使用2D醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行3D打印模塊化定制大骨缺損支架

來源：生物設(shè)計(jì)與制造BDM

增材制造技術(shù)（AM）革新了組織工程應(yīng)用中用于患者個(gè)體化、三維復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)和制造。先進(jìn)的圖像獲取技術(shù)、圖像處理和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法使得精確設(shè)計(jì)和增材制造解剖學(xué)符合患者個(gè)體情況的植入物和支架成為可能。然而這些復(fù)雜的技術(shù)可能需要花費(fèi)大量時(shí)間、人力和金錢。此外，在緊急治療時(shí)，對(duì)于創(chuàng)傷患者可能沒有迅速獲得必要的成像和制造設(shè)備。本研究提出了一種新穎的設(shè)計(jì)和增材制造方法，用于開發(fā)模塊化和可定制的支架方塊，以適應(yīng)患者的骨缺損區(qū)域。這些模塊化支架方塊可以根據(jù)二維（2D）醫(yī)學(xué)影像，快速組合成任何患者個(gè)體化支架，也能解決外科醫(yī)生無法使用3D打印機(jī)或無法等待手術(shù)過程中冗長的3D成像、建模和3D打印的問題。該方法首先通過開發(fā)骨表面建模算法，根據(jù)2D醫(yī)學(xué)影像測量重建患者骨骼模型，無需昂貴的3D成像或分割。該算法可生成患者個(gè)體化和平均骨模型。此外，還開發(fā)了一種仿生連續(xù)路徑規(guī)劃方法，用于根據(jù)2D數(shù)據(jù)或圖像直接制造具有所需生物力學(xué)特性的多孔支架方塊。作者應(yīng)用該算法，設(shè)計(jì)的支架方塊使用基于擠出的AM工藝進(jìn)行了3D打印。同時(shí)提供指導(dǎo)和說明，以協(xié)助外科醫(yī)生組裝支架方塊，實(shí)現(xiàn)患者個(gè)體化大骨缺損的自我修復(fù)。

圖1 從2D醫(yī)學(xué)圖像直接生成最佳配件支架的方法示意圖

圖2 (a, b) 參考幾何實(shí)體（RGE）的定義、特征參數(shù)和模型參數(shù)；(c) 股骨區(qū)域

圖3 算法II的一般步驟：(a) 創(chuàng)建輔助平面，(b)獲取橫截面曲線，(c) 聚類橫截面曲線，(d) 曲線擬合，(e) 模塊的3D模型

圖4 算法III的一般步驟

圖5 使用逆向工程方法（藍(lán)色）和股骨表面建模算法（紅色）獲得的不同股骨模型

圖6 不同的支架模塊圖案

圖7 最佳配件支架的股骨模型

圖8 采用圖案1的模塊組裝最佳配件支架