印機(jī)發(fā)送G代碼如圖2-7所示，目前3DBuilder還提供在線(xiàn)3D打印服務(wù)。圖2-73D打印在線(xiàn)服務(wù)2.5特點(diǎn)從本質(zhì)上看，SD卡的打印方式與3D打印和計(jì)算機(jī)相連接的打印方式都一樣，都是通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)發(fā)送gcode命令讓打印機(jī)進(jìn)行操作REF_Ref24058\w\h[9]。而從實(shí)際的使用過(guò)程中來(lái)看，SD具有更好的便捷性。而通過(guò)與3D打印機(jī)相連接的計(jì)算機(jī)，能夠更好方便的去調(diào)整打印的溫度，速度及XYZ軸等。3需求分析3.1引言3D打印技術(shù)在骨科診療中應(yīng)用的研究目的是為了解決目前科技水平無(wú)法解決的骨科問(wèn)題，使處于病痛折磨的患者能夠早日脫離苦海，免受病痛的煎熬。為了能夠更好的在骨科中應(yīng)用3D打印技術(shù)，所以我們需要對(duì)骨科診療進(jìn)行一個(gè)分析，分析什么樣的骨科疾病需要應(yīng)用到3D打印技術(shù)。3.2骨科診療需求分析目前骨科治療存在著以下幾個(gè)難題：1.對(duì)于目前的某些骨科手術(shù)，例如髖臼骨折手術(shù)。這一類(lèi)的手術(shù)需要對(duì)患者開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)度達(dá)到20至30厘米的一個(gè)切口。而這個(gè)切口會(huì)導(dǎo)致病人大出血，有時(shí)可能會(huì)危機(jī)生命危險(xiǎn)。2.當(dāng)患者骨折時(shí)，我們需要對(duì)患者植入鋼板，加以固定。當(dāng)患者痊愈后還需要將鋼板等材料取出，這對(duì)于患者來(lái)說(shuō)也是相當(dāng)痛苦的。3.對(duì)于那些因骨癌等問(wèn)題需要將骨頭切掉的患者，目前也沒(méi)有比較好的治療方法。3.3用途通過(guò)目前骨科治療存在的幾個(gè)難點(diǎn)，3D打印可以使用在骨科診療中有以下的三種方法。1.1：1建模對(duì)于創(chuàng)傷性較大的骨科手術(shù)，可以通過(guò)1：1建模的方式，高度還原患者病處的3D模型。高度還原的3D模型有利于醫(yī)生與患者及患者家屬交流，并且給醫(yī)生及病人觸覺(jué)和視覺(jué)上的體驗(yàn)，醫(yī)生還可以通過(guò)3D打印出來(lái)的模型事先進(jìn)行體外模擬手術(shù)。2.骨科手術(shù)輔助材料打印對(duì)于需要輔助材料的骨科手術(shù)來(lái)說(shuō)，3D打印可以打印出精準(zhǔn)及復(fù)雜度高的輔助材料，然而“可吸收材料”的出現(xiàn)更是一個(gè)巨大的突破。將“可吸收材料”作為3D打印的原材料，打印出于骨釘，鋼板等需要植入人體體內(nèi)的材料?！翱晌詹牧稀币欢螘r(shí)間后便會(huì)被人體所吸收，這樣可以免去患者愈后還需取出輔助材料的痛苦。3.骨科內(nèi)置物材料打印當(dāng)進(jìn)行骨頭切除手術(shù)后，就可以利用3D打印骨科內(nèi)置物替代骨組織。其中包括兩種，第一種是起支撐作用，第二種是不僅起支撐作用還具備有生物活性。因?yàn)槟壳昂芏嗟膬?nèi)置材料使用的是碳酸三鈣，在碳酸三鈣中混入氧化鎂或氧化鍶將更有利于骨頭生長(zhǎng)。3.4意義3D打印在骨科診療的使用中所具有重大的意義，例如在復(fù)雜骨折的分型、脊柱側(cè)彎的分型、骨腫瘤的鑒別、關(guān)節(jié)損傷的嚴(yán)重程度等。并且對(duì)骨腫瘤的患者，可根據(jù)CT值打印出腫瘤的范圍，指導(dǎo)腫瘤的界限，術(shù)前制定手術(shù)計(jì)劃，模擬操作，對(duì)腫瘤準(zhǔn)確的切除及個(gè)體化制作材料和重建提供準(zhǔn)確參數(shù)，簡(jiǎn)化手術(shù)，減小創(chuàng)傷及并發(fā)癥，提高治療效果。同時(shí)根據(jù)3D打印的骨關(guān)節(jié)原型，可計(jì)劃插入髓腔內(nèi)的器材尺寸，為髓腔結(jié)構(gòu)變異與器材結(jié)構(gòu)差異的患者更好的置入假體，提高手術(shù)安全性和精確性。還可以預(yù)見(jiàn)手術(shù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況如術(shù)后遺留骨缺損區(qū)域的三維外形，內(nèi)固定器或個(gè)性化假體的參數(shù)、內(nèi)固定物螺釘定位等，充分的術(shù)前準(zhǔn)備，有助于手術(shù)療效改善REF_Ref24071\w\h[11]。對(duì)于脊柱手術(shù)最主要的是準(zhǔn)確置釘，減少手術(shù)并發(fā)癥，頸椎的椎弓根細(xì)小，置釘風(fēng)險(xiǎn)大，所以打印紙做的鉆孔導(dǎo)板尤為重要，在鉆孔導(dǎo)板輔助下進(jìn)行椎弓根螺釘置入，使用簡(jiǎn)便，手術(shù)也更加簡(jiǎn)單，個(gè)性化的設(shè)計(jì)使得精確度增加，術(shù)前可直接找到合適的螺釘尺寸及設(shè)計(jì)螺釘置入的軌道，減少螺釘?shù)钠x。在脊柱側(cè)彎的患者中應(yīng)用價(jià)值更大，不僅可以指導(dǎo)準(zhǔn)確置釘，還可直接測(cè)量畸形的角度，設(shè)計(jì)螺釘置入的順序及節(jié)段，在椎弓根螺釘?shù)你@孔導(dǎo)板下很容易操作，可縮短手術(shù)時(shí)間，減少手術(shù)團(tuán)隊(duì)及患者的輻射量，減少置釘穿孔率及方向錯(cuò)誤率，椎弓根置釘準(zhǔn)確率達(dá)到98.08%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)置釘準(zhǔn)確率。并且可縮短椎弓根釘置入的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。在復(fù)雜四肢骨折中，快速成型技術(shù)對(duì)骨折分型及手術(shù)復(fù)位演練有著重要的意義。并對(duì)干骺端骨不連截骨、骨盆骨折、髖臼骨折、脛骨平臺(tái)骨折、跟骨骨折等不同患者進(jìn)行術(shù)前建模，利用3D制備的模型或者使用導(dǎo)板輔助螺釘及內(nèi)固定材料準(zhǔn)確置入，可縮短手術(shù)時(shí)間，減少并發(fā)癥發(fā)生，手術(shù)效果令人滿(mǎn)意。而且，由于3D打印可以使用的材料種類(lèi)十分繁多，在利用3D打印制作生物支架的時(shí)候，豐富的材料確保了3D打印出來(lái)的生物支架與人體之間具有較好的相容性，而且支架孔隙的大小及形狀更加符合種植細(xì)胞的遷移、增殖與分化，能夠?yàn)榻M織缺損的修復(fù)提供優(yōu)良的環(huán)境，納米微孔技術(shù)有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)與爬行。4建模4.1前言3D打印的建模方法大概的有三種類(lèi)型：（一）、通過(guò)三維軟件建模（二）、利用儀器設(shè)備建模（三）、根據(jù)圖像建模目前，所有的3D建模方式，都是基于以上的三種類(lèi)型而來(lái)。4.2CAD建模CAD建模屬于比較麻煩的一種建模方式，它需要操作人員進(jìn)行CAD繪畫(huà)，較為耗費(fèi)時(shí)間和精力，對(duì)操作人員的繪圖水平要求較高。但是建模比較自由，而且方便測(cè)量及標(biāo)注。但是無(wú)法十分精確的還原患者骨骼，主要適用于機(jī)械零件或者骨科治療輔助工具等方面的3D模式制作，例如固定器，骨釘?shù)冗m用于骨科診療的輔助材料。目前CAD有三種常用的3D建模思路：1.拉伸通過(guò)平面畫(huà)出3D物體的剖視圖，再通過(guò)對(duì)齊拉伸產(chǎn)生一個(gè)3D模型。2.旋轉(zhuǎn)通過(guò)畫(huà)出剖面，然后讓其沿著中心線(xiàn)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，便可產(chǎn)生一個(gè)我們所需要的3D圖像。3.布爾運(yùn)算對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的3D圖形來(lái)說(shuō)，就需要通過(guò)布爾運(yùn)算，將模型進(jìn)行交集，合集，并集等計(jì)算，來(lái)制作出3D模型。4.3照片合成建模Autodesk公司出品的123catch軟件，它可以通過(guò)使用同一物體的20張不同角度的照片，通過(guò)軟件算法處理，將其合成一個(gè)可以打印的3D模型。然而這種建模方式對(duì)于骨科方面3D模型的制作卻不是一種有效的方法。這種建模方法比較適用于人臉或者其他物品的模式制作。4.4照片浮雕制作目前把照片浮雕化的制作方式做的最好的一款國(guó)外軟件就是cura了，cura是一款切片軟件，它通過(guò)將JPG,BMP或者PNG格式的圖片導(dǎo)入軟件當(dāng)中，然后將照片轉(zhuǎn)化為浮雕，產(chǎn)生一個(gè)可以使用于3D打印中的模型。這種建模方式是目前最為簡(jiǎn)便的建模方式了，不過(guò)由于骨科治療上對(duì)模型的準(zhǔn)確度有極大的要求，所以浮雕制作的方法不能應(yīng)用于骨科診療的建模當(dāng)中。4.5三維重組建模三維重組建模，通過(guò)掃描所得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維重組的辦法進(jìn)行建模，可以得到跟掃描物相似度達(dá)到99%以上的物體REF_Ref24107\w\h[12]。目前，三維重組最適合運(yùn)用于骨科的診療當(dāng)中。患者先通過(guò)CT掃描儀進(jìn)行掃描后生成一個(gè)DICOM類(lèi)型的文件。DICOM類(lèi)型的文件是由患者病處每一層的圖片組成。將生成的DICOM文件導(dǎo)入mimics軟件內(nèi)用thresholding通過(guò)區(qū)分出密度較高的骨組織部分并提取，然后Calculate3Dfrommask進(jìn)行三維重建，這樣便可簡(jiǎn)單的重建患者的骨質(zhì)部分。通過(guò)對(duì)DICOM圖像進(jìn)行3D重組的方式（圖4-1），能夠得到可用于3D打印的STL圖像。三維重組的方式優(yōu)勢(shì)在于它能夠高度的還原患者的病處，且不用過(guò)多的浪費(fèi)精力，對(duì)于目前骨科的診療中是最合適的方法。圖4-1DICOM圖像三維重建5應(yīng)用實(shí)例5.1骨骼固定器固定器的主要作用在于固定患者受傷的部位，幫助受傷的部位恢復(fù)原樣。目前的固定方式主要是石膏固定，不過(guò)石膏固定存在著一定的缺點(diǎn)：1.由于是石膏固定，所以包裹石膏的位置不能觸碰到水，否則會(huì)導(dǎo)致石膏變軟，影響其治療。2.因?yàn)槭嗟拿芊庑裕菀讓?dǎo)致患者病處皮膚過(guò)敏甚至皮膚潰瘍。3.石膏所需要的定型時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不利于患者的治療。4.石膏制作成的固定器會(huì)相對(duì)沉重，影響手部的使用性。這時(shí)可以通過(guò)CAD繪圖制作出完全貼合患者的手指固定器（圖5-1），并且通過(guò)3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)。骨骼固定器的好處在于：1.由于是3D打印而成，所以可以觸碰水，并且不會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生形變影響治療。2.骨骼固定器繪制時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行鏤空處理，保證了3D打印出來(lái)的固定器具有良好的通風(fēng)性。3.骨骼固定器進(jìn)行3D打印只需要花費(fèi)2-3個(gè)鐘，時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于石膏固定的時(shí)間，有利于患者的治療。4.由于是3D打印而成，骨骼固定器的輕便程度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)使用石膏進(jìn)行固定。圖5-1手指固定器圖5-1中的手指固定器，患者將手指固定器固定在手指上，待治療完成后再將其拆卸。由于材料的原因，手指固定器并不懼怕遇到水分，而且經(jīng)過(guò)鏤空處理，通風(fēng)透氣，效果圖如圖5-2。圖5-2手指固定器效果圖5.2填充材料由于人口老齡化的原因，中國(guó)目前有接近9000萬(wàn)的骨質(zhì)疏松患者，占了總?cè)丝诘?.1%。骨質(zhì)疏松患者容易發(fā)生骨折，常見(jiàn)于脊柱、髖關(guān)節(jié)和四肢等，且由于螺釘對(duì)骨的把持力不足，骨質(zhì)疏松患者術(shù)后常出現(xiàn)螺釘松動(dòng)、退釘以及由此導(dǎo)致的二次手術(shù)，給醫(yī)患雙方帶來(lái)巨大的身心困擾，其高昂的治療費(fèi)用也給患者和社會(huì)帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。通過(guò)3D打印，可以對(duì)原有的骨釘進(jìn)行多孔處理，打印出多孔結(jié)構(gòu)的骨釘。由于骨釘?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)，可以使得新生骨長(zhǎng)入骨釘當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)螺釘－骨界面的生物學(xué)錨定，大大提高螺釘對(duì)骨的把持力，可以有效的預(yù)防固定術(shù)后螺釘松動(dòng)、退釘?shù)陌l(fā)生。5.3可吸收性填充材料目前為止，骨科手術(shù)中經(jīng)常來(lái)作為固定支架的材料的是由不銹鋼和鈦合金等材料制作而成。由于這些材料在人體中無(wú)法降解，所以需要進(jìn)行二次手術(shù)將其取出。然后，目前研究出來(lái)的鎂合金，可以通過(guò)3D打印，制作出符合人體需要的各種形狀，在植入體內(nèi)后能被人體所降解，減輕了患者二次手術(shù)的痛苦。5.4手術(shù)預(yù)演（一）由于個(gè)體差異性的原因，每個(gè)人的關(guān)節(jié)都不一樣，特別是膝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)是人體最大且構(gòu)造最復(fù)雜的關(guān)節(jié)REF_Ref24113\w\h[13]。全膝置換手術(shù)要求精確的對(duì)線(xiàn)和軟組織平衡，才能達(dá)到較好效果。對(duì)普通患者而言，常規(guī)的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)已有配套的截骨模具，手術(shù)按常規(guī)操作技術(shù)即可達(dá)到較好手術(shù)效果，但對(duì)股骨畸形的患者，截骨工具并不配套，如果勉強(qiáng)手術(shù)，可能導(dǎo)致手術(shù)失敗。既往教科書(shū)對(duì)股骨畸形病例，一般建議分二次手術(shù)，首先行股骨截骨矯形復(fù)位內(nèi)固定，以恢復(fù)正常解剖結(jié)構(gòu)，等待患者骨折愈合后，再考慮二期行全膝置換術(shù)。但是患者要承受二次手術(shù)創(chuàng)傷，治療時(shí)間較長(zhǎng)，手術(shù)費(fèi)用較多。通過(guò)對(duì)患者病處進(jìn)行CT三維重建，生成三維立體圖形，如圖5-2所示，再打印出1：1的模型之后，得到圖5-4，通過(guò)3D模型進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，尋找最合適的解決方案。經(jīng)過(guò)精密的手術(shù)安排之后，手術(shù)步驟就會(huì)變得精確，簡(jiǎn)單。近乎“傻瓜式”的手術(shù)，也能夠減輕患者的痛苦。圖5-3膝關(guān)節(jié)三維圖像圖5-4膝關(guān)節(jié)3D打印實(shí)物圖（二）例如病人出現(xiàn)股骨頭壞死，由于目前股骨頭壞死沒(méi)有其他有效的治療方法，只能通過(guò)股骨頭置換手術(shù)。然而股骨頭置換手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)也是十分巨大的，且股骨頭是與髖臼相連接，所以我們需要現(xiàn)對(duì)病人整個(gè)骨盆進(jìn)行CT掃描，得到病人的需要治療部分的圖像。接著將CT掃描出來(lái)的DICOM圖像導(dǎo)入MIMICS中，如圖5-3所示。然后通過(guò)閾值分割，來(lái)選擇出骨組織。所謂的閾值分割就是通過(guò)像素灰度值范圍來(lái)定義一個(gè)對(duì)象的分割方法。在CT圖像中，選擇骨組織的經(jīng)驗(yàn)便是將最低閾值放在皮質(zhì)骨峰的1/3處，如圖5-5所示。由于閾值分割的方法是通過(guò)灰度來(lái)判斷的，所以會(huì)存在一些離散的體素，所以我們需要使用區(qū)域增長(zhǎng)功能將體素分離出來(lái)。如圖5-6所示，我們選擇區(qū)域增長(zhǎng)功能，然后鼠標(biāo)點(diǎn)擊骨頭部分，所有相連的體素都會(huì)被標(biāo)識(shí)出來(lái)并添加到一個(gè)newmask當(dāng)中。由于我們需要的是髖臼處的細(xì)節(jié)部分，可以通過(guò)將股骨頭與髖臼連接部分擦除如圖5-7。然后再通過(guò)區(qū)域增長(zhǎng)功能，選擇我們所需要打印的部分（圖5-8），會(huì)生成一個(gè)新的且并不包含股骨頭部分的mask。我們選擇新生成的mask，通過(guò)calculate3D功能生成3D模型，生成完3D模型后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)3D模型會(huì)有部分缺失，這是由于灰度值不夠，所以電腦自動(dòng)識(shí)別的時(shí)候便沒(méi)有將其選上，如圖5-9所示。所以，我們可以使用smartexpand功能（圖5-10），也就是智能擴(kuò)展功能，它能夠幫助你填充缺失的部分并生成一個(gè)新的mask，如圖5-11所示。通過(guò)calculate3D功能來(lái)預(yù)覽我們生成的3D圖像，如圖5-12.最后，將調(diào)整完畢的3D模型輸出為STL格式，得到圖5-13的圖像文件。再將圖像文件通過(guò)3D打印機(jī)將3D模型打印出來(lái)（圖5-14為打印骨盆過(guò)程中的照片），得到整個(gè)骨盆模型。由于股骨頭置換手術(shù)需要進(jìn)行切口，再將原來(lái)壞死的股骨頭取出，并尋找與髖臼合適的嵌入位置后將置換的股骨頭置入。其手術(shù)的開(kāi)口很大，并且會(huì)伴隨大出血，給病人造成很大的痛苦，而且存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。所以我們可以通過(guò)打印出來(lái)的骨盆模型進(jìn)行事先的手術(shù)預(yù)演，尋找最佳的嵌入