【分析】デジタル整形外科の発展におけるデジタル技術と組み合わせた3Dプリントの応用と調整

3Dプリント技術は現在、社会のさまざまな分野でますます広く利用されており、「第三次産業革命の象徴」として称賛され、未来の世界を変える新しい創造技術となり、人類を「クリック製造」時代へと導くでしょう。デジタル医療の父と呼ばれる鍾時珍院士は、中国におけるデジタル医療の発展の基盤を築きました。彼の提唱の下、わが国では2001年と2003年に2回、香山科学会議が開催されました。 2001年に開催された第174回香山科学会議では、「中国におけるデジタル仮想人体の科学技術上の問題」が初めて議論され、2003年に開催された第208回香山科学会議では、「中国におけるデジタル仮想人体研究の発展と応用」が議論されました。

その後、ゼロから模倣から革新へ、継承から研究へ、理論的な議論から開発と応用へと、我が国におけるデジタル医療の基礎研究と応用研究は急速に発展し、目覚ましい成果を上げてきました。このような状況において、鍾時珍院士はデジタル医学に基づくデジタル整形外科の概念を提唱し、デジタル整形外科における3Dプリント技術の応用と発展に強力な技術的サポートを提供しました。製造技術、デジタルモデリング技術、CNC技術、情報技術、材料科学と化学、バイオテクノロジーなどの最先端技術の急速な発展と、複数の分野間の緊密な協力により、3Dプリント技術の開発は現在最も注目されている新技術の1つとなっています。

3Dプリント技術の急速な発展は、整形外科の発展にも稀な機会をもたらし、特にデジタル整形外科の発展を促進する上で大きな役割を果たしています。デジタル整形外科とデジタル技術の組み合わせは、伝統的な整形外科をデジタル時代へと導き、デジタル整形外科の発展に新たな活力を注入し、新たなデジタル整形外科医療革命を導きました。デジタル技術と組み合わせた3Dプリントは、デジタル整形外科における個別治療の発展の重要な方向性です。その登場により、個別治療の問題は効果的に解決されました。3D再構成、リバースエンジニアリング、コンピューター支援設計（CAD）などの技術を使用して患者の画像データを抽出し、3Dプリントを使用して個別化された物理モデル、インプラント、補助装置を製造し、有効性を効果的に向上させます。当院では、2014 年 1 月から 2015 年 2 月にかけて、3D プリント技術を応用して整形外科患者 8 名に個別化外科治療を施し、良好な結果を得ました。報告は以下の通りです。

1 材料と方法
1.1 一般データ患者 8 名のうち、男性 5 名、女性 3 名、年齢 19～60 歳、平均年齢 41 歳、頸椎骨折 2 名、脛骨および腓骨骨折 2 名、肩関節懸垂整復骨折 1 名、骨盤寛骨臼骨折 1 名、骨盤腫瘍 2 名であった。全ての患者はスムーズに手術を受け、良好な治癒効果が得られました。
1.2 方法従来の整形外科手術では、通常、術前の手術計画に 2 次元画像データを使用し、医師の脳内に形成された 3 次元の印象に基づいて手術が行われます。手術の成否は、経験と手術の熟練度によって決まります。デジタル技術は、特定の症例を最適化し、パーソナライズされた手術計画を設計して、手術をより効果的にすることができます。著者プロフィール：Qiu Xue、主任看護師、専門医、ユニット：430022、華中科技大学同済医学院付属協和病院、Wu Heyu（責任著者）、ユニット：430022、華中科技大学同済医学院付属協和病院。より正確でパーソナライズされた。手術前に、3D プリント技術を使用して、患者の組織と臓器の 1:1 3D ソリッドモデルを作成できます。医師は 3D モデル上で、術前に最適化された手術設計計画に基づいてシミュレーション手術とより詳細な手術計画を実行し、計画に従って患者に外科的治療を行うことができます。

2 件の結果
手術時間は1～3時間（平均2.25時間）で、すべての患者がスムーズに手術を受けました。手術に関連した重篤な合併症を経験した患者はおらず、治癒効果は良好でした。

3. 協力のポイント
3Dプリントとデジタル技術の融合の発展により、将来のデジタル整形外科モデルは「パーソナライズ、精密、低侵襲」の開発モデルとなり、整形外科医療機器製造業界は「カスタマイズ」の開発トレンドとなるでしょう。

3.1 関連知識を学ぶ3D プリント技術では、3 次元のコンピューター支援設計 (CAD) データを使用して、ラピッドプロトタイピングマシンを通じて材料の層を積み重ねて固体にします。ラピッドプロトタイピングシステムにはさまざまな種類があり、使用する成形材料が異なるため、成形原理やシステム特性も異なりますが、基本原理は同じです。つまり、「3Dプリンター」と同じように「レイヤード製造、レイヤーごとに積み重ねる」ため、この名前が付けられています。 3Dプリントの原理は、コンピュータ支援設計とコンピュータ支援製造（CAD / CAM）、数値制御技術、レーザー技術、ポリマー材料、3次元CT技術などの分野を統合した新しいラピッドプロトタイピング技術です。従来の等材料製造や材料除去製造技術とは異なり、積層製造とも呼ばれています。基本的には通常の印刷原理と同じです。ラピッドプロトタイピング装置（プリンター）に液体や粉末などの「印刷材料」を充填し、層ごとに積み重ねて、最終的にコンピューター上の設計図を物理的なオブジェクトに変えます。「層ごとの製造、層ごとの製造」がその中核原理です。医療のパーソナライゼーションは、21 世紀の医学の発展方向の 1 つです。

個別化治療は、インプラントと移植部位の適合度、骨格筋系の個々の特性をさらに向上させ、性別、人種、運動習慣、職業などの異なる個人のニーズを満たし、それによって治療の決定と治療技術を最適化する整形外科の方法です。患者の画像データを抽出し、3D再構成やリバースエンジニアリングなどの技術を使用して治療を「カスタマイズ」します。パーソナライズされた物理モデル、インプラント、補助装置が3Dプリントによって製造され、治療効果を効果的に向上させます。

印刷技術は、パーソナライズされた人工関節置換術、パーソナライズされた骨移植術、パーソナライズされた医療用インプラントのためのパーソナライズされた骨盤修復術などの臨床手術で広く使用されています。したがって、カスタマイズされパーソナライズされた義肢やインプラントは、パーソナライズ医療の要件をよりよく満たすことができます。金属3Dプリント技術の登場は、外科用インプラントの開発に強力な保証をもたらしました。パーソナライズされたカスタマイズされた補綴物の3Dデザインを、医療用ステンレス鋼、チタン合金、コバルトクロムモリブデン合金で作られたインプラントに変換できます。複雑な中間プロセスや設備は不要です。効率が高いだけでなく、従来の製造プロセスの制限を回避し、構造の最適化を実現できます。

3D 印刷技術は、複雑なデジタルファイルから、臨床医が使用できるようにコンピューター内の 3 次元モデル、ツール、プロテーゼなどの物理的なオブジェクトを作成できます。医師は物理的なモデルを手に持ち、あらゆる角度から観察できるため、臨床医は複雑な 3 次元の解剖学的構造を最も現実的かつ正確に評価できます。正確な個別モデルの助けにより、合理的な術前計画が可能になり、個別のガイドツールが実現し、個別化されたインプラントにより長い待ち時間を回避でき、それに応じて製造コストが削減されます。針の挿入位置と角度をコンピューターでシミュレーションすることで、特別な針の挿入角度を持つ個別の整形外科手術ガイドテンプレートとガイドをカスタマイズできます。現在の内部固定装置には、内部固定器具の配置を支援するために、一致するユニバーサル照準装置またはテンプレートシステムが付いていることがよくありますが、手術中の確認には依然として X 線画像が必要です。

コンピューター支援ナビゲーションシステムは、手術中に正確なネジの埋め込みを実現するために赤外線または電磁気技術を使用していますが、高価な機器、面倒な操作、長い学習曲線により、臨床応用が制限されています。リバースエンジニアリングと3Dプリント技術に基づくパーソナライズされた内部固定テンプレートは、特定の症例の物理的な骨と完全に一致することができ、安全性と正確性の利点があり、医療スタッフと患者の術中放射線被曝を効果的に減らすことができます。モデルプレートはデジタル整形外科手術に使用されるだけでなく、手術モデルの事前モデリング、プレファブリケーション手術ガイドの設計、手術中の参照と使用、最適な再建計画の選択にも使用できます。大量の臨床参照データを提供します。この技術は、短期的な結果が良好な症例に臨床的に適用されており、長期的な結果にはさらなる臨床フォローアップが必要です。

3.2 術前手術計画に参加する<br /> 3D プリントにより、複雑な骨折や変形など、患者の整形外科的外傷状態を明確かつ直感的に表示できます。 3Dプリントによって得られるデジタル実体モデルは、医療画像データよりも詳細な解剖学的情報を提供し、2次元から3次元、平面から立体、仮想から現実への変換を実現します。医師はこのモデル上で手術を直接設計し、シミュレーションすることで手術の成功を確実にすることができ、臨床疾患の正確で個別化された診断と治療のための新しいアイデアと方法を提供することができます[6-12]。手術室看護スタッフは、この連携に積極的に参加することで、患者の状態を事前に明確に把握し、外科医の手術方法、手術の過程、手術の要点、術中の注意事項を知り、事前に術前の準備をすることができます。

3.3 医師と協力して手術シミュレーション演習を実施する<br /> シミュレーション手術を通じて、手術中に遭遇する可能性のある問題を予測し、事前に予防措置を講じ、さまざまな選択肢の長所と短所を比較し、最適な手術計画を見つけることができます。さらに、患者は手術前にコンピューター上で繰り返しリハーサルやコミュニケーションを行い、手術計画への理解を深めることができます。看護師は手術シミュレーション訓練全体に参加し、外科医と慎重に協力してシミュレーション手術を行い、事前に手術手順に精通し、カスタマイズされた器具の使用を習得し、手術中に必要な鋼板やネジの仕様と位置、ネジの進入経路と角度などを記憶し、外科医と同期し、外科医の操作に正確かつ巧みに迅速に協力し、実際の手術中に手術時間を短縮し、麻酔薬の量を節約し、術中出血を減らし、手術を迅速に完了できるようにします。

3.4 術前診察手術前に、患者とその家族にコンピューター上で手術の過程をリハーサルし、1:1シミュレーションモデルを使用してシミュレーションすることができます。病変の複雑さや手術の危険性、術前の注意事項を詳しく説明することで、患者の心理的負担を軽減し、恐怖を軽減し、患者の自信を高め、患者の自己参加意識を高め、看護業務に対する理解と協力を深めることができます。

3.5 術前準備手術はクラス 100 層流手術室で実施する必要があります。この手術室には、耐放射線鉛壁、耐放射線鉛衣服、鉛ヘルメット、C アームマシンが備え付けられ、手術室のドアにわかりやすい警告標識が掲示される必要があります。回診は術前手術計画に参加した専門看護師が担当し、器械看護師は事前に模擬手術訓練に協力する看護師となります。手術を担当する専門の循環器看護師は、手術前日までに、カスタマイズされた器具、鋼板、ネジなど、手術に必要な特別な器具を準備する必要があります。間違いを避けるために、器具の外装に手術室と外科医の名前を記載する必要があります。手術当日は、事前に専用器具のパッケージを開封し、滅菌効果を確認します。滅菌が有効になった場合にのみ患者に麻酔をかけることができるため、患者が麻酔下で専用器具を待つ必要がなくなります。

4. まとめ
利点3D プリントは、金型を必要とせず、高速かつ正確であるという利点により、「第 3 次産業革命」の主要なシンボルの 1 つになりました。独自のパーソナライズされた製造能力は、医療分野の多くの患者の差別化されたニーズを満たします。デジタル技術と組み合わせた 3D プリントは、人工補綴物や人工組織や臓器の製造を促進する上で大きな役割を果たすことが期待されています。シミュレーションされた物理モデルは、手術前に患者とその家族に実演されるため、患者は病状をより直感的に理解することができ、医師が手術計画を説明するのに便利になり、患者の心理的負担が軽減され、患者の自信が向上し、調和のとれた医師と患者の関係を築くことにつながります。同時に、手術時間を節約し、術中の出血を減らし、患者の回復期間を大幅に短縮し、合併症の発生を減らし、患者ができるだけ早く日常生活や仕事に戻ることを可能にします。

デメリット： ①印刷速度が遅く、コストが高い。
②サポートソフトウェアの統合と機能は、3Dプリントの技術開発にまだ適応できていません。
③3Dプリント材料の材料特性と均一性を向上させる必要があります。たとえば、金属粉末で印刷された義肢の生体力学的特性は、現在、従来のプロセスで製造された義肢の性能に達していません。バイオプリント材料は、単一の活性細胞を使用して組織や臓器を印刷することしかできず、人間の組織や臓器の機能の複雑な多様性を実現することはできません。
④現状では手術過程（骨盤寛骨臼骨折における筋閉塞や神経血管分布など）を完全にガイドすることはできない。

編集者: Antarctic Bear 著者: Qiu Xue、Wu Heyu

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