3Dプリントは整形外科医にとって「スーパーヘルパー」となる

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-3-31 12:13 に最後に編集されました。

かつて多くの整形外科の専門家を悩ませた、手動で移植する寛骨臼プロテーゼの精度が低い問題は、ハイテク3Dプリント+再構築技術によって簡単に解決されました。この「補助アーティファクト」は、馬蹄形の磁石2つのように見えますが、その科学的な名前は「人工寛骨臼カップ移植ガイド」です。人工股関節全置換手術を行う前に、まず股関節モデルを1:1の比率で印刷し、次にそのモデルに基づいて適切な鉄棒ガイドを設計します。これらはすべて3Dプリントで作成されます。
修復された寛骨臼の人工関節の長さ10センチ未満の2本の鉄棒状の物体は、整形外科臨床医学における3Dプリントの現在の国内トップレベルを象徴している。このアイデアが実現するまでにかかった時間はわずか半年余りだった。「股関節置換術後に人工関節の修正が必要になる理由はさまざまですが、非常に重要な理由の1つは、置換術中に寛骨臼が正確に取り付けられず、摩耗したり脱落したりすることです」と周冠明医師は、股関節の模型と寛骨臼の人工関節の模型を手に持ちながら身振りで説明した。「例えば、この角度で傾けて設置すると、患者が動くと動き、徐々に摩耗してしまいます」と周冠明氏は説明する。長年にわたり、人工股関節全置換術を受けた患者の寛骨臼は病気になったり、欠陥が生じたりしていると。

「病変のある患者の場合、寛骨臼がすでに不規則になっている可能性があるため、寛骨臼カッププロテーゼを寛骨臼に正確に配置するためには、純粋に手動での移植の精度に偏差が生じます。」周冠明氏は、股関節周囲の軟部組織（筋肉と脂肪）が視線を遮ることと相まって、経験豊富な整形外科医であっても寛骨臼プロテーゼを配置する際に100％の精度を保証することはできないと認めた。「長年人工股関節置換術に携わってきた私でも、100％の精度は保証できません」。臼蓋プロテーゼが正確に挿入されないと、摩耗や脱落を引き起こし、患者の機能に影響を及ぼし、「再手術は避けられません」。この問題は、仏山中医薬病院の院長であり、著名な整形外科の専門家である劉暁芳教授を含む多くの整形外科医を悩ませてきました。佛山中医薬病院では、毎年 2,000 件の人工股関節全置換術が行われており、国内でもトップクラスの病院の 1 つとなっています。

正確な補助ツールを見つける

「寛骨臼カッププロテーゼの移植角度が正確で、結果として生じる修正を避けることができるように、医師が手術を完了するのを支援するツールはありますか？」これは、劉暁波氏らが考えてきたテーマです。国際的に認められている寛骨臼カップ人工関節の配置角度は、外転角 40+/- 10°、前方傾斜角 15+/- 5° であり、これは「Lew innek 寛骨臼カップ安全ゾーン」と呼ばれています。「一般的に言えば、寛骨臼カッププロテーゼの移植角度が安全ゾーン内にない場合、寛骨臼カッププロテーゼの移植角度が悪いと考えられ、股関節の可動域とプロテーゼの耐用年数に影響を与え、プロテーゼと骨の界面間の応力を変化させます。」

劉氏が模倣したアイデアは、シリコンバレーのゲック・リム博士が取り組んでいた製品が解決できる問題とまったく同じだった。 Gek Lim 博士はデジタル画像処理を専門とし、米国で整形外科用器具の開発と研究に従事しています。以前はベル研究所の博士研究員でした。彼女は一年中、大きな黒いリュックサックと黒い箱を持ち歩いています。箱の中には股関節の模型と寛骨臼のガイドが入っています。馬蹄形の磁石に少し似ているこのものは、劉暁帆や周冠明などの整形外科の専門家を悩ませてきた問題を最終的に簡単に解決することができます。これにより、人工股関節全置換術の重要なステップである寛骨臼プロテーゼを理想的な角度で埋め込むことができるため、摩耗を最小限に抑え、プロテーゼの耐用年数を延ばすことができます。

佛山中医薬病院関節外科部長の周冠明氏（左）が、3Dプリントされた「人工寛骨臼カップ移植ガイド」を実演している。プロトタイプは「閉鎖的すぎる」として却下された
ほぼすべての新しいアプリケーションと研究は、1 人の個人または 1 つのグループの継続的な推進から生まれます。このガイドプレートも同様です。 DrGek Lim 氏は寛骨臼インプラントガイドの誕生について語り、Liu 氏が「指導者」として自らの例に倣ってくれたことに繰り返し感謝した。 2015年、DrGekLimは3Dデジタル再構成ソフトウェアの開発を開始しました。整形外科のトップ専門家であるLiu Xiaofang氏は、このソフトウェアに関して多くの意見や提案を出し、それがまさに後の3Dプリント寛骨臼インプラントガイドの基礎となりました。一年中世界中を旅しているDrGekLim氏は、世界の整形外科手術用ツールや器具に精通しています。「以前、海外では寛骨臼を削るためのガイドと人工関節を埋め込むためのガイドの2つを開発していた人がいました。しかし、この2つは別々で、医師は2回使用する必要があり、不便でした。ガイドのデザインによっては、手術器具の改造が必要で、普及が困難でした。」これらの経験から学んだ後、DrGekLimは2016年3月にアイデアと計画を立て、特許申請を開始しました。「しかし、結局のところ、これは技術的なレベルに過ぎません。臨床で使用する場合は、臨床医に使用の可否を示す必要があります。」ゲック・リム医師は、劉暁芳氏が率いる仏山中医学病院を思い浮かべた。

2016年5月のある日、彼女は自分のデザインの写真を撮り、それを真似する劉さんを見つけました。「当時、彼はデザインが素晴らしいと言って、まずは作ってみないかと頼んできました」。しかし、デザインのリサーチから実用化までには、継続的な改善のプロセスが必要です。 2016 年 6 月に、Liu Xifan からの電話により、3D プリント寛骨臼プロテーゼインプラントガイドの適用が加速されました。「劉院長から電話があり、まずガイド一式を作るように言われました。彼はそれを手術に使いたいと考えていました。成功すれば、8月の国際整形外科会議で症例研究として発表する予定でした。」ゲクリム医師は電話に出て興奮した。中医院から送られてきたCTスキャンやレントゲンなど、同院で人工股関節置換手術を受けた患者の画像データを受け取ると、すぐに3Dデジタルモデリングを使い始めた。

「モデリング後、まず股関節モデルを1:1の比率で印刷し、次にモデルに基づいて適切なガイドを設計し、3Dプリンターで印刷します。」股関節モデルはそれぞれがパーソナライズされており、形状が異なり、設計されたガイドもユニークです。長さ約 10 cm の馬蹄形の磁石に似たこのストリップと、半円に似た別のストリップがガイドです。「見た目はシンプルですが、設計は非常に難しいです。垂直ガイドプレートは長すぎても短すぎてもいけません。長すぎると挿入できず、短すぎると筋肉にブロックされてしまいます。」水平ガイドプレートは患者の股関節にシームレスに接続され、同じ水平面上にある必要があります。凸型や凹型にすることはできず、強度も適切でなければなりません。「クロスガイドプレートの長さは、寛骨臼カップの半分を超えることはできません。たとえば、寛骨臼プロテーゼの直径が4cmの場合、クロスガイドプレートは2cmを超えることはできません。長すぎると、医師の手術の妨げになります。」

技術的な製品に重点を置くゲック・リム医師は、整形外科の診療経験があまりありません。彼の最初の制作中、劉希美氏は製品の欠点を鋭く正確に指摘しました。「最初に横方向のガイドプレートを設計したとき、それは丸いものでした。それを見た劉医師は、臨床現場では使用できず、設計者が孤立しすぎていると言いました。」劉医師は、ガイドプレートは医師の手術を妨げないように短くすべきだが、筋肉の障害で挿入できないほど短くなってはいけないと提案した。 DrGekLim は Liu Xiaofan の提案に基づいてガイドの長さやその他の側面を改良しました。2 番目のガイドセットは Liu Xiaofan によって承認され、Liu Xiaofan はさらに変更を提案しました。

48時間以内にパーソナライズされた「ガイド」をカスタマイズ
2 回の試験を経て、2016 年 7 月の運用で実践的なテストを行う絶好の機会が得られました。劉暁三は、機が熟したと感じ、ガイドを使ってそれを実行することに決めました。「周冠明院長から非常に厳しい期限を告げられました。手術が非常に多いため、48時間以内に個別のガイドを作成し、消毒のために病院に送らなければなりませんでした。」DrGekLim氏は病院から患者の画像を受け取り、モデリングとガイドの設計を完了し、48時間以内にガイドとモデルを3Dプリントし、消毒のために仏山中医院に送りました。

最終的に、劉暁芳と周冠明は、3Dプリントされたパーソナライズされた人工寛骨臼カップインプラントガイドを使用して、初の全股関節置換術を実施しました。手術は順調に成功しました。 8月、劉氏もそれに倣い、全国各地で開催された国際整形外科会議でこの新技術を発表した。 11月には、周冠明氏もCOA国際会議でこの新技術を発表しました。これまで、佛山中医院ではガイドカップを使用した「人工股関節全置換術」を4回成功させており、いずれも高い精度を達成している。

24歳の李小米さんは、この新技術の恩恵を受けた4人のうちの1人だ。以前は両股関節に痛みがあり、正常な歩行に支障をきたしていた。昨年末、彼女は佛山中医薬病院で「両股関節全置換術」を受けた。今では松葉杖なしでも正常に歩ける。手術後の結果、体内に埋め込まれた人工寛骨臼の外転角度は、右股関節で41°、左股関節で39.8°となり、術前に計画されていた40°との差はいずれも2°以内で、高精度な埋め込みが実現しました。「このガイドを移植することで、移植精度の不正確さによる寛骨臼プロテーゼの脱落や摩耗を可能な限り回避し、修正の可能性を減らすことができます」と周冠明氏は述べた。

DrGek Lim 氏にとって、ガイドの成功は単なるキャリア上の成功ではありません。彼女の意見では、高度な技術を使用して医師が医療手術を行うのを支援できることは非常に有意義です。「次に、100件の臨床試験を実施し、データを収集してデータベースを作成し、どのような発見ができるかを調べる予定です。」DrGekLimは現在、佛山市に会社を登録しており、主に寛骨臼プロテーゼインプラントガイドの3Dプリント事業を担当しています。佛山中医院にとって、3Dプリントガイドの成功は、さらなるインスピレーションとアイデアをもたらしました。劉希芳氏と彼のチームは、この高度な技術を他の整形外科手術にどのように応用するかを検討しています。

出典: サザンメトロポリス詳細記事:

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