三维打印技术在先天性心脏病中的应用

先天性心脏病是发病率最高的出生缺陷。三维打印技术可以通过三维实体模型呈现心脏解剖,为进一步理解解剖结构提供了新的方法。本文就三维打印技术在先天性心脏病外科手术术前规划、术中导航中的应用、个性化植入物、医生外科手术训练和医学教育及促进医患沟通,帮助患者及家属了解病情等方面的应用进行综述。三维打印技术未来或可推动先天性心脏病诊治水平提高,提升外科医生手术熟练度,缩短手术时间,减少围术期并发症发生,以及制造出更多个性化心血管植入物及医疗器械,真正体现了精准医学的概念。     

基于三维动态照相机的正常人面部表情可重复性研究

目的:测量正常人群表情运动的可重复性,为患者手术等干预措施的效果评价提供参照数据。方法:征集面部结构大致对称、无面部运动及感觉神经障碍病史的志愿者共15名(男性7名,女性8名,中位年龄25岁)。使用三维动态照相机记录研究对象的面部表情运动(闭唇笑、露齿笑、噘嘴、鼓腮),分辨率为采集频率60帧/s,挑选每个面部表情中最有特征的6帧图像,分别为静止状态时图像(T0)、从静止状态至最大运动状态时的中间图像(T1)、刚达到最大运动状态时的图像(T2)、最大运动状态将结束时的图像(T3)、最大运动状态至静止状态时的中间图像(T4)及动作结束时的静止图像(T5)。采集两次面部表情三维图像数据,间隔1周以上。以静止图像(T0)为参照,将运动状态系列图像(T1~T5)与之进行图像配准融合,采用区域分析法量化分析前后两次同一表情相同关键帧图像与对应静止状态三维图像的三维形貌差异,以均方根(root mean square,RMS)表示。结果:闭唇笑、露齿笑以及鼓腮表情中,前后两次的对应时刻(T1~T5)图像与相应T0时刻的静止图像配准融合,计算得出的RMS值差异无统计学意义。撅嘴动作过程中,前后两次T2时刻对应面部三维图像与相应T0时刻静止图像配准融合,得出RMS值差异有统计学意义(P<0.05),其余时刻的图像差异无统计学意义。结论:正常人的面部表情具有一定的可重复性,但是噘嘴动作的可重复性较差,三维动态照相机能够量化记录及分析面部表情动作的三维特征。     

三维数字化重建及打印技术在骨科临床教学中的应用

目的　探究三维数字化重建及打印技术技术应用于复杂骨科教学中的效果。方法　选取2016年9月至2017年9月在内蒙古医科大学第二附属医院实习的90名医学生作为对象,按照不同教学方式分为对照组（45人）与实验组（45人）。前者行传统教学;后者利用利用三维数字化重建及打印技术技术打印出患者复杂骨折模型,经数字化再现骨折分型,通过骨折模型制定科学手术方案,并对手术固定方式进行模拟。考试分为临床技能考核与笔试两部分,均依照考试大纲要求制定;自我认知能力评分,包括专业兴趣、骨折理解程度等;实习医学生满意度,采取自制问卷调查。组间数据比较采用t检验。结果　实验组操作技能平均成绩为（84.36±0.28）分、理论知识为（87.55±0.44）分,均高于对照组且差异有统计学意义（P＜0.05）;实验组专业兴趣等自我认知能力评分均较对照教学组高,差异具有统计学意义（P＜0.05）;实验组学生对课堂氛围等满意度评分高于对照组评分,差异具有统计学意义（P＜0.05）。结论　复杂骨科教学过程中采取三维数字化重建及打印技术建立模型,可有效提高实习生操作技能与理论知识水平,提升学生的教学满意度。     

无牙颌印模用个别托盘椅旁计算机辅助设计和三维打印系统建立与临床初步评价

目的: 采用自主研发的无牙颌个别托盘椅旁数字化系统设计并三维打印无牙颌个别托盘,用视觉模拟评分法,基于医师对该个别托盘制取终印模的满意度,初步评价其临床应用效果。方法: 由三位经过统一操作流程培训的修复医师随机接诊于北京大学口腔医院就诊的15名上、下颌牙列缺失患者,分别采用自主研发无牙颌个别托盘椅旁数字化系统和传统手工法制作无牙颌个别托盘,高流动型硅橡胶印模材制取终印模。采用视觉模拟评分法设计调查问卷,由制取终印模的三位医师根据制取印模的满意程度填写调查问卷,进行满意度调查。结果: 根据制取印模的满意程度,使用自主研发无牙颌个别托盘椅旁数字化系统制作的个别托盘与传统手工法制作的无牙颌个别托盘在口腔内试戴(整体尺寸、外形、是否利于握持等)的平均满意度分别为9.18±0.19和8.23±0.22,两者差异有统计学意义(P<0.05);试戴时边缘位置(边缘伸展、系带切迹)的平均满意度分别为8.91±0.40和7.96±0.23,两者差异有统计学意义(P<0.05);托盘稳定性的平均满意度分别为8.80±0.83和8.01±0.81,两者差异有统计学意义(P<0.05);终印模制取效果(完整性、印模材厚度、是否漏出托盘、边缘形态)的平均满意度分别为8.94±0.68和7.99±0.42,两者差异有统计学意义(P<0.05);优质终印模获取难度(重复次数、效率)的平均满意度分别为9.20±0.37和7.88±0.22,两者差异有统计学意义(P<0.05);整体的平均满意度分别为 9.11±0.49和7.95±0.15,两者差异有统计学意义(P<0.05)。结论: 使用自主研发无牙颌个别托盘椅旁数字化系统制作的个别托盘制取终印模的医师满意度高于传统手工光固化法制作的个别托盘, 达到临床要求,可进一步在临床上推广使用。     

新型三维打印镁合金支架的显微结构及降解性能研究

目的:制备一种新型三维打印镁合金支架,探究其显微结构并检测体外降解性能.方法:应用Magics软件设计圆柱体三维模型,再使用增材制造技术将AZ91镁合金粉制备成3D打印镁合金(3D-AZ91)试件.观察3D-AZ91与铸造镁合金(AZ31)试件的金相结构,X射线能量色散光谱仪(energy dispersive X-r...     

动态导航下不同深度环钻定位精确度的体外评价

目的: 通过3D打印的体外模型评价使用动态导航系统引导下环钻在不同深度定位的精确度。方法: 设计并使用3D打印技术以Veroclear树脂制作标准化模型,分别在距离模型外表面5、10、15 mm深度预留半球型空腔。拍摄锥形束CT(cone beam CT,CBCT)并将数据导入动态导航软件中(迪凯尔公司,中国),建立导航路径规划。在导航引导下使用直径4.5 mm的环钻完成入路操作,每个深度完成10例入路。拍摄术后模型的CBCT,重建导航下的入路轨迹,并与设计路径进行对比,计算实际动态导航路径与设计路径之间的二维距离偏差、深度偏差、三维距离偏差及角度偏差。结果: 5 mm深度下动态导航终点位置与目标位置的二维距离偏差为(0.37±0.06) mm、深度偏差为(0.06±0.05) mm、三维距离偏差为(0.38±0.07) mm、角度偏差为2.46°±0.54°;10 mm深度下动态导航终点位置与目标位置的4项偏差分别为(0.44±0.05) mm、(0.16±0.06) mm、(0.47±0.05) mm、2.45°±1.21°;15 mm深度下动态导航终点位置与目标位置的4项偏差分别为(0.52±0.14) mm、(0.16±0.07) mm、(0.55±0.15) mm、3.25°±1.22°。随着进入深度的增加,动态导航系统的三维及深度精确度均下降(P<0.01),定位角度偏差与进入深度无关(P>0.01)。结论: 动态导航技术在15 mm的深度范围内仍可以达到较高的定位精确度,但其偏差值随着进入深度的增加而增大。     

三维打印技术在脊柱外科的研究与应用

三维打印技术是21世纪产生的新技术,已逐步应用于医疗卫生领域,与过往的二维打印技术不同,其采用层层堆积的方法“打印”出三维立体成品,打印物具有精度高、匹配度好等特点。目前该技术在脊柱外科主要应用于术前导航模板的制定、手术植入物的研究和医疗教学等方面。本文总结了三维打印技术在脊柱外科的研究与应用进展,并指出其不足之处及未来发展前景。     

三维打印技术的发展对教育的启迪

在介绍三维打印技术现状及其未来发展趋势的基础上,进一步具体介绍了在上海市和田路小学开展运用3D打印机培养学生创新思维的实验。和田路小学开展利用三维打印技术的校本课程实践表明,让学生从小就接触、体验、掌握新兴的三维打印技术,让学生体验未来工业生产的新模式,有利于提升学生的想象力和创造力。     

根尖切除手术导板的计算机辅助设计及三维打印

目的：基于多源数据融合、计算机辅助设计（computer aided design,CAD）和熔融沉积工艺制造（fused deposition modeling,FDM）技术,建立一种根尖切除手术导板的设计制作方法,通过离体模型实验初步评价导板的可行性。方法：将一颗已完善根管治疗的离体上前牙经光学扫描后,灌入根尖切除手术石膏模型,进行该石膏模型的锥形束CT（cone beam computed tomography, CBCT）扫描和光学扫描,将各种数据导入Geomagic Studio 2012软件中,利用多源数据融合技术虚拟还原离体牙、牙列、牙槽骨和牙龈的三维位置关系,完成根尖切除手术导板三维设计。运用FDM技术,三维打印聚乳酸（polylactic acid,PLA）材质的根尖切除手术导板。在手术导板引导下于石膏模型上行根尖切除,术后抠除离体上前牙,进行光学扫描。通过测量距离、测量夹角功能来计算根尖切除长度和角度,并与预设切除长度和角度进行对比。结果：沿预设的牙长轴方向,根尖切除长度为2.88 mm,与预设切除的3 mm相差0.12 mm,根尖切除平面与牙长轴夹角为77.9°,与预设切除的90°相差12.1°。结论：结合多源数据融合、CAD及FDM技术,成功建立了一种根尖切除手术导板的数字化设计和制作方法,设计路线和制作方法可行,为国产根尖切除手术导板数字化设计专用软件的开发提供了技术和方法的参考。     

三维打印主动脉夹层模型配合PBL在血管外科住院医师教学中的应用

目的：评估三维打印主动脉夹层模型配合PBL教学模式在血管外科住院医师主动脉夹层教学中的应用效果。方法：68名我院血管外科住院医师,接受传统影像资料下PBL教学32名(对照组),接受主动脉夹层三维打印模型配合PBL教学36名(实验组)。对两组住院医师进行知识考核和教学效果问卷调查。结果：实验组住院医师病例分析和考核总成绩显著高于对照组;实验组住院医师认为课程难度较低,同时在临床思维能力培养方面满意度更高。结论：三维打印主动脉夹层模型为PBL教学提供了真实、可视化的辅助工具,能帮助学生认识和理解主动脉夹层的解剖基础和病理生理联系,降低课程难度,有利于培养学生的临床思维能力。     

一种基于数字化牙颌模型的三维咬合分析方法

目的:探索一种通过扫描带有空间位置关系的上、下颌模型,进行咬合接触三维分析的方法.方法:采用牙颌模型三维激光扫描仪及专用上、下颌模型定位装置,获取牙尖交错位空间位置关系的上、下颌模型三维点云数据,在逆向工程软件中重建咬合关系,进行三维咬合接触面积的测量,并与咬合纸、光学咬合分析的结论进行比较.结果:使用扫描重建的牙尖交错位状态模型测量出了三维咬合接触面积,与咬合纸、光学咬合分析的结果比较无显著区别,初步实现了"计算机虚拟咬合纸"的功能.结论:本研究的咬合分析方法准确性好,测量精度高,并有很好的发展潜力,为评价咬合接触状态提供了一种新的技术手段.     

转移牙合架固定法三维重建牙尖交错牙合的精度评价

目的:评价转移牙合架固定法三维扫描重建牙列石膏模型牙尖交错牙合的精度,为临床应用提供参考。方法:标准全牙列石膏模型底座分别粘贴直径6.0 mm树脂切削圆柱,于牙尖交错牙合(intercuspal occlusion,ICO)上平均值牙合架。以100 μm红色马蹄形咬合纸记录后牙区咬合接触点,以咬合记录硅橡胶记录ICO咬合接触,统计咬合纸及咬合记录硅橡胶重叠的咬合接触点数目N_A。以模型扫描仪配套转移牙合架分别固定上颌、下颌及位于ICO的上下颌并扫描,利用扫描仪内置配准软件重建模型牙尖交错牙合,保存位于ICO的上下颌模型数据为STL格式。利用Geomagic Studio 2013软件偏差分析功能分析三维模型的咬合接触点数目N_S。将N_A作为参考值,N_S作为测量值,评价模型扫描仪重现咬合接触的阳性预测值、灵敏度,即真阳性率。采用三坐标测量系统Faro Edge获取上下颌模型相对应圆柱底面圆心之间的距离D_R作为参考值,构建三维模型圆柱底面圆心并测量其相对应圆心之间的距离D_M作为测量值,计算圆心距离偏差。结果:模型扫描仪重现咬合接触点的阳性预测值是0.76、灵敏度是0.81,重建牙尖交错牙合的上下颌特征点之间的距离测量误差是(0.232±0.089) mm,经单样本t检验,特征点对5-5’差异没有统计学意义,其他特征点对之间的差异有统计学意义(P<0.05)。结论:转移牙合架固定法较好地再现了咬合接触点的个数和位置,满足临床需求,但该方法重建ICO的特征点距离大于参考值,以此进行修复体制作会导致咬合增高,需要进行临床调磨。     

3D打印上颌骨手术模型误差测量的实验研究

目的 分析3D打印上颌骨手术模型的误差,为口腔颌面外科3D打印技术的应用提供基础数据支持.方法 应用熔纤3D打印技术制作标准几何模型和上颌骨模型,观测两种模型的表面光洁度,测量几何模型的外形数据和精细度,测量上颌骨模型与颌骨标本骨性标志物间的距离误差.结果 3D打印标准几何模型的表面X-Z、Y-Z平面呈水平排列,X-Y平面呈经纬交错排列,精度误差率在-1.67％～1.47％;最高解析度X及Y轴边长为0.25 mm,Z轴边长为0.50 mm.3D打印上颌骨模型骨性标志点间距离的误差率在-0.08％～1.96％,X轴向上误差率均值为1.59％,Y轴为0.86％,Z轴为0.42％,X轴误差率显著大于Y、Z轴(P＜0.05).结论 3D打印技术制作上颌骨模型具有很高的精确度,通过合理设计可以提高模型制作精度来满足临床需要.     

在数字化牙颌模型上确定牙合平面的可重复性

目的：：研究在数字化牙颌模型上确定牙合平面的两种方法的可重复性并比较其差异。方法：从北京大学口腔医院正畸科2004年7月至2008年8月治疗完成并具有完整临床资料的806例病例中,以Angle分类为分层因素,随机抽取48个病例,扫描其治疗后石膏模型生成数字化模型。在自行开发的软件中,由1名测量者以至少1周的间隔、重复5次在模型上确定标志点,拟合出1组解剖牙合平面和1组功能牙合平面;并由6名测量者分别定点,拟合出2组牙合平面。计算每个模型各组平面夹角的标准差,比较4组平面的可重复性并分析出现极端值的模型。结果：功能牙合平面和解剖牙合平面的可重复性在同一测量者差异无统计学意义(P>0.1),在6名测量者间差异有统计学意义(P<0.001),功能牙合平面的合并样本标准差小于解剖牙合平面,相差0.2°。同一测量者和6名测量者确定的功能牙合平面的可重复性差异没有统计学意义(P>0.1),解剖牙合平面的可重复性差异有统计学意义(P<0.001),同一测量者的合并样本标准差小于6名测量者,相差0.12°。结论：由一名测量者进行一批模型的测量时,功能牙合平面与解剖牙合平面的可重复性相同,均适合作为参考平面;由不同测量者进行大批量的测量时,功能牙合平面的可重复性好于解剖牙合平面,但差距较小。     

Compatibility and stability studies involving polymers used in fused deposition modeling 3D printing of medicines

One of the challenges in developing three-dimensional printed medicines is related to their stability due to the manufacturing conditions involving high temperatures. This work proposed a new protocol for preformulation studies simulating thermal processing and aging of the printed medicines, tested regarding their morphology and thermal, crystallographic, and spectroscopic profiles. Generally, despite the strong drug-polymer interactions observed, the chemical stability of the model drugs was preserved under such conditions. In fact, in the metoprolol and Soluplus® composition, the drug's solubilization in the polymer produced a delay in the drug decomposition, suggesting a protective effect of the matrix. Paracetamol and polyvinyl alcohol mixture, in turn, showed unmistakable signs of thermal instability and chemical decomposition, in addition to physical changes. In the presented context, establishing protocols that simulate processing and storage conditions may be decisive for obtaining stable pharmaceutical dosage forms using three-dimensional printing technology.     

Use of three-dimensional printing for the osteoplastic flap approach: A viable technique

The osteoplastic flap technique is the open and direct approach to the frontal sinus and is especially useful when disease extends laterally into the frontal sinus. One of the vital steps of surgery is delineation of the boundary of the frontal sinus. This can usually be performed either by using the classical 6-ft Caldwell view X-ray template or more recently by application of the image-guided navigation system. The present article describes an alternative technique of using 3D printing technology for preoperative creation of the onlay template to mark the limits of the frontal sinus during osteoplastic flap technique and its advantages.     

3D打印激光快速成型牙种植体的制备及其机械性能分析

目的：应用3D打印快速成型技术制备钛合金牙种植体并探讨其机械性能,为应用3D打印技术制备个性化牙种植体提供依据。方法：计算机上建立牙种植体及标准试件模型,应用3D打印激光快速成型技术制备钛合金牙种植体及标准试件,通过X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDS）分析3D打印钛合金种植体材料相组成,采用金相显微镜和扫描电镜观察其组织形貌,采用显微硬度测试仪和拉伸实验检测材料的机械性能。结果：3D打印钛合金种植体微观结构均匀。材料拉伸强度和屈服强度分别为（1 821.7±146.2）Mpa和（1 355.9±109.2）Mpa,延伸率为（31.3±1.8）%,维氏硬度为372.93~428.46HV,机械性能符合国家牙种植体材料医用标准。结论：3D打印快速成型技术制备的钛合金材料可满足牙种植体材料要求,有望在牙种植体制备和个性化即刻种植领域得到广泛应用。     

3D打印技术在复杂骨折治疗中的作用研究

目的 探讨3D打印技术在复杂骨折个性化治疗中的作用.方法 将1例髋臼骨折、1例踝关节骨折患者骨折处,经CT扫描得到dicom格式数据,Mimics软件处理后,3D打印机打印成1∶1骨折模型,进行模型上复位与固定预演,并按照术前预演目标进行手术.结果 术后骨折得到满意复位及有效固定,与术前手术预演基本吻合,患者无血管和神经损伤等并发症发生.结论 3D打印技术在复杂性骨折手术治疗中可延展术前设计、精准手术过程、缩短手术时间、并减少并发症的发生.     

基于3D打印的个性化截骨技术与传统方式行全膝关节表面置换的临床对比

目的 研究基于3D打印个性化截骨技术在全膝关节置换中的临床应用价值.方法 选择2015年10月~2017年2月间17例20膝关节疼痛及功能障碍患者采用3D打印截骨导板辅助下行全膝关节置换手术,同期选择16例18膝采用传统手术方式行全膝关节置换术.术前两组患者年龄、性别、KSS评分,均无统计学差异性(P>0.05).记录手术时间,术中出血量、手术实际股骨远端、胫骨近端截骨量,术后X线片测量平均股骨、胫骨机械轴夹角(MFTA),矢状位胫骨平台后倾角(STCA)数值并进行统计学分析,末次随访时行KSS评分.结果 术后随访7~23月,两组病例均未出现关节感染,假体松动、移位、下沉等并发症.3D导板组术前规划的股骨远端、胫骨近端截骨量与手术实际数值无统计学差异性(P>0.05);3D导板组的手术时间、术中出血量、MFTA值、STCA值与传统组相比差异有统计学意义(P<0.05);随访末期3D导板组KSS临床及功能评分均高于传统组,两组间差异有统计学意义(P<0.05).结论 基于3D打印个性化截骨技术简化了全膝关节表面置换术手术的操作步骤,可提高手术的精准度与临床疗效,值得进一步推广应用.