足と足首の手術における3Dプリント技術の応用価値

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-2-17 14:29 に最後に編集されました。

足と足首の手術分野における 3D プリント技術の応用には、高速、個別化、直感的、高度な操作性などの利点があります。 3D プリント技術を使用して作られた足と足首の装具は、個別化された治療を実現し、製造時間を短縮できます。術前に骨の 3D プリントモデルとガイドモデルを準備することで、手術の難易度と術中の透視回数を減らし、手術の精度を高めることができます。術前に 3D プリント技術を使用して個別の骨チップとプロテーゼを準備することで、より優れたマッチングを実現できます。以下では、Antarctic Bear が足と足首の手術における 3D プリント技術の応用価値についてレビューします。

足と足首は、骨と関節の数が多く、形状が複雑で、サイズが小さいという特徴があるため、この領域の外傷の診断と治療は常に整形外科の分野における困難点の1つとなっています。コンピュータ技術の急速な発展により、3D プリント技術が誕生しました。 3D プリント技術の迅速で個別化された利点のおかげで、足と足首の研究におけるいくつかの困難が克服されました。アンタークティック・ベアはこれまで、国内の病院が3Dプリント技術を使って足や足首の手術を行っている多くの事例を報じてきた。
足と足首の手術における3Dプリント技術の応用価値
第三軍医大学西南病院は3Dプリントを使用して足と足首の変形矯正手術2件を完了した。
中国で足と足首の手術に3Dプリント技術が初めて応用される

最近では、より強力な新しい 3D 印刷技術が次々と登場しています。これらの新しい 3D プリンターは、さまざまな材料やさまざまな要件で、より多くのオブジェクトを印刷できます。 3D プリント技術の発展により、3D プリンターの応用範囲はますます広がり、さまざまな業界がそれぞれの分野での 3D プリンターの応用価値を模索し始めています。

3Dプリントは主に3つのステップに分かれています。最初のステップは、コンピューター上で 3D 設計を行うことです。つまり、最初に 3D モデルを構築し、次に 3D モデルを分割またはスライスして、3D プリンターで認識できるようにします。
2 番目のステップはプリンターによって完了します。これは、3D モデルのパーティションまたはスライスデータを読み取って印刷し、さまざまな方法を使用してこれらのパーティションまたはスライスを 1 つに結合することです。
3 番目のステップでは、2 番目のステップで印刷されたエンティティを再処理して、実際のニーズにさらに沿うようにし、印刷プロセス全体を完了します。臨床医学の分野では、マルチスライススパイラル CT や MRI などの最新の画像技術により、3D プリントモデルの形態学的パラメータを提供できます。こうした検査が臨床現場で徐々に日常的に行われるようになるにつれ、3D プリンティングが医療分野で応用され始めています。

現在、医療分野で使用されている主な 3D プリント技術は、選択的レーザー焼結法、熱溶解積層法、マルチノズル成形技術、およびステレオリソグラフィーの 4 つです。選択的レーザー焼結技術とは、レーザービームを使用して熱可塑性シートを選択的に切断し、CT または MRI 画像の各層を熱可塑性シートにする技術です。その後、これらのシートを積み重ねて焼結し、3D モデルを形成します。この技術で作成されたモデルは、幾何学的精度が高いという利点がありますが、コストが高く、表面が粗いという欠点があるため、実用的ではありません。熱溶解積層法とは、溶融した材料を層状に成形して固める技術です。この方法により、異なる組織を異なる材料で作成することができ、それぞれの解剖学的構造を異なる色と種類の材料で作成して区別することができます。このモデルは幾何学的精度と表面品質に優れていますが、時間がかかり、モデルの作成には最大 24 時間かかる場合があります。最も古い 3D 印刷技術であるステレオリソグラフィーは、現在でも医療分野で広く使用されています。その原理は、形成する必要のある液体感光性樹脂をレーザーの作用下で選択的に重合反応させ、その後硬化させてモデルに積み重ねることです。作成されたモデルは、滅菌可能、高い幾何学的精度、高い表面品質、高い詳細度などの利点があります。詳細度と表面品質は熱溶解積層法を上回っていますが、時間がかかるという欠点もあります。マルチノズル成形技術は、狭義では3Dプリント技術と呼ばれ、その印刷方法は通常のインクジェットプリンターと同様、粉末状の材料を層ごとに吹き付けて最終的に完成モデルを形成するものです。この印刷方法には多くの欠点がありますが、時間がかからず、材料コストも低くなります。完成品を作る際に最新技術を使えば、4時間以内に短縮できる可能性があり、まだ短縮の余地があります。

足と足首の手術における3Dプリント技術の応用
1 足部および足首装具のカスタマイズ<br /> 足首および足部の装具は、足と足首の動きを制御するために使用される装置です。関節炎、骨折の修復、足首の変形の矯正に使用できます。大量生産される装具の数は限られており、最良の装具効果を実現するための個別的なサービスを提供することは不可能です。カスタマイズされた足部および足首装具は上記の問題を解決しますが、その製造には時間がかかり、高度な職人技が必要です。 3D プリントされた足部および足首装具は、リバースエンジニアリングとラピッドプロトタイピング技術を使用して、個別の足部および足首装具を作成する際の難易度と時間を大幅に削減しながら、カスタマイズされた足部および足首装具と同じかそれ以上の結果を達成します。

Faustini らはレーザー焼結技術を使用して、個別の形状と機能を備えた足首装具を製造し、圧力とねじれに対する耐性の点で優れた性能を発揮しました。
Mavroidisらはレーザースキャンで個々の患者データを収集し、3Dプリント技術を使用してモデルを作成した。完成品は、伸縮性、弾力性、曲げ抵抗、圧縮抵抗の点で従来のポリプロピレン装具と同様であった。
Creylman らは、レーザー焼結技術を使用して、カスタマイズされた足首装具を 2 年以上使用していた 8 人の患者向けに新しい足首装具をカスタマイズしました。歩行実験の結果、これらの足首装具は優れた性能を発揮し、歩幅、歩幅時間、開始時間においてカスタマイズされた足首装具と同じ良好な結果を達成しました。ただし、これらの足首装具の作成時間 (わずか 1 日) は、カスタマイズされた足首装具よりもはるかに短いものでした。現在、3D プリントを使用して作成された足部および足首装具は、さまざまなテストや実験で良好な結果を示しており、臨床応用の見通しは有望です。

2 足骨モデルの作成<br /> 足と足首には複雑な形状の骨が多数あります。この領域の手術には、外科医に確かな解剖学的知識、強力な空間想像力、豊富な臨床経験、そして完璧な術前計画が求められます。上記の条件が満たされていても、患者間の個人差により手術の難易度や手術時間が長くなる可能性があります。手術前に足と足首の骨の 3D プリントモデルを準備することで、現実的なシミュレーション手術環境が提供され、外科医が手術部位を完全に観察して理解するのに役立ちます。さらに、足と足首の骨の3Dプリントモデルは、術前のリセット、術中のプレートとネジの配置、内部固定のシミュレーションにも使用でき、プレートを事前に成形して手術計画をさらに調整し、より合理的で個別の内部固定配置位置と角度を決定できるため、より良い手術結果を達成し、術中の手術時間を短縮できます。

Kacl らは、30 症例の関節内踵骨骨折の足と足首の骨の 3D プリントモデルを通常の 2D および 3D 再構成画像と比較し、踵骨骨折の診断において 3D プリントモデルと通常の 2D および 3D 再構成画像の間に有意差がないことを確認しました。彼らは、デジタル仮想モデルと比較して、3D プリントモデルは操作性が強く、したがって外科設計においてより実用的であると信じていました。 Giovincoらは、シャルコー足の治療を支援するために3Dプリント技術の使用を導入しました。つまり、通常の3Dプリンターを使用して、患部の足の安価な骨モデルをいくつか作成しました。シミュレーション手術を通じて、外科医は後期シャルコー足手術の難易度を効果的に軽減し、手術効率を向上させ、それによって手術リスクを減らし、手術の成功率を高めました。 Bagariaらは、3Dプリント技術を使用して、16歳の男性患者の踵骨骨折（Sanders type IIB）のモデルを作成しました。このモデルは骨折の状態を明確に示しており、このモデルに基づいて設計された手術は成功し、患者は手術後に順調に回復し、骨折は2年後に完全に治癒しました。

Chungらは、片側踵骨関節内骨折手術に3Dプリントモデルを使用した症例を報告した。彼らはまず両側踵骨のCT画像をスキャンし、次にミラー技術を使用して健康な踵骨を患側踵骨と同じサイズのモデルに印刷した。手術前には、モデルと画像データを使用して、より小さな切開で内部固定器具を安定して固定して挿入できるように鋼板、釘跡などの位置を設計し、鋼板は骨表面によりフィットするように事前に成形した。手術中は、直視とX線透視下でモデルを骨折部位と比較し、これに基づいて整復、骨移植、固定を行った。最終的に手術は成功した。 Zhang Yingらは、コンピューターによるラピッドプロトタイピング技術が三果骨折の個別治療に及ぼす影響を研究し、従来の手術と比較しました。その結果、両者の手術切開露出時間には差がないものの、前者の方が整復固定時間が短く、優れた手術効果率が高いことがわかりました。 Jin Danらは、リバースエンジニアリング法と3次元再構成技術により、脛腓骨癒合分離固定用ナビゲーションテンプレートを作成した。作成されたガイダンステンプレートは適合性が良好で、脛腓骨癒合分離固定術の初期臨床応用において良好な結果を示した。骨の3Dプリントモデルとガイドテンプレートは、骨折の整復、鋼板の事前曲げ、内部固定器具の配置と角度の決定、骨切りと矯正手術の設計に役立ちます。手術の難易度を軽減し、手術の精度を高め、術中のX線透視の使用回数を減らすことができるため、臨床診療での応用見通しは比較的明るいです。
3インプラントのパーソナライズされたデザイン<br /> 足や足首の怪我は骨の欠損につながることが多く、構造的完全性を回復するには適切な骨移植が必要になります。しかし、足と足首の骨の構造は複雑で、骨の欠損部の形状も不規則であるため、手術中にインプラントを整形するのに多くの時間がかかることがよくあります。足と足首の骨の 3D プリントモデルを使用することで、3D プリント技術を使用して手術前に個別の骨片と人工装具を準備することができ、従来の方法に比べて手術時間を節約できるだけでなく、より適合性が向上します。技術的な制限により、3Dプリンターを使用してチタン合金鋼板やネジを直接印刷することはまだ実験段階にあります。現在、3D印刷技術は主に鋼板の前処理に使用されています。3D印刷技術で処理された鋼板は、従来の鋼板よりも患者の骨の状態によりよく適応し、より優れた治療効果を実現します。 Cooke らは、分解性生体材料を 3D プリントに適用し、要件を満たす骨チップを製造することに成功しました。 Leukersらは3Dプリント技術を使用してハイドロキシアパタイトの足場を印刷し、その上で幹細胞を培養して、これらの足場を人間の骨に似た構造にしました。 3D プリント技術はあらゆる形状の物体を構築できるため、足と足首の手術におけるその応用価値はさらに研究する価値があります。
3D プリント技術を使用して作られた足と足首の装具は、個別化された治療を実現できるだけでなく、人件費と時間コストを削減することもできます。複雑な足や足首の手術では、 3D プリントされたモデルとガイドテンプレートを使用すると、手術の難易度と術中の透視回数が減るだけでなく、手術の精度も向上します。さらに、3D 印刷技術は、パーソナライズされたインプラントの製造にも使用できます。3D 印刷モデルの表面処理や幾何学的精度などの技術の進歩により、3D 印刷技術には、インプラントを直接印刷する上で大きな発展の余地があります。しかし、現在の 3D プリント技術には、まだいくつかの欠点があります。まず、3Dプリントモデルのコストは技術の進歩に伴い年々着実に低下しているものの、依然として比較的高い水準にあります。次に、3Dプリントは依然として時間がかかりすぎるため、緊急手術への適用は困難です。最後に、3Dプリント技術の応用はまだ実験段階にあり、その適用範囲をさらに探究する必要があり、実際の有効性は臨床研究によって検証される必要があります。 3D プリント技術が今後も改善、発展していけば、足や足首の手術における応用の見通しは非常に広くなるでしょう。

記事の出典：（陳燕喜、強敏飛、江宇塵、同済大学付属上海東方病院外傷・整形外科）

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