使用2D醫(yī)學影像進行3D打印模塊化定制大骨缺損支架

來源：生物設計與制造BDM

增材制造技術(shù)（AM）革新了組織工程應用中用于患者個體化、三維復雜多孔結(jié)構(gòu)支架的設計和制造。先進的圖像獲取技術(shù)、圖像處理和計算機輔助設計方法使得精確設計和增材制造解剖學符合患者個體情況的植入物和支架成為可能。然而這些復雜的技術(shù)可能需要花費大量時間、人力和金錢。此外，在緊急治療時，對于創(chuàng)傷患者可能沒有迅速獲得必要的成像和制造設備。本研究提出了一種新穎的設計和增材制造方法，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)學影像，快速組合成任何患者個體化支架，也能解決外科醫(yī)生無法使用3D打印機或無法等待手術(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特性的多孔支架方塊。作者應用該算法，設計的支架方塊使用基于擠出的AM工藝進行了3D打印。同時提供指導和說明，以協(xié)助外科醫(yī)生組裝支架方塊，實現(xiàn)患者個體化大骨缺損的自我修復。

圖1 從2D醫(yī)學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