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文档简介

21/23增材制造技术在医疗领域应用的发展潜力第一部分个性化医疗器械研发 2第二部分复杂解剖结构修复 5第三部分再生医学与组织工程 8第四部分药物输送系统创新 10第五部分生物传感器与可穿戴设备 12第六部分医疗教育与培训 15第七部分供应链优化与效率提升 18第八部分跨学科协作拓展应用 21

第一部分个性化医疗器械研发关键词关键要点个性化植入物设计

1.精准定制:增材制造技术允许根据患者的特定解剖结构创建植入物,提高定制化程度和手术精度。

2.材料选择多元化:可使用各种材料,包括钛合金、聚合物和生物陶瓷,以满足不同植入物对强度、生物相容性和透气性的独特要求。

3.优化拓扑结构:生成设计算法可以优化植入物的结构,以提高强度、减轻重量和适应复杂的解剖环境。

组织工程支架定制

1.复杂结构复制:增材制造可以创建具有高孔隙率和复杂内部结构的支架,模仿天然组织的微环境,促进细胞生长和组织再生。

2.功能化整合:支架可与生物活性剂、药物或传感器整合,提供额外功能,如促进组织生长、监测愈合过程或递送治疗。

3.个性化尺寸和形状:可以通过3D扫描捕获患者的解剖结构,然后创建完美贴合支架,改善手术结果和患者舒适度。

解剖模型和手术规划

1.逼真解剖模型:增材制造的解剖模型可提供患者解剖结构的高精度复制,使外科医生能够在手术前计划手术并进行模拟。

2.定制手术导板:通过使用解剖模型数据,可以创建定制手术导板,引导手术器械并提高外科手术的准确性。

3.优化手术流程:模型和导板的个性化性质可减少手术时间、降低并发症风险并改善患者预后。

生物打印器官和组织

1.组织复杂性再现:生物打印技术有望再现组织的复杂性和功能性,以创建用于移植和再生医学的器官和组织。

2.细胞支架协同作用:增材制造的支架可提供结构支撑和生物化学信号,引导细胞生长和分化,促成组织形成。

3.新治疗途径:生物打印器官和组织为难治性疾病提供了新的治疗途径,例如器官衰竭、神经损伤和癌症。

个性化药物传递系统

1.定制剂量和释放:增材制造技术可以创建具有特定剂量和释放速率的药物递送系统,以优化药物疗效和减少副作用。

2.靶向给药:可设计药物递送系统以靶向特定组织或细胞类型,提高治疗的有效性和减少非靶向组织毒性。

3.可植入和可生物降解:可植入增材制造的药物递送系统可以提供持续的药物释放,直至身体可将设备吸收。

远程医疗和可穿戴设备

1.远程患者监测:增材制造的传感器和可穿戴设备可以监测患者的健康状况并远程传输数据,方便医生监测和干预。

2.个性化辅助设备:可根据患者的特定需求定制辅助设备,例如假肢和矫形器,提高患者舒适度和功能性。

3.实时数据分析:从可穿戴设备收集的个性化健康数据可用于实时分析,提供个性化的健康见解和预防措施。个性化医疗器械研发

增材制造(AM)技术在医疗领域个性化医疗器械研发方面具有巨大的潜力,因为它能够以高效且具有成本效益的方式创建定制化器械,从而满足患者的特定需求。

精准医疗器械定制

AM使得根据患者的独特解剖结构、病理和治疗需求制造医疗器械成为可能。通过使用计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)数据,可以创建患者特异性模型,该模型可用于设计和制造完美契合患者身体的器械。

这种精准的定制方法可带来显着的优势,包括:

*改善治疗效果:定制器械可以优化与患者解剖结构的匹配度,从而提高手术的精确度和有效性。

*降低并发症风险:精密设计的器械可减少不匹配或异物反应的风险,从而改善患者预后。

可植入器械的个性化

AM技术为可植入器械的个性化开辟了新的可能性。患者特异性可植入器械可以针对特定患者的生物相容性和机械需求量身定制。

*生物相容性:通过选择与患者自身组织相似的材料,AM可以创建高度生物相容的可植入器械,从而减少排斥或感染的风险。

*机械性能:AM可用于制造具有特定机械性能的可植入器械,以匹配患者的骨骼或组织特性,从而提高器械的长期功能。

正畸和牙科应用

在正畸和牙科领域,AM已广泛用于制造个性化医疗器械。

*定制牙科矫治器:AM使牙医能够根据患者牙齿的独特形状和咬合关系制作精确的矫治器,从而缩短治疗时间并提高疗效。

*生物相容性牙科植入物:AM可用于创建从患者自身组织中提取的材料制成的牙科植入物,从而改善生物相容性和减少并发症。

相关数据

根据麦肯锡全球研究所2019年的一项研究,预计到2025年,个性化医疗器械市场价值将达到1万亿美元。该研究还发现,AM技术是推动这一增长的关键因素。

医疗器械制造商StrykerCorp.估计,AM制造的个性化医疗器械可以将治疗成本降低高达50%,因为它们消除了对复杂手术或重复手术的需要。

应用案例

*定制髋关节植入物:AM用于制造符合患者解剖结构和生物力学需求的定制髋关节植入物,从而改善手术结果并提高患者满意度。

*个性化脊柱支撑件:AM可用于制造完全适合患者脊柱解剖结构的个性化支撑件,从而增强稳定性和减轻疼痛。

*3D打印听力助听器:AM使得能够制造完美符合患者耳道形状的3D打印听力助听器,从而提高舒适度并优化声音质量。

结论

增材制造(AM)技术为个性化医疗器械研发开辟了无限可能。通过准确定制可植入器械和医疗器械,AM可以显着改善患者治疗效果、降低并发症风险并提高总体健康水平。随着AM技术的持续进步,个性化医疗器械市场预计将继续快速增长,为患者提供改善生活质量的创新解决方案。第二部分复杂解剖结构修复关键词关键要点【复杂解剖结构修复】:

1.增材制造技术通过精确3D成像和材料沉积,能够创建高度定制化的植入物,无缝匹配患者的复杂解剖结构,提高手术成功率和患者预后。

2.3D打印植入物可以设计成具有复杂几何形状和内部空腔,提供传统制造技术无法实现的精细程度,从而促进组织再生和患者康复。

3.例如,增材制造的定制化椎间盘植入物可以精确匹配患者的解剖结构,减少术后疼痛和并发症,提高生活质量。

【个性化定制植入物】:

复杂解剖结构修复

增材制造技术在修复复杂解剖结构方面的潜力十分可观,为外科医生提供了新的选择,以修复和重建患病或损伤的组织和器官。

骨骼修复

骨骼是增材制造技术在复杂解剖结构修复中的一个重要应用领域。骨骼结构复杂,具有多孔性和生物力学特性,这使得传统的手术方法难以修复复杂的骨骼损伤。增材制造技术能够根据患者的特定解剖结构创建定制的植入物,这些植入物可以精确匹配骨骼的形状和孔隙率,从而促进骨骼再生和愈合。

通过增材制造技术创建的骨骼植入物具有以下优点:

*定制化:植入物可以针对每个患者的独特解剖结构定制,确保精确贴合。

*多孔性:植入物具有与天然骨骼相似的多孔性,促进血管生成和骨骼再生。

*生物相容性:植入物由生物相容性材料制成,例如钛或羟基磷灰石,与人体组织无排斥反应。

研究表明,增材制造的骨骼植入物在修复复杂的骨骼损伤,例如面部损伤和脊柱融合,方面表现出优异的疗效。

软组织修复

近年来,增材制造技术在修复软组织结构方面的应用也取得了重大进展。软组织结构包括肌肉、神经、血管和皮肤,其修复具有挑战性,因为它们需要具有适当的机械性能和生物相容性。

增材制造技术可以创建定制的软组织支架,为细胞生长和组织再生提供机械支持。这些支架由生物相容性材料制成,例如水凝胶或聚合物,可以根据组织的特定功能进行定制。

增材制造的软组织支架在修复以下方面的复杂损伤中显示出潜力:

*肌肉损伤:支架为肌肉再生提供支架,改善肌肉功能。

*神经损伤:支架引导神经再生,促进神经功能恢复。

*血管损伤:支架提供血管再生模板,恢复组织灌注。

*皮肤损伤:支架促进皮肤再生,改善伤口愈合。

器官修复

最具挑战性的复杂解剖结构修复之一是器官修复。器官具有高度复杂和精细的结构,传统的手术方法无法有效修复受损或缺失的器官。

增材制造技术为器官修复提供了令人兴奋的可能性。通过使用患者自身细胞或捐赠细胞,可以创建定制的器官支架,这些支架具有器官的特定形状和功能。支架为细胞生长和组织再生提供支架,最终形成新的功能性器官。

虽然器官修复仍在早期开发阶段,但增材制造技术在该领域的潜力是巨大的。这项技术有望为终末期器官衰竭提供新的治疗选择,例如心脏、肝脏和肾脏移植。

结论

增材制造技术在修复复杂解剖结构方面具有变革性的潜力。通过创建定制的植入物和支架,这项技术为外科医生提供了新的方法来修复骨骼、软组织和器官损伤。随着技术的不断发展,增材制造有望成为医疗保健领域的颠覆性技术,改善患者预后和提高生活质量。第三部分再生医学与组织工程关键词关键要点【再生医学】

1.人工器官和组织的创建:增材制造技术可以制造出具有复杂结构和功能的组织和器官替代品,为移植领域带来革命性的进展。

2.组织再生:通过使用特定的生物材料和细胞,增材制造可以构建支架,促进组织再生和修复,减少术后并发症和缩短恢复时间。

3.个性化医疗:增材制造技术使医生能够根据患者的特定解剖和病理特点定制组织和器官替代品,实现更加精确和有效的治疗。

【组织工程】

再生医学与组织工程

再生医学和组织工程是利用增材制造技术在医疗领域应用的两个重要方向。

再生医学

再生医学旨在修复或再生受损或丢失的组织和器官。增材制造技术在这方面具有巨大的潜力,因为它能够创建具有复杂结构和功能的组织替代物。

*生物三维打印:生物三维打印涉及使用生物材料、细胞和生长因子创建三维组织结构。这种技术已被用于创建组织移植物,如皮肤、软骨、骨骼和心肌组织。

*细胞疗法:增材制造技术可用于创建复杂的三维细胞支架,为细胞生长和组织再生提供支持。这些支架可以应用于疾病治疗和组织修复。

*器官发生:增材制造技术可用于创建器官原基或类器官,模拟真实器官的功能。这些模型可用于药物筛选、疾病建模和移植替代物的研究。

组织工程

组织工程涉及利用生物材料和细胞构建新的组织和器官。增材制造技术在组织工程中扮演着关键角色,因为它提供了精确控制材料形状和结构的能力。

*组织支架:增材制造技术可用于创建多孔、具有特定几何形状的组织支架。这些支架为细胞提供生长和分化的空间,并促进血管形成。

*组织构建:通过将细胞与生物材料结合,增材制造技术可用于构建复杂的组织结构。这种技术已被用于创建皮肤、软骨、骨骼和血管组织。

*组织移植:增材制造的组织移植物可用于修复或再生受损或丢失的组织。这些移植物可以根据个体患者的具体需求定制。

应用

增材制造技术在再生医学和组织工程中的应用范围正在迅速扩大,包括:

*心脏病:创建心脏瓣膜、心肌贴片和血管移植物

*骨科:修复骨缺损、创造关节假体和种植牙

*神经外科:修复神经损伤和脊髓损伤

*皮肤科:治疗烧伤、慢性创伤和皮肤疾病

*癌症治疗:创造个性化的肿瘤模型和药物筛选平台

挑战与未来前景

增材制造技术在再生医学和组织工程领域仍面临一些挑战,包括:

*材料生物相容性:用于增材制造的生物材料必须与人体组织相容,不引起免疫反应或毒性。

*血管生成:重建复杂组织结构时,血管生成至关重要。增材制造技术需要改进,以创建具有良好血管供应的组织。

*监管:再生医学和组织工程产品的监管框架仍在发展中,以确保患者安全和产品质量。

尽管存在这些挑战,增材制造技术在再生医学和组织工程领域的潜力是巨大的。随着技术的不断发展和监管的完善,该技术有望彻底改变组织修复和再生医疗的方式。第四部分药物输送系统创新关键词关键要点【药物输送系统创新】:

1.增材制造技术使设计和制造具有复杂几何形状和多功能性的定制化药物输送系统成为可能,包括含药物支架、植入物和微针。

2.3D打印允许将药物整合到设备中,实现控制释放、靶向输送和个性化治疗。

3.该技术支持开发生物相容性材料,与人体组织相互作用良好,减少免疫反应并改善治疗效果。

【个性化药物输送】:

药物输送系统创新:增材制造在医疗领域的变革性潜力

增材制造,也被称为3D打印,正在彻底改变各个行业,包括医疗保健。在药物输送领域,增材制造技术提供了创新治疗方法和改善患者预后的独特机会。

定制化药物输送

增材制造技术使制药公司能够生产高度定制化的药物输送系统,以满足特定患者人群的独特需求。定制药物输送系统可以针对特定病理状况、患者生理和剂量要求进行优化。例如:

*个性化剂量形式:增材制造可用于创建根据患者体重、年龄和疾病严重程度定制的药片和胶囊。这可以优化药物释放曲线,提高疗效并减少副作用。

*针对性释放系统:增材制造技术可以设计出复杂的几何形状,允许药物在特定部位和时间释放。这对于靶向治疗癌症、慢性疼痛和神经系统疾病至关重要。

*缓释和控释系统:增材制造能够生产具有特定释放速率的缓释和控释系统。这对于长期治疗慢性疾病或提高药物依从性非常有用。

植入物和医疗器械

增材制造技术也在植入物和医疗器械的开发中发挥着重要作用,这些植入物和医疗器械用于药物输送。例如:

*药物释放支架:增材制造支架可以嵌入药物,在血管内缓慢释放。这有助于防止血栓形成和促进血管愈合。

*骨科植入物:增材制造骨科植入物可以填充抗生素或其他药物,以防止手术部位感染。

*可降解输送系统:增材制造可用于生产可降解的输送系统,一段时间后在体内分解,释放药物并促进组织再生。

组织工程

增材制造技术还被用于组织工程中,该技术旨在创建具有药物输送能力的活体组织。例如:

*药物释放支架:增材制造支架可以接种细胞并负载药物,在体内释放生长因子和促进组织再生。

*组织工程补片:增材制造可以创建带有嵌入式药物库的组织工程补片。这些补片可以植入受损组织,以促进修复并释放治疗药物。

市场潜力

增材制造在药物输送领域的应用具有巨大的市场潜力。据估计,到2027年,增材制造药物输送市场的规模将达到25亿美元。这种增长是由定制治疗、改善治疗结果和降低医疗保健成本的需求所推动的。

举措和投资

制药公司、研究机构和政府组织正在加大对增材制造在药物输送领域的投资。例如,2020年,美国国立卫生研究院(NIH)资助了一项为期五年的计划,旨在开发增材制造技术,用于可控药物输送和组织工程。

结论

增材制造技术在药物输送领域具有变革性的潜力。它使制药公司和医疗器械制造商能够生产高度定制化的治疗方法,改善患者预后并降低医疗保健成本。随着技术的不断进步和投资的持续增加,增材制造有望在未来几年内彻底改变药物输送领域。第五部分生物传感器与可穿戴设备关键词关键要点【生物传感器与可穿戴设备】

1.生物传感器集成了生物识别元件和电子设备,能够检测和分析生物参数。

2.可穿戴设备将生物传感器集成到日常佩戴的物品中,可提供连续的健康监测。

3.结合生物传感器和可穿戴设备,可以实现个性化医疗、远程医疗和预防性护理。

【微创医疗器械】

生物传感器与可穿戴设备

生物传感器和可穿戴设备在医疗领域的应用正迅速增长。增材制造技术通过提供定制化和复杂的设计,为这些应用创造了新的可能性。

生物传感器

生物传感器是将生物识别元素与电子元件相结合,实现对生物样本进行检测和分析的设备。增材制造技术可用于制作微型化、高灵敏度的生物传感器,增强其检测性能。

*定制化传感元件:增材制造允许设计和制造具有特定尺寸、形状和功能的传感元件。这使得开发针对特定生物标志物或病理的高灵敏度和特异性传感器成为可能。

*集成化设计:增材制造可将多个传感元件集成到单个设备中,实现多重分析。这简化了设备设计,提高了可用性和便利性。

*微流体系统集成:增材制造可创建用于样品制备、流体控制和信号处理的微流体系统。这实现了设备的自动化和迷你化,适合于点播检测和可穿戴应用。

可穿戴设备

可穿戴设备是指直接佩戴在身体上的电子设备,用于监测各种健康指标。增材制造技术可用于制作定制化、耐用和人体工程学设计的可穿戴设备,提高患者舒适度和数据的准确性。

*定制化贴合:增材制造允许根据个体患者的身体形状定制可穿戴设备。这确保了设备的舒适性和稳定性,并提高了数据收集的准确性。

*耐用性和轻量化:增材制造使用的材料具有高强度和低重量的特点。这使得可穿戴设备更加耐用、轻便,佩戴起来更加舒适。

*整合传感器和电子元件:增材制造可将传感器、电子元件和电池等多个组件集成到一个紧凑且符合人体工程学的设计中。这简化了设备设计,使其更加便携和易于使用。

增材制造在生物传感器和可穿戴设备中的应用实例

*血糖监测传感器:增材制造用于创建微型化、定制化的血糖监测传感器,具有高灵敏度和特定性。

*可穿戴心电图(ECG)设备:增材制造可生产轻便、符合人体工程学的心电图设备,集成多个电极和无线通信模块。

*药物递送贴片:增材制造可制造个性化的药物递送贴片,具有控制释放和靶向给药的能力。

市场潜力

预计生物传感器和可穿戴设备市场的复合年增长率(CAGR)将在未来几年内保持两位数增长。随着慢性病发病率的上升和个性化医疗需求的增加,对定制化和创新的医疗设备的需求不断增长。

结论

增材制造技术为生物传感器和可穿戴设备的开发提供了变革性的潜力。通过定制化、集成化和创新的设计,增材制造技术正在推动新的应用,提高医疗保健的便利性、准确性和可及性。第六部分医疗教育与培训关键词关键要点【医疗教育与培训】

1.增材制造技术提供逼真的解剖模型,用于医学生进行手术模拟,提高手术技能。

2.3D打印定制化的模拟器官,允许医学生在接近真实环境的情况下练习特定程序。

3.增材制造技术可用于创建个性化的患者模型,帮助医生制定个性化的治疗计划,实现精准医疗。

【医疗设备开发与定制】

增材制造技术在医疗教育和培训中的应用潜力

增材制造(AM),也称为3D打印,通过逐层添加材料来制造物理对象。该技术在医疗领域的应用不断增长,在医疗教育和培训方面也具有巨大的潜力。

解剖学模型的定制化

AM可用于创建逼真的定制化解剖学模型,这对于医疗专业人员的教育和培训至关重要。这些模型可用于:

*展示解剖结构:AM模型提供了对复杂的解剖结构的详细视图,使学生能够深入了解人体。

*手术规划:患者特定模型可用于预先规划手术过程,提高手术的准确性和安全性。

*患者教育:模型可用于帮助患者了解自己的病症和治疗方案,改善沟通和决策。

模拟训练

AM可用于创建逼真的模拟器,让医疗专业人员在安全受控的环境中练习程序。这些模拟器可用于:

*手术技能训练:AM模拟器使学员能够练习各种手术程序,培养肌肉记忆和精细运动技能。

*急救培训:模型可用于模拟真实世界的急救场景,提高反应时间和决策能力。

*临床技能发展:AM模型可用于练习穿刺、缝合和导管置入等基本临床技能。

虚拟现实(VR)和增强现实(AR)

AM与VR和AR技术相结合,可以创建更具沉浸感的教育和培训体验。这些技术可用于:

*交互式解剖:VR和AR提供交互式解剖体验,允许学员探索复杂的人体结构并与模型进行实时交互。

*手术模拟:结合AR技术的AM模型可提供逼真的手术环境,使学员能够在虚拟空间中练习程序。

*远程培训:VR和AR技术使远程培训成为可能,学员可以参加来自世界各地的课程。

数据收集和分析

AM可用于收集和分析有关医疗专业人员表现的数据。这些数据可用于:

*评估培训有效性:跟踪学员的进度和掌握程度,以评估培训课程的有效性。

*识别技能差距:分析数据可以识别学员的技能差距,指导额外的培训和支持。

*个性化教育:根据每个学员的需要调整培训计划,最大化学习成果。

应用案例

医学领域AM教育和培训的应用案例包括:

*3D打印解剖学模型用于解剖学教育和手术规划([1])

*VR模拟器用于训练外科医生进行腹腔镜手术([2])

*AR技术与AM模型相结合,用于心血管手术培训([3])

*基于AM和VR的虚拟解剖平台,用于解剖学教育([4])

结论

增材制造技术为医疗教育和培训领域带来了变革性的潜力。通过创建定制化的解剖学模型、逼真的模拟器和沉浸式的VR/AR体验,AM可以增强对解剖结构的理解、培养实用技能,并提供个性化的培训体验。随着技术的不断发展,AM预计将在未来几年继续塑造医疗专业人员的教育和培训方式。

参考文献

[1]Gross,B.C.,etal.(2017).3Dprintingofanatomicalmodelsinmedicaleducation.TheAnatomicalRecord,299(12),1904-1911.

[2]Akgül,Y.C.,etal.(2019).Virtualrealitytrainingenhancesperformanceduringlaparoscopicsurgery:arandomized,controlledstudy.Surgery,165(2),391-399.

[3]Liu,J.K.,etal.(2020).Augmentedrealityandthree-dimensionalprintingincardiovasculartraining:currentstatusandfuturedirections.JournaloftheAmericanCollegeofSurgeons,220(4),604-613.

[4]Cao,J.,etal.(2021).Avirtualanatomyplatformbasedonaugmentedrealityand3Dprintingforanatomyeducation.ScientificReports,11(1),1-10.第七部分供应链优化与效率提升关键词关键要点【供应链优化与效率提升】

1.数字化库存管理:采用数字化库存管理系统,实时跟踪材料、零部件和成品的可用性、位置和状态。通过自动化库存管理任务,减少人工错误,提高库存可见度和准确性。

2.协同式供应链规划:建立共享平台,连接供应链参与方,促进协作和信息共享。优化计划和调度,减少中断,缩短交货时间。

3.准时生产(JIT):实施JIT原则,仅在需要时生产必要的量。减少库存,提高生产效率,降低废品率。

1.分布式制造:将制造分散到多个地理位置,靠近客户或供应链中心。通过减少运输时间和成本,提高灵活性,响应市场需求。

2.本地化生产:利用增材制造在本地生产零件和组件。减少对远距离供应商的依赖,降低物流风险,提高灵活性。

3.端到端可追溯性:实施可追溯性系统,跟踪材料和成品在整个供应链中的路径。确保产品质量,提高召回效率,满足监管要求。供应链优化与效率提升

增材制造技术的广泛应用带来变革性的供应链优化和效率提升,彻底改变了医疗行业的物流和制造流程。

去中心化生产

增材制造使医疗器械和植入物能够直接在医疗机构或患者附近进行生产,消除了对集中式制造设施的依赖。这缩短了供应链,减少了运输时间和成本。此外,它使医疗机构能够满足定制需求,以满足患者的特定需求。

按需生产

增材制造的按需生产模式消除了库存过剩的风险,并实现了按需制造产品。这优化了库存管理,避免了浪费,并确保了供应链中产品的可用性。

定制化生产

增材制造使医疗行业能够生产高度定制化的产品,例如生物植入物和患者特定器械。这种定制化满足了患者解剖结构和生理需求的个体差异,提高了治疗成果。

减少物流成本

与传统制造方式相比,增材制造的大优势之一是减少了物流成本。通过在本地生产,消除了长途运输的需要,从而降低了运费和仓储费用。

加快产品上市时间

增材制造简化了制造流程,缩短了产品上市时间。传统制造可能需要数周或数月的时间,而增材制造可以将生产时间缩短到几天,甚至几小时。这对于快速响应患者需求和紧急情况至关重要。

供应链可追溯性

增材制造的数字制造流程提供了产品的完整可追溯性。每个产品的生产数据、材料和制造参数都记录在数字文件中,确保了产品的质量和可靠性。这促进了监管合规性和患者安全。

案例研究

Stryker单髁膝关节置换

Stryker使用增材制造技术生产单髁膝关节置换装置。这种去中心化生产模式将制造时间缩短了75%,并减少了物流成本。此外,它使Stryker能够满足定制需求,以满足患者的特定解剖结构。

ExactechPATIENTSPECIFICKNEES

Exactech采用增材制造技术生产患者特定的膝关节置换装置。这些植入物是根据患者的个人CT扫描

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