子供の足と足首の変形の診断と治療における3Dプリント技術の応用

3D 印刷技術は、ラピッドプロトタイピング技術または積層造形技術とも呼ばれ、通常、医療分野で CT や MRI などの画像データに基づいてコンピューターのデジタルモデルファイルを構築します。粉末金属やプラスチックなどの接着材料を使用して、層ごとに印刷し、異なる形状の連続層を重ね合わせることで、3 次元オブジェクトを構築します。近年では、整形外科、口腔外科、心臓外科、脳神経外科などの分野でも利用されるようになっています。子どもの足と足首は、骨、関節、筋肉、靭帯、腱など多くの構造が関わる複雑な解剖学的器官です。子供の足と足首の変形は、もともと複雑な足と足首の構造と生体力学に多くの変化を引き起こし、子供の足と足首の変形の理解と治療を困難にします。現在、子供の足と足首の変形の診断と治療において、3Dプリント技術は主に治療計画の策定、微細な整形外科用インプラントの印刷、個別の足と足首の装具の作成に役立てられています。

まず、比例モデルを準備し、治療計画の策定を支援します

内反足などの小児の足や足首の変形は、足や足首のより多くの骨、筋肉、腱の変化を伴うため、小児整形外科医は、その複雑な病理学的解剖学的構造を包括的かつ三次元的に理解する必要があります。従来の 2 次元画像では、足と足首の 3 次元幾何学構造をほとんど表示できません。現在広く使用されている 3 次元再構成画像でさえ、人々に直感的な解剖学的印象を与えることはできません。比例モデルの作成は、医療分野における 3D プリント技術の最も早い応用です。従来の画像の欠点を補い、足と足首の微細構造を直感的かつ鮮明に立体的に表示できます。足と足首の変形の診断、術前治療計画の策定、術前の医師と患者のコミュニケーション、術中の比較参照などに使用できます。

ギュンター・ウィンディッシュ氏らは、3次元マイクロ断層撮影システムを使用して高解像度の内反足モデルを印刷し、内反足の複雑な解剖学的構造を研究し、小児整形外科医や理学療法士が内反足の新しい手術法や手動整復法を開発するのに役立てました。 Zhang Wei らは、骨髄炎後の重度の足首変形の症例に 3D プリントされた足と足首のモデルを適用したことを報告しました。著者らは、まず、患部の足首関節の比例ソリッドモデルを印刷し、次にミラーリング技術を使用して健康な足首関節データをミラーリングし、患部の正常な足首関節の仮想比例モデルを取得しました。患部の足首関節と正常な患部の足首関節の仮想物理モデルを比較することにより、物理モデル上で骨切り面と角度を設計し、手術中の参照とガイダンスとして使用しました。この複雑な足首の変形に対する手術は無事に完了しました。手術後、子供の足首関節の外観と機能は良好に回復しました。

Gao Bin氏らは、3Dプリント技術を使用して、複雑な扁平足に比例した立体モデルを作成し、複雑な扁平足の外科的治療を支援した。このモデルは、手術前の計画や手術のシミュレーションに使用して最適な手術計画を立てるだけでなく、モデルを通じて患者の家族とコミュニケーションをとることもできるため、患者の家族は扁平足の手術を十分に理解でき、医師と患者の間の対立を減らすことができます。同時に、視覚化された 3D プリントモデルは若い医師にとって重要な学習ツールでもあり、複雑な整形外科手術を行う際の若い医師の学習曲線を短縮することができます。

1990 年代以降、保存的治療、特にポンセティ法が普及したことにより、内反足の治療に好まれる方法としての従来の手術の割合は大幅に減少しました。しかしながら、繰り返しの保存的治療に反応しない、再発する、あるいは高齢患者によく見られる一部の内反足に対しては、手術は依然として必要な治療選択肢です。李涛らは、複雑な内反足変形矯正手術における3Dプリントの応用について予備調査を行った。内反足の子供の術前CTスキャンデータをコンピューターにインポートした後、リバースエンジニアリング技術とラピッドプロトタイピング技術を通じてデジタル3次元足首変形モデルを再構築し、診断、術前計画、術中参照に応用した。

3Dプリントされた足首モデルは、複雑な内反足の各部の解剖学的構造の空間関係と足首の3次元形態を正確に表示し、手術の精度と安全性を向上させ、手術時間を短縮し、術中の出血を減らします。しかし、軟部組織のリリースは内反足手術において非常に重要であるため、CT データと MRI データを組み合わせて足と足首の変形と軟部組織の関係を示す方法については、さらなる研究が必要であり、これは現在の 3D プリント比例モデルの大きな欠陥でもあります。

2番目の挿入物の印刷<br /> 3D プリント材料の発展に伴い、3D プリント整形外科インプラントの応用がますます注目を集めています。従来のインプラントは、通常、メーカーが製造し、医師が患者に合わせて選択します。この選択方法はやや盲目的であり、サイズとモデルは正確というよりは、可能な限り近いものになります。小児整形外科では、小児用インプラントのモデルに大きな違いがあり、また、より小型のモデルが少量生産されていることが多いため、インプラントの選択が困難な問題となり、一部の手術が制限されることがあります。さらに、足首の距骨と踵骨は極めて不規則な形状をしており、その他の足根骨と中足骨は比較的小さいため、従来の方法で作られたインプラントでは、これらの小さく不規則な骨に適合させることは困難です。

足根骨と中足骨の間には関節が多くありますが、軟部組織は少ないため、インプラントは高精度でなければ配置が困難になる可能性があります。 3D プリントされたインプラントのほとんどは患者の画像データに基づいているため、インプラントの個別化が実現され、モデルの制限、マッチングの難しさ、精度の低さなど、小児の足と足首の外科用インプラントの欠点が解決されます。スミスらは、3D プリント技術を使用して、外反母趾の外科的矯正用のチタン合金プレートを製造しました。このチタン合金プレートは、第 2 中足骨のより小さな断面と非対称の解剖学的構造と非常に適合性が高く、従来のインプラントによる応力不均衡が原因で起こる第 2 中足骨の疲労骨折を軽減します。

同時に、中足骨の周囲には軟部組織が少ないため、この高度に適合したチタン合金プレートは、インプラントが皮膚の外側に突出することや皮膚への刺激を軽減することができます。著者らは、この 3D プリントされた鋼板を先天性外反母趾の子供の治療に使用し、良好な結果を達成しました。小児整形外科における金属インプラントの使用は成人整形外科に比べるとはるかに少ないものの、3Dプリントインプラントの将来性が良好であることを考えると、将来的には3Dプリントインプラントが子供の足や足首の変形の治療において重要な役割を果たすことが予測されます。特に、変形矯正後の骨移植材の充填は小児整形外科領域で広く利用されるようになるでしょう。

3番目の足首装具の製作

現在、市場に出回っているカスタマイズ足首装具のほとんどは石膏型から作られています。製造方法は基本的に、固有の型から必要な装具を「彫り出す」ものであるため、足首装具の新機能や特徴の開発には限界があります。近年、コンピュータ支援設計製造（CAD/CAM）が装具の設計と製造に使用され始めています。装具の製造プロセスには、まず装具モデルの輪郭を収集してデジタル化し、CADソフトウェアを介して装具の処理に必要なデータを出力し、次にCAMソフトウェアを使用してデータを変換し、最後に処理装置を使用して足と足首の装具を製造することが含まれます。

3D プリントは、コンピュータ支援製造 (CAM) の一種であり、階層化処理と付加形成を使用して材料を層ごとに追加し、モデルエンティティ全体の構築を完了します。この特徴により、患者のニーズに応じて足と足首の複雑な解剖学的構造に適合するさまざまな微細矯正器具を生産することが可能となり、足と足首の矯正器具の特殊機能に対するさまざまな患者のニーズを満たすことができます。これにより、矯正器具は継続的に新しい特徴と機能を開発することができ、研究者に設計の自由度が高まり、矯正器具の真の「個別化」が実現します。 Vijayaragavan らは、内反足の 6 歳児の足と足首の CT スキャンを実施し、CT スキャンデータを 3 次元で再構成し、ABS-M30 材料を使用して子供の足と足首のモデルを印刷しました。この足と足首のモデルに基づいて、コンピュータ支援設計 (CAD) によって仮想装具が設計され、足と足首の装具の弾性指数と、尖足のさまざまな部分に対する装具の圧力分布がソフトウェア上でテストされました。ポンセティ法で内反足を矯正するには、約 6 週間のギプス固定が必要です。一部の子供にとっては、長期間のギプス固定は受け入れがたいものです。著者は、この装具を従来のギプス固定に代えて使用し、子供たちが不適切なギプスではなく、より快適な装具を着用できるようにしたいと考えています。

スコットらは、3D プリントを使用して、脳性麻痺の子供の病的な歩行を改善するための装具を製作しました。この装具の硬さの調整機能は従来の装具では実現が難しく、多くの研究により、硬さの調整機能がこのタイプの足首装具の最も重要な特徴であることが示されています。しかし、この装具はまだ実験段階であり、臨床使用には至っていません。 Vitoらは、内反足の子どもが歩くときに足裏のさまざまな部分にかかる圧力の分布を研究しました。3Dプリント技術を使用して作られたブレースパッドは、さまざまな部分で厚さが異なり、足裏のさまざまな部分の圧力を再分配して、内反足の矯正の目的を達成します。同時に、従来の装具と比較して、この 3D プリント装具は子供の足にフィットし、より快適に着用できます。この 3D ブレースは現在バイオダイナミック研究中です。

第4次申請見込み
新興技術として、3D プリンティングは医療分野に大きな影響を与えています。現在、子供の足や足首の変形に対する 3D プリントの最も広く使用されている用途は、依然として比例立体モデルの印刷です。比例した足と足首のモデルを印刷することで、手術前に足と足首の変形の解剖学的構造を詳細に研究することができ、医師と患者のコミュニケーション、手術計画の設計、手術中の参照と比較に役立ち、手術の精度と成功率が向上します。内反足に代表される子供の足と足首の変形には、足と足首の装具に対する大きなニーズがあります。現在、さまざまな種類の 3D プリントされた足と足首の装具が積極的に研究されています。 3D プリント装具はまだ臨床治療に広く使用されていませんが、3D プリント技術の発展と成熟に伴い、臨床現場ではますます個別化された装具が使用され、装具の新しい機能や特徴も大きく発展することが予想されます。インプラントは子供の足や足首の変形にはほとんど使用されておらず、金属物の埋め込みは現時点では現実的ではありませんが、整形外科手術における骨欠損の充填には幅広く応用できる可能性があります。幹細胞技術に関する徹底的な研究が継続されれば、幹細胞や骨芽細胞を運び、精密に印刷された生物学的足場材料、さらには 3D プリントされた腱や靭帯が、臨床現場で広く使用されるようになると考えられます。

原著者: Nan Guoxin 著者所属: 重慶医科大学付属小児病院整形外科 II 科 (重慶、400014)
基金名：重慶医科大学付属小児病院臨床研究基金（プロジェクト番号：6000064）

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