[分析] 骨盤骨折の術前評価と個別プレートカスタマイズにおける 3D プリントの応用

骨盤骨折は主に高エネルギー損傷によって引き起こされ、障害率と死亡率が高くなります。早期治療では、損傷の抑制と出血の抑制に重点を置き、死亡率を低下させます。全身状態が安定したら、不安定骨盤骨折に対して開放整復固定法がよく使用され、骨折の整復、骨盤輪の安定化、早期活動の促進、障害率の低減という目的を達成します。しかし、骨盤は周囲の血管や神経が複雑であるだけでなく、解剖学的構造が不規則であるため、術前の骨折評価に多くの困難をもたらし、手術のリスクと難易度が高まります。

現在、個別化かつ精密な治療は徐々に外傷整形外科の重要な発展方向となり、3Dプリント技術は個別化かつ精密な整形外科手術を実現するための効果的な手段となっています。骨盤骨折に対する3Dプリント技術の活用に関する臨床研究は、国内外で広く行われています。この記事では、骨盤骨折の術前評価と外科的治療における 3D プリント技術の応用について検討し、その展望を示します。

骨盤骨折の術前評価における 3D プリント技術の役割<br /> 骨盤骨折の外科的治療においては、骨折整復の質、内部固定の選択、合併症予防が治療の鍵となります。従来の骨盤骨折治療では、骨盤骨折の術前評価に、X 線や CT スキャンなどの 2 次元空間データに頼ることが多くありました。しかし、骨盤の解剖学的構造は複雑であり、従来の X 線や CT スキャンデータでは骨盤骨折を完全かつ正確に評価することが困難な場合が多くあります。 CT 3次元再構成では、任意に回転した3次元画像を提供でき、骨盤骨折の変位や前後輪の破壊をより明確に表示できるため、X線やCT平面スキャン画像の欠点を補い、診断の精度が向上します。ただし、CT 3 次元画像の精度は、スキャンしたスライスの厚さに依存します。スライスの厚さが小さいほど、3 次元モデルは実際のプロトタイプに近くなります。層の厚さが 2 mm を超えると、画像アーティファクトが発生し、3 次元モデリングが失われ、骨盤骨折の正確な診断に影響します。同時に、骨盤骨折の周囲には重要な血管や神経が多数存在するため、不適切な手術は大量出血などの重篤な合併症を引き起こす可能性があります。

したがって、骨折の仮想再構成に薄層 CT プレーンスキャンデータを使用し、3D 印刷技術を採用して感光性樹脂を材料として 1:1 の 3 次元ソリッド骨盤モデルを印刷すると、整形外科医が骨折の種類と変位の程度をよりよく理解し、術前の明確な診断を下し、手術中に起こり得るリスクを評価し、術中の整復に関する直感的な参照を提供できるようになります。手術前に模型を使用して手術のシミュレーションや練習を行ったり、鋼板をあらかじめ成形したりできるため、術中の手術時間やX線透視の回数を減らすことができます。患者の個別の身体モデルは、手術前に患者と十分にコミュニケーションをとるのにも役立ち、患者の理解と協力を得やすくなり、医療紛争の発生を減らすことができます。ハーソンらは、従来の骨盤X線、CT、その他の従来の画像データと3Dプリントされた比例ソリッドモデルを使用して、複雑な骨盤および寛骨臼骨折を術前に評価、分類、計画するために、整形外科医3名と上級研修医3名を招集しました。彼らは、ソリッドモデルが若い医師が骨折をより適切に分類するのに役立つと考えました。

しかし、3D立体骨盤モデルの印刷には時間がかかります。一部の学者の統計によると、片側骨盤モデルの印刷には平均8.6時間かかります。私の実際の仕事では、完全な骨盤モデルの印刷には平均18時間かかります。骨盤モデルの精度要件が高くなるにつれて、印刷時間はさらに長くなります。3Dプリントモデルの材料は主に感光性樹脂であり、比較的高価です。この費用はまだ医療保険の償還項目に含まれていません。これらすべてが、骨盤骨折における3Dプリント技術の臨床応用をさらに制限しています。同時に、感光性樹脂材料は比較的強度が高く、特に骨折の変位が大きい場合や粉砕された骨片がある場合、それを使用して作成された骨盤ソリッドモデルを成形することが難しく、術前のプレート事前成形の精度にも影響を与える可能性があります。

3Dプリントされた物理モデルの欠点を克服するために、コンピューターを使用して骨盤骨折の整復をシミュレートし、血管造影技術を組み合わせて動脈、静脈と骨盤骨折の関係をシミュレートすることも可能です。張英らは、血管造影、ラピッドプロトタイピング、コンピューター支援によるパーソナライズされた3Dプリント技術を使用して、手術前に骨盤骨折手術をシミュレーションしました。従来の治療法と比較して、この方法は術中の出血を効果的に減らし、手術合併症の発生率を低下させました。

しかし、3D物理モデルを使用する場合でも、コンピューター仮想シミュレーション手術を使用する場合でも、骨折そのものしか考慮されないため、実際の手術とは依然として大きなギャップがあります。実際の手術環境をどのようにシミュレートするかが、今後の研究の方向性となるでしょう。仮想手術は骨盤骨折の治療に質的な飛躍をもたらす可能性があります。仮想手術では、仮想現実技術を使用して、解剖学的情報を含むシミュレーション環境をコンピューター内に構築します。医師は仮想環境の情報を使用して、術前のシミュレーション手術と実際の手術を実行します。

3D プリント技術を使用したパーソナライズされた鋼板の作成<br /> 精密医療は、21 世紀の医療発展の重要な方向性の 1 つです。標準化された整形外科用インプラントはほとんどの患者の治療ニーズを満たすことができますが、骨盤骨折の場合、解剖学的構造が複雑で、前輪と後輪の骨構造が不規則で、個人差が大きいため、手術治療効果を高めるためには、手術中に鋼板と骨構造をできるだけ近づける必要があります。再建プレートの強度、特にネジ穴の周囲は、手術前にあらかじめ形作られた再建プレートによって必然的に低下し、プレートの疲労破損の可能性が高まります。ネジ穴の変形はネジの挿入、特にネジの固定に影響を及ぼし、内部固定の安定性を低下させる可能性があります。 3Dプリント技術は、個人に合わせた鋼板の「オーダーメイド」に使用できます。鋼板の長さ、ネジ穴、ネジの方向はすべて手術前に設計されているため、鋼板を固定した後、骨の表面にさらに密着してより安定し、患者の回復に有益です。解剖学に基づいた設計により、鋼板の挿入時の侵襲性を最小限に抑えることができ、手術中に曲げる必要がないため、剛性や耐疲労性に影響はありません。現在、3Dプリントされたパーソナライズインプラントの臨床応用研究は国内外で広く行われています。

Dai らおよび Dai Kerong らは、3D プリント技術を使用して、骨盤腫瘍の患者の治療用にパーソナライズされた片側骨盤をカスタマイズし、良好な臨床結果を達成しました。 Xu らは、3D プリント技術を使用して軸椎を人工的にカスタマイズし、ユーイング肉腫を患う 12 歳の小児を治療し、病変のある椎骨の切除後に安定性を回復することに成功しました。上記の研究はいずれも、関節や脊椎などの骨腫瘍の治療を目的とした個別化された人工関節のカスタマイズに焦点を当てていますが、外傷性骨折における個別化されたカスタマイズされたプレートに関する研究報告はほとんどありません。

著者は、「骨盤骨折の治療における3Dプリントと個別カスタマイズ鋼板内固定技術の応用」に関する研究を行った。術前に、コンピュータで骨盤骨折の整復をシミュレーションし、健側骨盤を反転させて解剖学的整復を行う、または骨折を仮想的に整復するなどの治療要件に応じて、骨盤前輪と骨盤後輪の鋼板を仮想的にカスタマイズした。次に、従来の鋼板製造方法を使用した。1つは、ワイヤーカットで鋼板の形状を切り出し、金型スタンピングを使用して成形し、CNC工作機械を使用してねじ穴を加工し、ベンチワークを使用してバリを取り除く。次に、鋼板の表面仕上げを加工して、個別カスタマイズ鋼板の製造を完了する。もう1つは、5軸加工センターを使用してカスタマイズされた鋼板を直接彫り出し、3Dソリッドモデルを使用してカスタマイズされた鋼板を検証することで、手術時間を短縮し、術中の出血量と透視回数を減らし、術後合併症の発生を減らすことができる。

個人向けにカスタマイズされた骨盤鋼板に関しては、現在はまだ初期段階であり、いくつかの問題についてはさらなる研究と検証が必要です。まず、カスタマイズ鋼板の形状をどのように決定するのでしょうか?ミラーフリップ法は、健常骨盤輪を使用して前輪骨折端の解剖学的整復をシミュレートするために使用されました。しかし、実際の手術では、特に骨折がひどく粉砕されている場合、骨折端の解剖学的整復が達成されない可能性があります。同時に、前骨盤輪の両側が損傷している場合、ミラーフリップは使用できません。筆者は、骨折端の仮想整復を誘導することで鋼板のカスタマイズも試みた。単純な前方輪状骨折の場合、仮想整復操作は簡単である。しかし、骨折が粉砕されている場合、仮想解剖学的整復は非常に困難であり、これも鋼板のカスタマイズに役立たない。

したがって、カスタマイズされた骨盤プレートを決定する 2 つの方法の長所と短所を比較し、カスタマイズされたプレートと骨の構造との適合性を高めるためのより合理的な方法を開発するために、さらなる研究が必要です。 2つ目は、カスタマイズ鋼板の製造です。カスタマイズ鋼板を製造する現在の方法は、約3日間という長いサイクルを要します。できるだけ早く使用するために、機械的強度試験は日常的に行われていません。その代わりに、カスタマイズされた鋼板は、通常の鋼板と比較して幅が広く厚くされており、機械的特性が向上しています。しかし、厚くなった鋼板は、特に痩せた患者の場合、患者の骨盤領域に顕著な不快感を引き起こす可能性があります。 3D金属印刷は鋼板のパーソナライズカスタマイズの新たな方向性であり、航空宇宙などの分野で広く使用されていますが、印刷された金属鋼板の機械的強度については、さらなる研究と検証が必要です。
要約すると、骨盤骨折における 3D プリント技術の応用に関する研究のほとんどは、術前評価段階に集中しており、一定の研究成果が得られています。骨盤骨折をより正確に治療するために、3Dプリント技術と個別の鋼板の作成を組み合わせることが、外傷整形外科の将来の発展の傾向です。新しいタイプの製品であるパーソナライズされたカスタマイズ鋼板は、一方では政府部門が対応する政策と規制を制定して合法的な使用を許可する必要があり、他方では厳格な技術基準と製品の品質管理が必要です。より多くの外傷整形外科の専門家が画像部門や関連機器メーカーと協力して鋼板の形状設計からパーソナライズされた鋼板の準備までの作業を実行し、臨床の推進と応用に努める必要があります。

編集者: 南極熊著者: 于宝青敖栄光

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