3Dプリント技術を脊椎の個別化カスタマイズに応用する実験的研究

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-3-2 12:39 に最後に編集されました。

現在、脊椎結核、腫瘍、嚢胞、外傷などによる重度の脊椎損傷の主な治療法は、全椎骨切除です。全椎骨切除は脊椎の支持、荷重支持、緩衝機能に大きな影響を与えるだけでなく、脊椎の連続性を破壊します。したがって、全椎体切除術を受けるすべての患者は、例外なく脊椎の構造と生体力学的安定性を再構築する必要があります。従来の代替材料は個々の患者に合わせて設計されておらず、医師が手術中の状況に応じて一時的に形を整える必要があり、手術時間、手術中の出血、合併症を制御することが困難でした。 3D プリント技術は、コンピュータ支援設計 (CAD)、コンピュータ支援製造 (CAM)、数値制御技術、新しいポリマー材料、レーザー技術、3 次元 CT などの技術を統合したハイテク製造方法です。高精度、堅牢な完成品、複雑な幾何学的モデルを複製する機能などの要因により、ますます多くの業界が 3D プリントの導入を検討しています。北京大学第三病院は3Dプリント技術を使用して複数の脊椎手術を実施し、良好な結果を達成した。北京大学第三病院は3Dプリント人工軸移植手術を6件完了し、いずれも良好な治療結果を達成した。

3D プリント技術が脊椎手術に徐々に導入されるにつれ、個別化された脊椎再建が脊椎手術の外科的目標になりました。この技術は、患者の脊椎の機械的分布特性に適合したパーソナライズされた人工椎骨をカスタマイズできると同時に、手術前に脊椎病変の位置と脊椎損傷の範囲を明確にするための視覚モデルを提供し、脊椎腫瘍、炎症、および周囲の軟部組織へのその他の侵入、および隣接構造への脊椎外傷に対するより正確で直感的な証拠サポートを提供します。この研究では、3D プリント技術を使用して豚の脊椎を作成し、脊椎手術でパーソナライズされた人工椎骨を使用する実現可能性を調査しました。次に、3D プリント技術を応用して豚の脊椎の個別化された椎骨を製造し、脊椎手術に 3D プリント技術を適用する実現可能性を探り、人工椎骨の生体適合性と生体力学的特性をさらにテストするための実体を提供しました。

研究プロセスは次のとおりです。
1) 紫金蘭堂牧草豚20頭の腰椎の連続CT画像を取得し、豚腰椎のDICOM画像データを得た。
2) 得られた衝撃データをMIMICSソフトウェアにインポートし、ソフトウェアを使用して断面画像を修復および消去して満足のいく3D画像を取得し、STL形式で保存します。
3) SolidWorks ソフトウェアを使用して、さまざまな孔サイズ、多孔度、その他の特性を持つ複雑な多孔質構造の設計を最適化します。
4) 最終的な人工椎骨は、選択的レーザー溶融（SLM）技術を使用して印刷されます。
5) 次に、豚の腰椎7個全体を外科的に切除し、対応する部分を人工椎骨に置き換えました。
6) 人工椎骨と豚椎骨の形態の違いと椎骨置換後の腰椎全体の形態の変化を観察します。
結果：3Dプリントされた人工椎骨は、手術中に豚から除去された対応する分節椎骨の形態構造と完全に一致しており、置換後の脊椎の形態は手術前と大きく変化しませんでした。結論 3D プリント技術の応用により、複雑な構造を持つ椎骨の個別生産を実現し、損傷した椎骨の個別人工椎骨置換に新たなアイデアを提供することができます。

二番目の兄さん、お疲れ様でした…

1 材料と方法
1.1 研究対象平均年齢12（10-15）ヶ月、平均体重53（48-56）kgの紫金蘭堂牧草豚20頭が本研究の対象として選ばれました。いずれの豚にも脊椎変形や椎骨破壊は認められませんでした。対象椎骨としてL3-5椎骨（L3が6例、L4が8例、L5が6例）が選択された。
1.2 3Dプリント椎骨の製造
1.2.1 データ収集<br /> 64 列のスパイラル CT 装置を使用して、対象の椎骨と隣接するセグメントの解剖学的構造の連続断層撮影スキャンを実行し、DI-COM 医療デジタル画像標準データを取得しました。DICOM 形式のファイルを MIMICS ソフトウェアにインポートして、椎骨の断層画像を取得しました。スキャンされた断面画像は 3 つの異なる視点から表示され、椎骨の予備的な 3 次元モデルが確立されました。画像のグレースケールとコントラストを調整することで、椎体周囲の軟組織の影が除去され、ターゲットウィンドウ内の椎体画像の閾値を定義することができ、同時に断面画像を修復して消去することで、完全な3次元モデルを得ることができます。椎骨の 3 次元モデルは、Ansys ソフトウェアを使用してメッシュ化されました。メッシュの改良、メッシュ品質の最適化、スムージングの後、最終的に満足のいく 3D 画像が得られ、STL 形式で保存されました。

1.2.2 椎体置換材料の選択と多孔質「ハニカム」人工椎体設計

複雑な構造の形成における選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を最大限に活用し、SolidWorks プロフェッショナルソフトウェアを使用して、十二面体を配列単位とし、孔サイズや多孔度などのさまざまな重要な特徴を持つ 3 次元的に接続された複雑な多孔質構造の設計を最適化しました。多孔質構造のシミュレーション解析では、ANSYS Workbenchプロフェッショナルソフトウェアを使用し、有限要素法を使用して連続弾性体を有限個のユニットに離散化し、単位変位関数を適用し、ユニットに対して機械解析を実行して連続体全体の機械的特性を取得します。多孔質構造の応力・ひずみ分布シミュレーション結果と組み合わせることで、応力集中や明らかな塑性変形を伴う構造特性を最適化できます。多孔質チタンおよびチタン合金は、独特の気孔構造を持っています。気孔の形状、気孔サイズ、多孔度、気孔の連結分布などの要素を変更することで、機械的特性を変えて人骨に適合する弾性係数を得ることができ、「応力遮蔽」によって引き起こされる問題を軽減または回避することができます。 3Dプリンターを使用して、空隙サイズを100μmに制御した多孔質の「ハニカム」人工椎骨を作製し、椎体内の細胞の自由な成長を確保し、骨移植の融合を促進します（図1）。同時に、「ハニカム」人工椎骨はキャリアとして使用でき、内部にBMPまたは骨粉末を配置することもできます。これは、荷重支持と接続の役割を果たすだけでなく、その多孔質構造は、骨細胞の接着と成長、および体内の栄養素の伝達にも役立ちます。

1.2.3 SLM技術の人工椎骨印刷への応用SLM技術は、

これは一種の材料製造技術です。この技術は、「層ごとに積み重ねる」という原理により、金属粉末を部分的または完全に溶融することで、CAD モデルから実際のオブジェクトへの変換を直接実現できます。レーザーが金属粉末を溶かす方法に応じて、選択的レーザーラピッドプロトタイピング技術は、選択的レーザー焼結（DMLS または SLS）と SLM2 に分けられます。 DMLS および SLS プロセスは粉末焼結技術であるため、レーザーの作用下で金属粉末が完全に溶融されず、成形材料の密度が低い、強度が低い、成形寸法精度が低い、表面が粗いなどの欠点が生じます。 SLM 技術を使用すると、金属粉末はレーザーエネルギーの作用により完全に溶融され、高密度材料を形成できます (図 2)。これにより、DMLS および SLS 焼結技術の欠点を回避できます。

このプロジェクトでは、印刷精度 0.3mm の高度な Renishaw 3D プリンターを使用します。印刷プロセスは次のとおりです。
① 専門ソフトウェアを使用して金型の3Dモデルをレイヤー化し、同時に計算を実行して各レイヤーのパスを生成します。
②不活性ガスを充填したチタン粉末シリンダー内で、走査ガルバノメータがレーザービームを制御し、形成する領域のチタン粉末に作用します。1層の走査が完了すると、ピストンシリンダー内のピストンが層の厚さの距離だけ下がります。
③粉末供給システムは一定量のチタン粉末を供給し、粉末散布システムはチタン粉末を厚い層状に散布して形成された層の上に堆積させる。
④ 3Dモデルのすべてのスライスレイヤーがスキャンされるまで、手順①と②を繰り返します。
⑤最後にピストンを押し上げて人工椎体を成型装置から取り出す。

1.3 椎体除去と人工椎体設置<br /> 麻酔の後、豚は適切な消毒とドレープの後に配置されました。そして、より低い関節プロセスの関節が分離され、腹部靭帯と棘上靭帯が切断され、筋肉、黄色の靭帯、および脊椎の体に付着した硬膜嚢が慎重に除去されました。 ED人工椎体が観察されました。対応する分節椎体を除去し、脊椎全体の形態学的変化を観察しました。

2 件の結果
20例すべてにおいて、3Dプリントによる「ハニカム形状」の人工椎体の製造に成功しました。人工椎体の高さ、直径などは、手術で切除した対応する分節椎体と基本的に一致していました（図3）。人工椎骨に置き換えられた脊椎には、上部および下部の椎間板が破壊され、脊椎の高さがわずかに低下したことを除いて、明らかな形態学的変化はありませんでした。

3 件のディスカッション<br /> 脊椎の解剖学的構造は、他の骨や関節部分の構造よりもはるかに複雑です。通常の2次元CT、MRI、X線などの医療画像データでは、脊椎の形態変化の連続性と完全性を示すことはほとんどできず、複雑な脊椎手術、特に重度の脊椎変形や脊椎外傷によって引き起こされる病理的な形態変化に対して包括的な解剖学的情報を提供することは困難です。現在の医療画像、例えば脊椎の2次元CTや3次元再構成は、脊椎の複雑な解剖学的構造、骨折の変位、その他の病理学的変化をよりよく表示できますが、まだ2次元画像しか提供できず、脊椎手術における爪経路の設計に3次元画像を提供することは困難です。 3Dプリント技術の応用により、手術前に椎弓根スクリューの挿入点、方向、角度を正確に設計し、手術プロセスをシミュレートできるだけでなく、手術中に複雑な手術野下の病変の位置を正確に特定し、複雑な脊椎構造上に内部固定装置を正確に配置できるため、複雑な手術が簡素化され、手術時間が大幅に短縮され、術中出血が減少し、手術の安全性が向上し、予後が改善されます。この研究の結果は、3D プリントによって椎体の局所形態を良好に表示できることを示しています。さらに、パーソナライズされた人工椎体の「ハニカム」多孔質設計は、「ストレスシールド」を効果的に軽減および回避できるだけでなく、骨移植の融合を促進するための誘導とスペースも提供します。

脊椎3Dプリントの利点:
①術前に個別の椎体と3次元モデルを作製し、術前の手術シミュレーションに活用する。
② 個別化された椎骨を手術に直接使用することで、手術時間、術中出血、合併症を軽減します。
③ 手術は正確で、個別の椎骨配置はより簡単かつ安全です。
④「ハニカム」人工椎体設計により、骨移植の癒合率が大幅に向上し、骨移植の非癒合、インプラントの脱臼、インプラントの圧縮変形のリスクが軽減されます。
⑤中国の脊椎の解剖学的特徴により一致しています。

D'Urso らは、3D 印刷技術を使用して、大後頭孔に侵入した軸椎の骨芽細胞腫瘍を持つ患者の 3D モデルを印刷しました。術前の観察と手術計画により、患者の腫瘍は完全に除去されました。 VanDijk らは、脊椎腫瘍の患者 4 名の固体脊椎モデルで術前計画を立て、腫瘍切除と脊椎再建手術をシミュレートし、患者用に人工器官や椎弓根スクリューなどの内部固定器具をカスタマイズしました。結果、すべてのモデルが手術に必要な情報を提供し、いくつかの詳細は術前の手術決定にも影響し、手術がスムーズに完了することがわかりました。術中の所見はシミュレートされた手術と非常に一致しており、インプラントと内部固定器具も非常に正確でした。 Izatt らは、脊椎手術における脊椎の物理モデルの実用性に関する定量的研究を実施し、データを使用して脊椎手術における 3D 技術の重要性を示しました。彼らは 3 次元再構成を行い、26 症例 (脊椎変形 21 例、脊椎腫瘍 5 例) の脊椎 28 個の物理モデルを取得しました。脊椎の物理モデルを観察することで、腫瘍切除と変形矯正のための手術計画とカスタマイズされたインプラントを開発しました。

結果によると、患者の65％は3Dモデルを通じて従来の医療画像データよりも包括的な情報を得ることができ、患者の11％は3Dモデルでのみ提供できる手術に影響を与える可能性のある関連情報を取得し、患者の52％は物理モデルの使用により術前の手術決定を変更し、患者の74％はインプラントの挿入部位を変更しました。手術中、物理モデルによって提供された解剖学的情報の約39％が手術中に見たものとまったく同じであり、物理モデルの解剖学的構造の58％が術中の解剖学的構造とあまり変わらないことが確認され、わずかに大きな差が見られたケースは1件のみでした。物理モデルの使用により、手術時間はさまざまな程度に短縮されました（脊椎変形手術では手術時間が約22％短縮され、脊椎腫瘍手術では約8％短縮されました）。 Guarino らによる研究でも同様の結論に達しており、物理的な脊椎モデルの観察とシミュレーション手術を通じて、手術の意思決定と術中手術に信頼できる情報を提供できるとしています。小児脊椎物理モデルの適用により、小児脊椎手術の安全性が大幅に向上し、手術時間が大幅に短縮されるため、手術による外傷が最小限に抑えられ、術後の回復に適した条件が整います。 Yangらは、3Dプリント技術を使用して軸椎腫瘍の切除と術後再建手術を成功させ、従来の再建技術では満足のいく支持と良好な機能を得ることが困難であった問題を克服しました。

3D プリント材料の生体適合性と生体力学的特性はまだ調査する必要があり、医療におけるパーソナライズされたインプラントとしての応用は大きく制限されます。パーソナライズされた椎骨の製作には時間がかかり、費用もかかります。関連文献の報告によると、現在、脊椎の完全な物理モデルを印刷するには約 1 週間かかり、コストは数百ドルから数千ドルに及びます。これも、その広範な応用を制限する重要な理由です。

記事の出典：夏小龍、陳楊、邱一燕、楊新建、張衛斌、楊澤宇（深圳第二人民病院脊椎外科）

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