[分析] 脊椎手術における3Dプリント技術の応用

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-1 16:09 に最後に編集されました。

3D プリント技術は、新興技術分野として整形外科治療技術の革新であり、その主な原理は、コンピューターのデジタルモデルファイルを事前に構築し、接着材料を使用して 3D プリンターで 3 次元の物理モデルを層ごとに印刷することです。 3D 印刷技術は、仮想コンピュータ支援設計モデルを 3 次元の物理プロトタイプに正確かつ迅速に変換できます。3D 印刷された物理モデルは 3 次元の直感性が強いため、医療のさまざまな分野で広く使用されています。現在、3Dプリント技術は、複雑な骨腫瘍の切除、骨盤骨折、股関節形成不全および骨折、脊椎の変形および損傷、頭蓋形成外科、口腔および下顎の修復、四肢の変形、骨欠損、および義肢製造の分野で広く使用されています。

CT や MRI のスキャンデータを抽出してコンピューターの 3 次元モデルを再構築し、3D 印刷技術を使用してさまざまなサイズの物理モデルを作成することにより、医師は、X 線、CT、MRI などの従来の画像材料に隠された解剖学的情報をより直感的かつ正確に発見できます。医師は、印刷された物理モデル上で直接、診断、個別の手術計画の策定、手術のシミュレーションを行うこともできます。また、患者のニーズに応じてパーソナライズされた器具を設計および製造し、人間の臓器を印刷することさえできるため、病気の診断率が向上し、手術の精度と安全性が向上します。現在、脊椎手術の臨床分野において、3Dプリント技術は主にスクリューガイド補助による椎弓根スクリューの配置や修復計画の術前シミュレーション計画の応用研究に使用されており、その応用範囲は比較的狭い。本稿では、近年の脊椎手術分野における3Dプリント技術の新たな将来的応用文献をまとめ、整形外科における3Dプリント技術の発展と臨床応用について言及し、脊椎手術分野における3Dプリント技術の応用状況と今後の発展方向を総合的にまとめ、分析する。

1 材料と方法
1.1 文献検索 電子検索：第一著者はコンピュータ検索を使用し、一部の国内文献データは中国国家知識基盤（CNKI）と万芳データベース（WF）から取得しました。一部の外国文献データは PubMed および Google Scholar から取得されています。調査期間は2000年1月から2015年7月まででした。手動検索：「Chinese Journal of Orthopedics」、「Chinese Journal of Traumatology and Orthopedics」、「Chinese Journal of Spine and Spinal Cord」、「Journal of Spinal Surgery」、「Journal of Cervical and Lumbar Pain」などの手動検索、および検索された記事の関連参考文献の追跡。

1.2 検索用語
中国語の検索用語: 3D 印刷技術、ラピッドプロトタイピング技術、脊椎、椎骨、整形外科、骨折、関節、手足、骨腫瘍、外傷、頸椎、胸椎、腰椎、仙椎、椎弓根、椎体、椎間板、臨床応用。
英語の検索用語: 3D プリント、ラピッドプロトタイピング技術、脊椎、整形外科、骨折、関節、手、足、骨腫瘍、外傷、頸椎、胸椎、腰椎、仙椎、椎弓根、椎体、椎間板、臨床応用。

1.3 検索条件
包含基準: 症例報告、回顧的分析、調査研究、前向き研究、ランダム化比較研究などを含む脊椎手術における 3D 印刷技術の新しい応用、および整形外科の他の分野における 3D 印刷技術の前向き臨床応用に関する文献。除外基準: レビュー、システマティックレビュー、翻訳、さまざまなデータベース内の重複記事、重複出版物、およびデータの繰り返し使用を伴う記事は除外されました。

1.4 データ分析 検索結果が事前に設定された包含基準と除外基準を満たしているかどうかを評価し、論文のタイトル、公開時期、研究の種類など、包含基準を満たす文献からデータを抽出します。入手した文献を要約して参照し、脊椎手術分野におけるその応用状況を総合的に分析し、整形外科の他の分野における3Dプリント技術の将来研究を要約して分類して議論しました。

2 件の結果
中国語と英語の関連論文が合計 1,000 件以上検索され、要約の予備的な読み取りによって合計 462 件の論文が除外されました。包含基準と除外基準に従って、合計 50 件の論文がさらなる分析のために保持されました。文献のスクリーニングと品質評価は独立して行われ、第一著者によって相互チェックされ、意見の相違は話し合いまたは第二著者の支援によって解決されました。入手した文献を分類してまとめた。脊椎手術における3Dプリント技術の臨床応用は、主にスクリューガイドの補助スクリュー配置と術前手術計画シミュレーションに焦点を当てている。整形外科関連分野における3Dプリント技術の新たな応用は、主に、疾患診断、装具のカスタマイズ、臨床指導と医師と患者のコミュニケーション、骨切りガイド、インプラントのカスタマイズ、骨組織の再建に分けられる。研究の方向性と臨床応用の観点から、脊椎手術における 3D プリント技術の将来の臨床応用は、次の側面に分けられます。

2.1 複雑な脊椎疾患の診断
脊椎の解剖学的構造は複雑で、脊髄や神経などの重要な組織構造に隣接しています。脊椎変形などの複雑な脊椎疾患に直面した場合、従来の画像診断では正確な3次元の解剖学的関係を提供できません。医師は従来の画像データに基づいて一方的な結論を導き出す可能性があり、これが疾患の正確な診断に直接影響し、診断の見逃し、誤診、疾患の不完全または不明瞭な診断につながりやすく、疾患の有効性と予後に影響を与えます。 3D プリント技術は脊椎の 3 次元解剖構造を再構築することができ、病気の診断と治療の質を大幅に向上させます。 X 線、CT、MRI などの従来の医療用画像材料と比較して、3D プリントされた物理モデルは、より詳細で直感的、3 次元的かつ現実的な解剖学的情報を提供できます。医師は脊椎の解剖学的構造をより直感的に観察し分析できるようになり、複雑な脊椎疾患の空間的解剖学的構造に対する臨床医の理解が大幅に向上し、複雑な脊椎骨折の分類、脊柱側弯症の分類、脊椎腫瘍の特定など、より正確な疾患診断[12]が可能になり[13-15]、複雑な疾患の見逃しや誤診が減り、患者の診断と治療の質が大幅に向上します。

2.2 個々のブレースのカスタマイズ
3D プリント技術と生体力学解析技術を組み合わせることで、脊椎ブレースをカスタマイズできます。その利点は次のとおりです。
① 材料選択の多様性：治療目的や患者の要件に応じて、さまざまな材料を選択できます。
②早く作れて、形も作りやすい。
③人間工学に基づいたデザインで、軽くてフィット感も快適です。
④設計と生体力学解析ソフトウェアを組み合わせることで、より生体力学に沿った装具を製作することができます。
⑤個別にカスタマイズすることができ、研究では、個別化された対麻痺装具は患者の日常生活活動と歩行能力の改善に大きな意義があることが示されています。快適で適切な個別の装具は、患者の健康をできるだけ早く回復するのに役立ちます。

2.3 臨床教育と医師と患者のコミュニケーション
3D プリント技術は、脊椎手術関連疾患の重要な解剖学的特徴を再現できます。これにより、臨床指導や医師と患者のコミュニケーションのための直感的で 3 次元の典型的な 3D プリント物理モデルが提供されます。学生が脊椎手術関連疾患の解剖学的構造と病因をより深く理解できるように支援し、患者とその家族が疾患をより深く理解できるように支援します。

2.3.1 臨床教育
3D プリント技術は、脊椎手術関連疾患の重要な解剖学的特徴を再現できます。これにより、臨床教育のための直感的で 3 次元の典型的な物理モデルが提供されます。学生が脊椎手術関連疾患の解剖学的構造と病因をよりよく理解できるようにします。脊椎の解剖学は、その複雑な形態と構造、そして深い位置にあることから、教師が教えるのも生徒に教えるのも難しいものです。従来の教育方法は比較的抽象的ですが、画像データに基づいて、3D 印刷技術を使用して印刷されたソリッドモデルは、脊椎の 3 次元形態と特定の断層構造を in vitro で再現できるため、臨床教育にさらに直感的な 3 次元画像情報を提供でき、脊椎の解剖学的構造に対する学生の理解と記憶が向上します。研究によると、3D プリントされた物理モデルを使った教育は、学生が複雑な解剖学的構造をよりよく理解し、教育の質を向上させるのに役立つことがわかっています。

脊椎手術関連疾患は、その特殊な構造、位置、病因のため、概念が比較的抽象的で、学生にとって理解しにくいものです。また、原因が複雑で、解剖学や整形外科バイオメカニクスなど、学生が習得するのが難しい分野が多岐にわたります。従来の教育方法の単純な平面構造図と比較して、3Dプリントされた物理モデルは、現実的、客観的、立体的、鮮明、直感的、知覚的という解剖学的特徴を備えています。これにより、本来理解しにくい複雑な解剖学的特徴を持つ脊椎手術関連疾患を鮮明で直感的、立体的な方法で学生に提示することができ、学生が脊椎の3次元構造、病理、疾患分類、治療法を理解しやすくなります。

2.3.2 医師と患者のコミュニケーション
3D プリント技術は、患者の病変部位の解剖学的構造を体外で再現できるため、医師同士、医師と患者およびその家族とのコミュニケーションに役立ちます。医師は患者自身の解剖モデルを使用して、患者とその家族に重要な部位と解剖学的特徴を指摘することができ、それによって患者とその家族の病気に対する理解と知識が向上します。同時に、医師と患者間のコミュニケーションを促進します。医師は関連モデルを使用して、手術のリスクと関連する術後合併症を患者とその家族に説明できるため、患者とその家族は関連する病気の用語をよりよく理解し、病気に対する理解を深め、医師と患者の相互信頼を高め、医療紛争の発生を減らすことができます。

2.4 個別化された高精度の手術計画の開発
従来の術前計画と比較して、3Dプリント技術は、客観的、立体的、鮮明、直感的、知覚的に1：1の物理モデルをプリントアウトし、外科医のニーズに応じてさまざまなセクションをプリントできるため、特定の領域の解剖学的特徴をよりよく観察し、より正確な個別手術計画を策定できます。また、3Dプリントモデルで予定されている手術をシミュレートできるため、手術の熟練度が向上し、手術に必要な時間が大幅に短縮され[19-21]、医師と患者の放射線被ばく時間と線量が削減され[22-23]、手術の比較可能性と相対的同一性が向上し、個別の手術器具を作成して手術の迅速な完了を支援することもできます。これらには以下が含まれます:

2.4.1 スクリューガイドプレートは正確な椎弓根スクリューの配置を補助する
脊椎の椎弓根は脊髄、神経、椎骨動脈などの重要な解剖学的構造に隣接しており、ネジ挿入の位置と角度が著しくずれると、ネジ固定システムの強度が低下するだけでなく、隣接する脊髄や神経を損傷する可能性があり、椎骨動脈も損傷して大量出血を引き起こし、生命を危険にさらす可能性があります。さらに、脊椎変形などの複雑な疾患は、正確な椎弓根スクリューの配置をさらに困難にします。研究によると、3Dプリント技術を使用して3次元脊椎モデルを再構築し、スクリューパスを設計し、手術中に椎弓根スクリューを配置するための対応するスクリューパスガイドを開発することで、スクリュー配置の位置、方向、角度を正確に把握できることが示されています。操作は簡単で、スクリューの長さと直径は術前に設計できます。研究によると、これによりスクリュー配置の精度が大幅に向上することが示されています[28]。 Maoらは、高速3Dプリント技術を使用して、重度の側弯症患者16人の治療を支援しました。手術後、側弯角度は平均118°から42°に減少し、手術効果は顕著でした。これにより、3Dプリント技術は正確な定量的な解剖学的情報を提供できるだけでなく、手術前の計画と設計を支援し、手術をより正確で科学的なものにできることが確認されました。 3D プリントされた椎弓根スクリューガイドには、次のような利点があります。

① 正確かつ迅速な位置決め、手術中の過剰な剥離の軽減、釘配置の難しさの軽減、釘配置の精度の向上、手術の簡素化、手術時間の短縮、手術リスクの軽減、術中出血の軽減。
② 術中透視時間を短縮し、手術従事者および患者の放射線量を低減します。
③ 個別ナビゲーションモジュールは患者の体位の変化の影響を受けません。ナビゲーションモジュールは単一の椎骨の解剖学的構造のみを対象としているため、体位の変化によるエラーをすべて回避し、手術の難易度を大幅に軽減します。

2.4.2 骨切りガイドプレートは骨切り減圧範囲の正確な定義に役立ちます 後方脊椎減圧術、窓開窓術、複雑な脊椎変形の矯正には、すべて骨切り術が必要です。従来の術前計画では、外科医は主に術前の画像データとコンピュータソフトウェア測定、修復計画の設計とシミュレーションを通じて骨切り範囲を設計します。相対的に言えば、骨切り範囲の決定は十分に正確ではありません。さらに、脊椎自体の解剖学的構造は複雑で、一定の個人差があります。脊椎の変形は、椎弓根欠損、椎体回転、側弯症、後弯症、さらには不完全な椎体分割など、複数の解剖学的構造の変動を伴うことがよくあります。解剖学的構造と解剖学的ランドマークは大きく異なります。脊椎は、脊髄や神経などの重要な組織構造に隣接しています。従来の術前計画方法を使用すると、外科医が手術領域の直感的な3次元解剖学的情報を取得することが難しく、骨切り線の設計精度が低くなります。骨切り線の定義には、脊椎の矢状面と冠状面のバランス、脊髄神経の弛緩の程度、連続的な集積や過剰な牽引の有無、椎前血管のコンプライアンス、筋肉の牽引の程度、心肺機能への影響の程度などの要素を総合的に考慮する必要があります。骨切りや減圧の範囲が小さすぎると、外見の変形を改善し、脊椎のバランスを回復し、神経の圧迫を軽減するという目的を達成できません。また、骨切りや減圧の範囲が大きすぎると、脊椎構造の安定性が簡単に破壊され、神経損傷を引き起こしやすくなります。したがって、正確な骨切りの範囲は、手術の効果を保証する重要なものです。

3Dプリント技術により、脊椎病変部の解剖学的構造を再現できます。これにより、骨切りラインの設計に直感的、3 次元的、かつ知覚的な物理モデルが提供され、医師がより科学的で厳密な骨切りラインを設計できるようになります。さらに、3Dプリント技術を使用して、個別の骨切りガイドを設計できます。ガイドのガイダンスに従って、外科医は骨切りをより正確に完了でき、修復手術の精度が大幅に向上し、脊椎骨切り、減圧、開窓手術の経験主義からデジタル化への転換が実現し、手術手順が簡素化されます。開発された標準化された治療モデルは、臨床作業にとって重要な指導的意義を持っています。

2.4.3 個々の組み込みコンポーネントのカスタマイズ
3D プリント技術は、脊椎手術インプラントの個別カスタマイズにも応用できます。つまり、外科医は患者の実際の状況に応じて個々のインプラントをカスタマイズし、解剖学、人間工学、生体力学などのさまざまな側面における特別な要件を満たすことができます。たとえば、椎間スペースが広く体格が小さい子供の場合、必要なインプラントが大きすぎたり小さすぎたり、手術の有効性を高めるために患者の局所解剖学的構造により近いインプラントが必要になることがあります。このような特殊なケースでは、カスタマイズされたインプラントが必要です。3D 印刷技術は、カスタマイズされたパーソナライズされたインプラントの多様性、複雑さ、速度の要件を満たすことができます。 Qian Wenbinら[34]は、3Dプリント技術を使用して脊椎の完全切除中に椎骨を印刷し、それを実験用豚に移植した。術後の観察では、実験豚は両後ろ足の活動が良好で、痛覚も良好であることが示されました。さらに、術後の画像検査では、人工関節の位置、椎間高、椎体の位置合わせが良好であることが示されました。個別化されたインプラントは完璧な幾何学的一致を保証し、理論的には周囲の構造によりよく適合します。

2.5 骨組織工学への応用 骨組織工学の分野では、3Dプリント技術は主に複雑な構造の骨組織工学用足場の製造に使用され、材料の選択肢が多様なため人工骨や椎骨の印刷にも使用されています[38]。 3D プリント技術は、患者の個別のカスタマイズニーズを満たすことができます。特定の多孔性と架橋は、細胞の成長を促進し、スキャフォールドの分解速度と骨形成速度を完全に一致させるために必要に応じて設定することができます[39]。理想的な骨組織工学スキャフォールドは、細胞の成長を可能にし、欠陥のある骨組織構造に完全に適合する多孔質構造を持つだけでなく、優れた機械的強度も備えている必要があります。新素材の急速な発展により、3D プリント技術は、足場の内部構造特性を改善することで、足場の機械的特性を高めることが可能になりました。さらに、3D プリント技術により、特定の特殊な要件を満たすために足場の多孔性を制御することができます。 Zhaoらは、ポリ（L-乳酸）粉末、レボフロキサシン、トブラマイシンを原料として使用し、3Dプリント技術を適用して、多剤制御放出人工骨の製造に成功しました。組織工学の分野における3Dプリント技術の応用により、生きた細胞も印刷材料の一部として使用され[50]、組織工学の足場の準備と一緒に印刷されます。

3 展望と議論 脊柱は解剖学的構造が複雑で、深い位置にあり、神経や血管に隣接しているため、手術のリスクは比較的高くなります。手術を成功させる鍵は、病気の正しい診断、責任部位の位置決め、および合理的な術前計画に密接に関係しています。3Dプリント技術の継続的な発展と臨床応用の研究により、3Dプリント技術は、脊椎疾患患者に対する病気の診断、医師と患者のコミュニケーション、術前計画と設計、手術シミュレーション、手術器具の最適化、および手術効果の予測と評価のための新しい方法を提供してきました。

3D プリント技術は、手術の成功率を大幅に向上させ、手術時間を短縮し、手術の精度を向上させるだけでなく、手術合併症の発生を効果的に減らすこともできます。 3Dプリント技術は、新しいシミュレーション研究方法として、正確性、再現性、安全性などの利点があり、脊椎手術研究の分野で広く使用されています。現在、脊椎手術における3Dプリント技術の応用は徐々に多くの分野に浸透していますが、そのほとんどはスクリューガイドの椎弓根スクリュー配置と術前の手術計画の立案とシミュレーションへの応用に集中しています。基礎研究では、3Dプリント骨組織工学に関する研究が数多くあります。3Dプリント技術の基礎は、画像データの品質にあります。コンピューターで再構成された3次元モデルは、患者の実体とは一定の違いがあります。画像データの品質が高いほど、コンピューターで3次元的に再構成された物理モデルのシミュレーションが高くなり、患者の脊椎実体の解剖学的構造に近くなります。

関連技術の発展に伴い、3Dプリント技術の脊椎手術分野への応用がさらに深まると考えられています。例えば、画像処理の発展に伴い、3Dプリント技術を使用して脊椎の局所的な3次元解剖構造を印刷し、脊椎手術関連疾患の正確な診断を支援し、医師と患者のコミュニケーションと指導の有効性を高め、個別化された高精度の修復計画をカスタマイズし、手術中に複数のネイルガイドをカスタマイズすることができます。これらのアプリケーションも徐々に推進されます。人間工学の導入により、個別化されたカスタマイズされた脊椎ブレースも徐々に推進されます。材料科学の発展に伴い、3Dプリントされた個別インプラントも臨床応用に入ります。生体材料、組織細胞培養技術、3Dプリント技術の発展により、細胞プリントされた骨組織を使用して脊椎骨組織欠損を修復することが可能になります。

編集者: Antarctic Bear 著者: Pang Jiaoyang、Zhao Yan、Xiao Yulong、Xin Daqi

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