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3D打印成为骨科医生“超级帮手”

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-04-05 11:38:30   浏览次数:3328  
核心提示:曾经困扰着不少骨科专家的手工植入髋臼假体精准度不高的问题,现在被高科技3D打印+重建技术轻松解决了,这个“助攻神器”看起来仅仅像是两个马蹄形的磁铁石,学名叫做“人工髋臼杯植入导向器”。
 曾经困扰着不少骨科专家的手工植入髋臼假体精准度不高的问题,现在被高科技3D打印+重建技术轻松解决了,这个“助攻神器”看起来仅仅像是两个马蹄形的磁铁石,学名叫做“人工髋臼杯植入导向器”。实施全髋关节置换术前,先按照1:1的比例打印出髋关节模型,再根据模型设计合适的铁条状导向器,均由3D打印制成。


这两个长度不足10厘米的铁条状的物体,代表着目前全国3D打印在骨科临床医学上的领先水平,而这个创意从想法到成功,仅仅经历了半年多的时间。

返修的髋臼假体

19楼,佛山市中医院关节专科(骨十科)主任周观明的办公室里,地上堆了两大箱髋臼假体,有些髋臼假体因为在患者体内时间使用了长达十几年,已经和骨头长在一起,而翻修的时候,不得不重新剥离出来,假体上还仍然可以看到残留的骨头。

“髋关节置换之后,假体翻修的原因有很多,但是其中有一个很重要的原因是在置换的时候,臼杯安装得不精准,导致磨损或者脱落。”周观明手里拿着髋关节的模型以及髋臼假体模型,比划着告诉记者。“比如放在这个角度,倾斜一下,患者行动的时候,它就会动,慢慢就会磨损。”周观明解释说,经年累月,全髋关节置换术的患者髋臼的位置已经病变或者残缺。

“病变的患者,髋臼可能已经不规则了,所以要把髋臼杯假体准确地放入到髋臼中,纯手工的植入精准度都会有偏差。”周观明坦言,加上髋周围的软组织(肌肉和脂肪)等阻挡视线,即使是经验丰富的骨科医生,在放入髋臼假体也不能保证百分之百精度准确。


“即使像我从事人工髋置换很多年了,也不能保证百分之百精准。”一旦放入不精准,就会导致髋臼假体磨损或者脱落,从而影响患者的功能,“势必要进行翻修”。这个问题困扰着不少骨科医生,其中包括知名骨科专家、佛山市中医院院长刘效仿教授。对于佛山市中医院来说,目前髋关节全髋关节置换术一年达到了2000台,手术量在全国排在前列。

寻找精准辅助工具

“有没有一种工具可以辅助医生完成手术,让髋臼杯假体植入的角度精准,避免由此造成的翻修。”这是刘效仿一直在思考的课题。目前国际公认的臼杯假体安放位置角度为:外展角40+/-10 ,前倾角15+/-5 ,这被称为“Lew innek臼杯安全区”。“一般来说,如果臼杯假体植入角度不在安全区内,可以认为臼杯假体植入角度不良,将会影响髋关节活动范围和假体使用寿命,改变假体骨界面间的应力。”

佛山市中医院关节专科主任周观明(左)演示3D打印的“人工髋臼杯植入导向器”

刘效仿的想法,恰恰是来自硅谷的DrGekLim博士正在研究的产品所能解决的问题。DrGekLim博士主攻数字影像学,在美国从事骨科仪器开发和研究,之前是贝尔实验室的博士后。她常年背着一个黑色的大背包,拎着黑色的箱子,箱子里装的是髋关节的模型和髋臼导向器,这个看起来有点像马蹄形的磁铁石的东西,最终能轻而易举地解决困扰刘效仿、周观明等骨科专家的问题。让全髋关节置换术中关键的一步———髋臼假体能够按照理想的角度植入,最大程度减少因此可能发生的磨损脱落,延长假体使用寿命。

雏形被否“太闭门造车”

每一项新的应用和研究几乎都是在一个人或者一个群体的执着推广下而诞生。这个导向板也如此。DrGekLim说起髋臼植入导向器的诞生,一再感谢刘效仿这位“伯乐”。

2015年,DrGekLim开始开发3D数字重建软件,对这个软件,作为骨科顶级专家的刘效仿给了很多意见和建议,这也恰恰是后来3D打印髋臼植入导向器能够发挥作用的基础。常年在全球各地奔波的DrGekLim对于全球的骨科手术工具、仪器等也了如指掌。“之前国外有人曾经研制出两个导向器,分别用在打磨髋臼和植入假体中,但是两个是分开的,医生需要使用两次,使用不方便;有些导向器的设计需要改造手术设备,难以推广。”DrGekLim吸取这些经验后,2016年3月份形成了设想和方案,开始申请专利。“但是毕竟这个只是技术层面的,要用到临床去,就要给临床的医生看是否使用。”DrGekLim想到了刘效仿带领的佛山市中医院。

2016年5月份的一天,她拿着设计的相片,找到刘效仿。“当时他说,这个设计很好,让我们可以先做出来。”然而,设计研究到成功应用,需要经历不断改进的过程。

时间进展到2016年6月份,刘效仿的一个电话,加快了3D打印髋臼假体植入导向器应用的历程。“刘院打电话给我说,让我先做一套导向器,想要在手术中使用,如果成功的话,就在8月份的骨科国际会议上作为案例讲解。”DrGekLim接电话后犹如打了鸡血,收到从中医院传过去的在医院做过髋关节置换手术的患者影像资料,包括CT扫描和X光片后,立刻开始着手运用3D数字化建模。

“建模后,要先按照1:1的比例打印出髋关节模型,然后根据模型,设计合适的导向器,再通过3D打印机打印。”每个髋关节的模型都是个性化的,不同的形状,设计的导向器也是唯一的。这个长约10厘米的类似马蹄形磁铁的条状物和另外类似半圆形的条状物,就是导向器。“看着简单,设计还是挺难的,竖着的导板不能太长,又不能太短,太长放不进去,太短了又会被肌肉阻挡。”横着的导板要和患者的髋关节无缝对接,且要在同一水平面,不能前凸也不能凹,力度要刚刚好。“横导板的长度不能超过髋臼杯的一半,例如髋臼假体直径4cm,横导板就不能超过2cm,太长会阻挡医生的手术。”

主攻技术产品的DrGekLim并没有太多的骨科实践经历,第一次的制作,被刘效仿一针见血地指出了弊端。“第一次的横导板,我们设计的是圆形的,刘院一看到就说,这个不能用到临床上,设计人员太闭门造车了。”刘效仿建议导板要短一点,不能妨碍医生手术,但是也不能太短,被肌肉阻隔放不进去

DrGekLim根据刘效仿的建议,对导向器长度等进行了改进,第二套的导向器获得了刘效仿的认可,刘又提出了进一步的修改建议。

48小时 定制出个性化“导向器”

经过两次的磨合后,2016年7月份的一例手术提供了一个极好的实践检验机会。刘效仿觉得时机已经成熟,决定应用导向器来做。“周观明主任给我的时间很紧。因为手术多,我必须在48小时之内做出一套个性化的导向器,送到医院消毒。”DrGekLim拿到医院给的患者影像图后,在48小时内完成建模、导向器的设计,3D打印导向器和模型,然后送到佛山市中医院消毒。

最终,刘效仿和周观明使用3D打印个性化人工髋臼杯植入导向器实施了第一例全髋关节置换术,手术很顺利也很成功。8月份,刘效仿在全国的骨科国际会议上分享了这项新的技术。11月份,周观明在COA国际会议上也分享了这项新技术。截至目前,佛山市中医院共成功通过导向杯实施了4例“全髋关节置换术”,都达到高精准度。

24岁李小米是这个新技术的4个受益者之一,此前她因双侧髋关节疼痛,影响到了正常的走路,去年底在佛山市中医院接受了“双侧全髋关节置换术”,如今已可弃拐正常行走。手术后结果显示,植入她体内的人工髋臼外展角右髋为41 ,左髋为39 .8 ,均与术前规划的40 相差小于2 ,实现了高度精准植入。“通过这个导向器植入,可以最大可能地避免因植入精度不准而可能造成的髋臼假体脱落或者磨损,减少翻修的几率。”周观明说。

而对于DrGekLim,导向器的成功不仅是事业上的成功,在她看来能够运用高科技对医生看病手术进行帮助,非常有意义。“接来下我们计划开展100例临床实验,并且收集数据,做成数据库,看看能有什么发现。”DrGekLim目前在佛山注册了一家公司,主要负责3D打印髋臼假体植入导向器的业务。

而对于佛山市中医院来说,3D打印导向器的成功也给他们提供了更多的启发和思路,刘效仿以及他的团队正在考虑如何将这项高科技应用到骨科的其他手术中。

 
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