醫(yī)學(xué)“新星”，帶你解密3D打印和機器人技術(shù)如何升級膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)

2021年5月17日，南極熊了解到國外一家名為史賽克的公司利用增材制造和機器人技術(shù)促進骨/醫(yī)用植入體結(jié)合，極大程度上縮短了病人的手術(shù)后恢復(fù)時間。

△史賽克的Triathlon植入物有四個部分（從上到下）：股骨、髕骨（連接到股骨）、襯墊和脛骨。圖片來自史賽克公司

在上個世紀(jì)七十年代，全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)多是依據(jù)解剖學(xué)上的模型設(shè)計出類似膝關(guān)節(jié)的假體，進而完成關(guān)節(jié)替換實現(xiàn)治愈。時至今日，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，無論是假體制造、手術(shù)方法，還是病人的術(shù)后恢復(fù)效果都有了很大的改善。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在醫(yī)學(xué)上被稱為TKA，當(dāng)前它的進展主要包括：為骨植入物及其3D打印部件開發(fā)出專用生物材料，以及手術(shù)輔助機器人的使用。

史賽克公司于2002年開始引入增材制造技術(shù)，公司的數(shù)字、機器人和實體賦能技術(shù)的總裁羅伯特-科恩（Cohen）于20世紀(jì)80年代在新澤西理工學(xué)院獲得多個工程學(xué)位，他的職業(yè)生涯一直致力于研發(fā)醫(yī)用植入物。他對3D打印等數(shù)字技術(shù)如何幫助工程師改善TKA手術(shù)有著高漲的熱情。除了膝蓋，這家總部位于密歇根州卡拉馬祖的全球性公司還3D打印髖關(guān)節(jié)、脊柱籠和其他植入性設(shè)備。

△史賽克數(shù)字、機器人和實體賦能技術(shù)的總裁羅伯特-科恩（Robert Cohen）

增材制造技術(shù)使他們能夠生產(chǎn)出用傳統(tǒng)方法無法制造或具備復(fù)雜幾何形狀的假體，其中一個例子就是是促進3D打印支架的生物相容性生物——使骨頭生能夠長到假體中。Cohen表示："3D打印是唯一能做到這一點的技術(shù)，為骨組織設(shè)計出可以生長的結(jié)構(gòu)，而不是僅僅做一個表觀的過程。按傳統(tǒng)方式你可能會鉆孔，然后說，'嘿，骨頭，我希望你能長到這些孔里�，F(xiàn)在，我們可以打印一個支架結(jié)構(gòu)，骨頭將長入其中，而支架同時具有結(jié)構(gòu)完整性。就像鐵路棧橋一樣"。

TKA手術(shù)案例的增長

據(jù)估計，每年有超過60萬美國人接受這種手術(shù)。預(yù)計在未來十年內(nèi)，這一數(shù)字還會上升。美國每年的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)總數(shù)約為100萬例�；颊哌x擇使用史賽克的Triathlon全膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)，并由該醫(yī)療設(shè)備制造商的Mako手術(shù)機器人提供協(xié)助�？贫鲗⒃霾闹圃烀枋鰹橐环N "工具"，幫助工程師發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法無法解決的問題的解決方案。他認(rèn)為：“3D打印本身也是另一種制造方式，只不過花哨點了而已。推動創(chuàng)新的是那些想用新方法解決問題的人的技能組合。在患者案例中，我們開發(fā)出了新型的替代植入物，而3D打印則是使我們的設(shè)計成為現(xiàn)實的助推器。”

△鐵人三項運動的增材部件是由史賽克公司為3D打印開發(fā)的鈦合金制成

科恩說：“過去幾年中，水泥骨結(jié)構(gòu)膝關(guān)節(jié)的使用迅速增長。原因是長期用于TKA手術(shù)的水泥骨結(jié)構(gòu)，是一種可以分解的材料，這又是醫(yī)用植入物的另一個機會"。史賽克用鈷鉻鑄造了Triathlon膝關(guān)節(jié)的股骨組件，這種材料能與塑料襯墊良好地互動。鑄造完成后，股骨經(jīng)過精加工，并涂覆有燒結(jié)顆粒，以促進骨質(zhì)增生。

在TKA手術(shù)中，在病人的股骨上進行一系列的凹形切割。端部的兩個切口與植入物對接，就像一個楔子被打入一塊木頭�？贫鹘忉屨f："這是最穩(wěn)定的表面，試想一下當(dāng)你站立的時候，你總是把骨頭推到更緊的地方。"髕骨的制作是一個相對簡單的過程。金屬支撐的髕骨配有由Tritanium制成的3D打印幾何形狀，Tritanium是史賽克專門為AM應(yīng)用開發(fā)的一種鈦合金，在這種應(yīng)用中骨組織有希望進行生長。

Tritanium也被用于3D打印脛骨基底板。它與病人的脛骨通過過盈配合連接形成一個幾乎無故障的結(jié)合，這種力量依靠摩擦力將兩個配合緊密的物體固定在一起。金屬底板設(shè)計的主要特點是四個釘子和一個龍骨。科恩說："通過增材制造，我們可以把這些柱子和龍骨結(jié)構(gòu)放在它們都能一起工作的地方，形成一個過盈配合，它是"堅如磐石"的。加工原始基材在經(jīng)濟上是不劃算的，成本會很離譜"。

制造過程

對于AM應(yīng)用，史賽克公司主要使用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）打印機�？贫髡f："我們正在做一些電子束工藝的大型金屬零件。我們正在研究不同的打印機，用于復(fù)雜的夾具、固定裝置以及一次性儀器和聚合物。有一些聚合物可以用于植入物，有一些聚合物可以成為一次性手術(shù)器械，這取決于材料的需求。"

選擇并上線3D打印機來制造假體是一項重要的工作。在金屬承重植入物的世界里，買一臺DMLS打印機，插上電源，然后期望制作出一個植入物是不現(xiàn)實的。

科恩表示："打印金屬植入物需要學(xué)會控制激光器、熔池、功率、進給速度、分層以及許多其他工藝參數(shù)。因為我們已經(jīng)在這些領(lǐng)域積累了經(jīng)驗，我們是世界上醫(yī)療保健領(lǐng)域為數(shù)不多的有能力擴大規(guī)模的公司之一，而不僅僅是做小批量的生產(chǎn)。這家公司的擴展能力通過其AMagine研究所得到了加強，這是一個位于愛爾蘭科克的全球技術(shù)開發(fā)中心。據(jù)報道，這是世界上最大的專門用于增材制造骨科部件的設(shè)施，科恩說該研究所的生產(chǎn)人員每年3D打印超過100萬個零件。

△種植體組件與患者的匹配情況

機器人輔助手術(shù)

在過去三年中，史賽克公司在醫(yī)院里安置的Mako機器人輔助系統(tǒng)的數(shù)量超過1000個，這是一個驚人的數(shù)字。根據(jù)公開報道，Mako機器人的成本超過100萬美元，用于植入Triathlon膝關(guān)節(jié)。該系統(tǒng)確定最后的骨制備和植入步驟，用特殊的Triathlon器械來執(zhí)行。

科恩表示：“史賽克公司在美國銷售的初級膝關(guān)節(jié)中有42%是用Mako機器人植入的。他預(yù)計這一比例將很快上升到50%。就像學(xué)習(xí)3D打印TKA組件一樣，開發(fā)手術(shù)機器人并不是一個沒有耐心或沒有經(jīng)驗的任務(wù)。我們設(shè)計機器人，我們編寫軟件，我們自己建造機器人，因為沒有人能夠做到這一點，而我們單單在這方面已經(jīng)工作了十多年"。

△手術(shù)機器人

機器人系統(tǒng)的一個關(guān)鍵好處是，它在手術(shù)前和手術(shù)中為手術(shù)團隊提供了關(guān)于病人膝蓋的前所未有的大量數(shù)據(jù)。這個過程始于醫(yī)院在病人入院前對其膝蓋進行的CT掃描。醫(yī)院將掃描結(jié)果發(fā)送給史賽克，史賽克會創(chuàng)建一個虛擬的膝關(guān)節(jié)、脛骨、股骨、髕骨、軟骨和韌帶的三維模型。掃描還顯示了有用的信息，如病人的關(guān)節(jié)炎損傷程度和軟骨損失造成的關(guān)節(jié)空間狹窄。

Cohen解釋說：“下一步是將數(shù)據(jù)與虛擬植入物相匹配。史賽克團隊成員將股骨和脛骨的虛擬模型放置在虛擬骨骼上，并收集旋轉(zhuǎn)、X-Y-Z軸、傾斜、斜度等數(shù)據(jù)。你可能需要的一切匹配都是個性化的。機器人的目的是讓你的膝蓋準(zhǔn)確地處于你的關(guān)節(jié)線上，并制作出能維持一生的骨結(jié)構(gòu)。”該團隊還重新建立了病人的關(guān)節(jié)線，以三維方式進行。

△一個機器人幫助在骨骼上切割極其平整的表面，從而提高了病人的治療效果

一旦收集到所有的數(shù)據(jù)，史賽克就會將其集成成一個手術(shù)計劃，并發(fā)送給外科醫(yī)生。在病人進入手術(shù)室之前，該計劃被裝入機器人。但這并不是最終的手術(shù)計劃，當(dāng)病人處于麻醉狀態(tài)時，外科醫(yī)生會彎曲TKA膝關(guān)節(jié)，機器人會跟蹤彎曲的動作。在手術(shù)過程中，機器人控制手術(shù)器械的運動。例如，當(dāng)外科醫(yī)生將鋸子推入骨頭時，機器人控制刀片的平面，并以外科手術(shù)中從未見過的準(zhǔn)確性和精確度執(zhí)行切割。刀片的前進速度也受到控制。這可以防止它在骨頭被切割干凈后進入健康組織。機器人手臂中內(nèi)置了觸覺，當(dāng)你碰到骨頭的邊緣時，鋸子會自動停止。

令人滿意的術(shù)后結(jié)果

從病人的角度來看，機器人輔助手術(shù)的最大好處是縮短恢復(fù)時間。這主要是由于最大限度地減少了對健康組織的損害和假體的正確放置。

Mako手術(shù)機器人有助于防止對健康組織的損害，并將膝關(guān)節(jié)植入物正確地定位在病人的骨骼上。

科恩說："當(dāng)你在手術(shù)后醒來時，你在正確的位置進行彎曲。不必在像上世紀(jì)七十年代那樣重新學(xué)習(xí)走路，因為植入物被放在了錯誤的位置�，F(xiàn)在你的物理治療次數(shù)減少了。你更早地恢復(fù)了屈曲。你更早地從疼痛中得到緩解，因為你沒有那么多的軟組織創(chuàng)傷。你可以更早地回去工作。你沒有任何的健康問題。再入院和再手術(shù)的情況較少，你有更高的病人滿意度"。

與此同時，手術(shù)過后的患者也都表示恢復(fù)行動能力的速度比預(yù)期的快得多，可以很快地在沒有輔助的情況下走了半英里之遠(yuǎn)。

△除了膝蓋，史賽克還為臀部、脊柱和其他身體部位3D打印部件