快速成型技术在脊柱外科中的应用研究现状

1、快速成型技术在脊柱外科中的应用研究现状         10-05-03 14:15:00     作者：陈玉兵， 陆声，徐永    编辑：studa20【摘要】  快速成型是一种进行物理模型快速制作的新兴技术， 已广泛应用于颌面外科、神经外科、矫形外科等医学领域。本文介绍了脊柱外科中常用的快速成型技术及其应用原理，综述了快速成型脊柱实物模型及个体化模板在术前规划、手术模拟、定制植入物和内固定装置、辅助椎弓根螺钉内固定等方面的

2、应用研究现状，对快速成型技术在脊柱外科领域的应用前景进行了展望。 【关键词】  快速成型； 脊柱外科； 实物模型； 个体化模板    Abstract：Rapid prototyping is a generic name given to newly emerging technologies that may be used to fabricate rapidly physical objects directly from Computer Aided Design data sources.It has been applied widely

3、to a range of medical specialties,including maxillofacial surgery,neurosurgery and orthopedic surgery.In this article,various kinds of rapid prototyping technologies and their principles of application in spine surgery are summarized.Subsequently,current application and research of physical biomodel

4、ings and individual templates which produced from rapid prototyping is reviewed,including preoperative planning,surgical simulation,custom implants and internal fixation device,and assisted pedicle screw fixation in spine surgery.Finally,a prediction is made for using rapid prototyping technologies

5、in spinal surgery.    Key words：rapid prototyping;  spine surgery;  physical biomodeling;  individual templates     快速成型(rapid prototyping,RP)技术20世纪80年代起源于机械工程领域，是集新型材料科学、计算机辅助设计、数控技术、激光技术为一体，基于离散、堆积原理逐层累加进行物理模型快速制作的综合技术；其突出特点是分层叠加、善于制造复杂实体且具有较高的精确度，

6、目前已广泛应用于颌面外科、神经外科、矫形外科等医学领域14。近年来，快速成型技术在脊柱外科中的应用研究也逐渐增多519，主要集中在快速成型脊柱实物模型和快速成型个体化模板两个方面，本文通过复习国内外有关文献，将这方面的研究应用现状做一综述。    1  脊柱外科中常用的快速成型技术    RP技术根据成型方法可分为2类：基于激光及其他光源的成型技术如：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)选域激光烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等；  基于喷射的成型技术：熔融沉积成型(FDM)、三维印刷  (

7、3DP)、多相喷射沉积(MJD)等。其中，光固化成型是RP的典型技术之一。它以光敏树脂为原料，通过计算机分层控制紫外激光在树脂表面逐点扫描，扫描区的树脂产生光聚合反应而固化形成一个薄层。然后工作台下降一个层厚的距离，使固化好的树脂表面再敷上一层新液体树脂后进行下一层的扫描加工。如此重复直到获得一个三维实体原型。FDM、3DP是利用热塑性材料(如聚碳酸酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯等)的热熔性、黏结性，在计算机控制下层层堆积成型。SLS是利用热塑性粉末状材料(如硬聚酰胺)成型。目前，RP技术在脊柱外科以SLA技术最为常用514,1819，其他采用的RP技术有FDM11、3DP15,17和SLS16，&#

8、160; 医学影像资料均通过CT扫描获得519。    2  脊柱实物模型的应用研究    2.1  脊柱实物模型的制作流程    首先对要建模的脊柱进行CT连续扫描，将获得的CT扫描数据导入三维重建软件，用计算机辅助设计生成三维模型并转换成快速成形机可接受的数据格式，然后利用快速成形技术精确成形脊柱实物模型511,1819。    2.2  脊柱实物模型在脊柱外科中的应用    2.3  脊柱实物模型有用

9、性评价    Izatt等10对脊柱实物模型在复杂脊柱外科中的有用性进行了定量化研究。他们共在26例病人(脊柱畸形21例，脊柱肿瘤5例)中应用了28个脊柱实物模型，术前通过脊柱实物模型进行手术规划，定制植入物，为手术提供解剖学参考。结果显示：65的病例通过实物模型能够获得比CT、MRI、X线片等医学影像资料更加详细的解剖学信息；11的病例只有在实物模型上才能获得手术所需要的解剖学信息，其他医学影像资料无法提供。通过术前应用实物模型52的病例导致植入物植入决策的改变，74的病例导致植入物植入部位的改变。实物模型的应用能减少脊柱肿瘤手术8%的操作时间，和脊柱畸形手术2

10、2%的操作时间。手术证实58的实物模型解剖和术中解剖几乎完全相同，39的实物模型解剖和术中解剖完全相同，只有1例实物模型和术中解剖稍有差异。另外，通过应用实物模型能够和患者本人或家属进行更好地交流沟通，便于手术团队之间的交流，最大限度地减少分歧和失误。Guarino等11的研究表明：脊柱实物模型对术前规划，术中提供参考十分有用。通过应用实物模型能够增加小儿脊柱外科手术的安全性，减少手术操作时间，能够和患者家属进行更好地交流沟通。    3  个体化模板的应用研究    3.1  个体化模板的设计及制作    首先对要进行椎弓根螺钉或经关节突螺钉固定的脊柱椎体进行CT连续扫描，将获得的CT扫描数据导入三维重建软件，用计算机辅助设计生成三维模型，转换成快速成形机可接受的数据格式，在三维重建模型上寻找椎弓根螺钉或经关节突螺钉的最佳进钉点和进钉通道，并提取椎体后部骨性结构(椎板、棘突、横突、侧块等)的表面解剖学形态，建立与椎体后部骨性结构解剖学形态一致的模板，将螺钉的最佳进钉通道和模板拟合为一体，形成带有定位导向孔的个体化模板，采用快速成型技术将个体化实物模板生产出来。螺钉的最佳进钉通道一般被制造成具有一定长度和直径的空心圆柱体，圆柱体内