整形外科およびリハビリテーション補助器具における3Dプリント技術の応用

整形外科およびリハビリテーション補助器具における3Dプリント技術の応用

近年、医療用画像技術と画像処理ソフトウェアの向上に伴い、3Dプリント技術が徐々に臨床現場に応用され、関連する基礎および臨床科学研究が促進されています。整形外科やリハビリ補助機器の分野では、3Dプリントの基本的な操作プロセスは、まず患者の患部のCT画像やMRI画像を取得し、それをDICOMファイル形式でモデリングソフトウェア(Mimics、Simplewareなど)にインポートし、リバースエンジニアリング設計ソフトウェア(Geomagicなど)とコンピュータ支援ソフトウェア(CAD)で処理して3Dモデルを取得し、最後にモデルファイルを3Dプリンターに入力して製造することです。

各種 3D プリント技術の基本原理は同じですが、成形方法と印刷材料に応じて次のカテゴリに分類できます。
①選択的レーザー焼結法(SLS):レーザーを使用して熱可塑性粒状材料、金属粉末、セラミック粉末などを選択的に融合する。
② ステレオリソグラフィー(SLA):紫外線レーザーを使用して感光性ポリマーを層ごとにスキャンし、液体の蓄積から固体の状態を形成します。
③ 熱溶解積層法(FDM):加熱後、ABS、PLAなどの熱可塑性材料を押し出して層ごとに積層します。
④ 積層造形(LOM):薄いシート材の表面にホットメルト接着剤を塗布し、層ごとに切り貼りして形成します。
⑤ 選択的レーザー溶融法(SLM):レーザービームを使用して金属粉末を溶かし、それを固めて形を作ります。
⑥ 電子ビーム溶解法(EBM):電子ビームを使用して金属粉末を溶かし、固めて形を作る。
⑦ バイオプリンティング:主に生物細胞をバイオインクとして使用し、それを生物の足場に噴霧して誘導培養します。

整形外科およびリハビリテーションの分野では、SLA は高精度の複雑なモデルの製造に適していますが、高価であり、利用可能な印刷材料が比較的限られています。FDM は現在最も一般的な 3D 印刷技術であり、製造精度要件が低く、コストが低いモデルに適しています。SLM と EBM は、高精度の複雑な小型金属インプラントの印刷に適しています。整形外科インプラントと臨床診療における主な用途は骨組織の再生を促進することであり、近年、生物学的 3D 印刷が研究のホットスポットとなっています。

術前の計画とシミュレーションには、骨切り、修復と再建、骨穿刺などの複雑な整形外科手術が含まれます。医師は、再建と修復を容易にするための骨切り面の決定、穿刺入口の検出、末梢神経と血管の損傷の回避、腫瘍の正確な穿刺、骨切りの量と位置の決定などの問題にしばしば直面します。コンピュータ支援設計ソフトウェアと3Dプリント技術により、医師は患者の患部の正確な3次元モデルを取得できます。従来のX線、CTフィルム、MRI画像と比較して、患者の3次元解剖構造を理解し、病気を正確に診断し、手術計画を決定し、モデルを使用して術前手術をシミュレーションするのに役立ちます。また、患者とその家族に病気と手術計画を説明するために使用することもでき、医師と患者のコミュニケーションに役立ち、患者の心理的負担を軽減します。
術前の計画とシミュレーションにより、手術のリスクと難易度を軽減し、手術結果を予測し、手術時間を短縮して合併症を減らし、手術による損傷を最小限に抑え、医師の経験への依存を減らし、個別化された正確な治療を実現できます。
手術ガイド 人体の解剖学は複雑なため、従来の骨切り術、人工関節、ネジ挿入手術では医師に長年の臨床経験が必要です。手術中は人工関節のネジ挿入経路を決定するために透視検査を繰り返す必要があり、手術時間の延長や誤手術などの問題が起こりやすくなります。同時に、大量のX線被曝は患者と医師の両方に害を及ぼす可能性があります。王金武教授と戴克栄院士のチームは、デジタル設計と3Dプリント技術を組み合わせて、写真のようなパーソナライズされた肩関節経皮ガイドを製作しました。これは、従来の肩関節穿刺の際の繰り返し穿刺、病変の穿刺不能、さらには腫瘍病変の拡散を引き起こすという欠点を克服し、基本的に肩関節病変の外科的診断と手術中の正確な位置決めと穿刺を実現します。

患者が頸椎椎弓根スクリュー固定手術を受ける前に、CTデータを使用して3次元モデリングを行い、最適なスクリュー挿入チャネルを設計およびシミュレーションし、ガイド穴を配置するためのガイドテンプレートを設計して3Dプリントし、手術を支援しました。術後の結果の評価を通じて、椎弓根スクリュー固定におけるデジタルガイドテンプレートの実用性と安全性が確認されました。

出典:第九病院3Dプリントセンターの王金武チーム

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