3D打印技術(shù)在醫(yī)療救援中的應(yīng)用

劉志超，楊 炯，王曉楓，劉海峰

3D打印技術(shù)在醫(yī)療救援中的應(yīng)用

劉志超，楊 炯，王曉楓，劉海峰

目的 通過(guò)3D打印技術(shù)制作實(shí)物模型或醫(yī)療輔助器械，使醫(yī)療救援過(guò)程中的診治方法更加直觀化、便捷化、精確化。方法 利用車(chē)載式磁共振成像系統(tǒng)配套裝備的3D打印設(shè)備，借助熔融沉積制造(fused deposition modeling,FDM)技術(shù)，使用熱塑性材料在計(jì)算機(jī)的控制下，快速制作各種實(shí)物模具和醫(yī)療輔助器械。結(jié)果 利用車(chē)載式MRI系統(tǒng)配備的3D打印設(shè)備不僅能夠制作射頻接收線圈模具，還可應(yīng)用于醫(yī)療救援中術(shù)前策劃、術(shù)中導(dǎo)航、定制手術(shù)輔助器械，以及定制假體等，滿(mǎn)足救援現(xiàn)場(chǎng)需求。結(jié)論 3D打印技術(shù)作為車(chē)載式MRI的配套設(shè)備在救援現(xiàn)場(chǎng)診斷及治療方面可發(fā)揮重要作用。

3D打印技術(shù)；車(chē)載式磁共振成像系統(tǒng)；醫(yī)療救援；射頻接收線圈

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)革命性的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造技術(shù)[1]，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)讀取數(shù)據(jù)[2]，通過(guò)材料熔融等技術(shù)，使特定的金屬粉或可塑性高的材料熔化，按模型圖的尺寸層層疊加“鑄造”出相應(yīng)的產(chǎn)品，最終把模型圖變成實(shí)物[3]。3D打印技術(shù)具有個(gè)性化、精準(zhǔn)化[4]等特點(diǎn)。諸多報(bào)道指出，3D打印技術(shù)適用于許多臨床領(lǐng)域。例如，運(yùn)用3D打印技術(shù)與多光子聚合技術(shù)成功打印出人造血管[5，6]，利用細(xì)胞混合物凝膠可以逐層構(gòu)建打印器官[5]，應(yīng)用3D打印技術(shù)精確復(fù)制顱骨標(biāo)本[7]等。

新近研制出一種基于開(kāi)放型永磁核磁設(shè)備的車(chē)載式MRI系統(tǒng)[8]，將應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害等惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)救援，為患者提供快速、準(zhǔn)確、優(yōu)質(zhì)的影像診斷服務(wù)。該車(chē)載式MRI配備的3D打印設(shè)備，主要用于射頻接收線圈模具的制作。在應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該3D打印機(jī)同樣可以應(yīng)用于醫(yī)療救援領(lǐng)域的多種環(huán)節(jié)。

1 救援現(xiàn)場(chǎng)診斷應(yīng)用

1.1 制作車(chē)載MRI系統(tǒng)的射頻接收線圈模具 磁共振接收線圈是接收人體釋放能量，并將信號(hào)送往譜儀分析從而產(chǎn)生MR信號(hào)的關(guān)鍵部件。日常使用的磁共振接收線圈按其結(jié)構(gòu)形態(tài)區(qū)分為剛性線圈(如頭頸聯(lián)合線圈、脊柱線圈等)和柔性線圈[9]。運(yùn)用3D打印技術(shù)中FDM技術(shù)將聚乳酸加熱熔化到半流體態(tài)，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)下，根據(jù)所需輪廓信息，噴頭將半流態(tài)材料擠壓，凝固后形成輪廓狀的薄層，最后進(jìn)行固化，制作而成磁共振接收線圈模具。使用3D打印技術(shù)制作任意形態(tài)結(jié)構(gòu)的線圈磨具能夠簡(jiǎn)化傳統(tǒng)線圈制備步驟，縮短傳統(tǒng)線圈模具制作的繁瑣程序，使用更加便捷高效。更重要的是，能夠滿(mǎn)足救援現(xiàn)場(chǎng)不同患者、不同部位的MRI診斷需要。

1.2 制作數(shù)字化實(shí)體模型，用于術(shù)前策劃 在災(zāi)害搶救現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜骨折的病例。然而，傳統(tǒng)的膠片是用二維顯示的效果呈現(xiàn)三維影像數(shù)據(jù)，故不能很直觀地了解骨折情況。但3D打印的三維數(shù)字化實(shí)體模型就能彌補(bǔ)這一缺陷，有助于術(shù)前評(píng)估及手術(shù)方案的確立。利用患者的CT或者M(jìn)RI數(shù)據(jù)逆向數(shù)字建模，再通過(guò)3D打印機(jī)快速獲得手術(shù)部位的實(shí)體模型，進(jìn)行術(shù)前策劃(圖1)。

圖1 用于術(shù)前策劃的數(shù)字化實(shí)體模型

Bianchi等[10]對(duì)一個(gè)離體下頜骨CT斷層掃描三維重建，根據(jù)重建數(shù)據(jù)利用選擇性激光燒結(jié)法(selective laser sintering，SLS)制作了該下頜骨的數(shù)字化實(shí)體模型，總體誤差在4.1%以?xún)?nèi)，且解剖細(xì)節(jié)清楚。除了進(jìn)行術(shù)前模擬策劃，還可以通過(guò)3D打印技術(shù)模型向患者及家屬詳細(xì)講解病變的復(fù)雜性及手術(shù)操作的危險(xiǎn)性，以取得患者及家屬的理解與配合[11]。

2 醫(yī)療救治過(guò)程應(yīng)用

2.1 術(shù)中導(dǎo)航 復(fù)雜骨折復(fù)位，尤其是關(guān)節(jié)粉碎性骨折的復(fù)位，是救援現(xiàn)場(chǎng)難以處理的手術(shù)種類(lèi)之一。傳統(tǒng)復(fù)位方法準(zhǔn)確性差、耗時(shí)長(zhǎng)、創(chuàng)傷大，螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔、突破椎弓根的情況時(shí)有發(fā)生。借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)設(shè)計(jì)術(shù)中導(dǎo)航模板，利用3D打印技術(shù)快速制作，可為術(shù)中骨折復(fù)位、確定釘?shù)婪较颉⒐钦刍斡铣C形、截骨的大小及角度等提供有效的幫助[12]。不僅能夠提高手術(shù)的精準(zhǔn)度、縮短復(fù)位手術(shù)時(shí)間，還會(huì)減少術(shù)中X線的應(yīng)用，并且對(duì)后續(xù)內(nèi)固定的放置及髓內(nèi)釘置入提供幫助，從而確保手術(shù)效果。何興容等[13]制作的股骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)粉碎性骨折術(shù)中導(dǎo)航模板，成功應(yīng)用于股骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)粉碎性骨折患者；Bagaria等[14]將術(shù)中導(dǎo)航模板應(yīng)用于復(fù)雜骨折，包括骨盆、髖臼及股骨內(nèi)側(cè)髁的骨折。這些結(jié)果顯示，導(dǎo)航模板有助于術(shù)中骨折的解剖復(fù)位并相應(yīng)的縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血及麻醉藥物的應(yīng)用。

2.2 快速定制假體 3D打印技術(shù)無(wú)需任何模具，只要提供CAD圖形數(shù)據(jù)及打印耗材，就能快速生成任何形狀的生物假體，可以在救援現(xiàn)場(chǎng)為患者進(jìn)行個(gè)性化假體快速制作。早在1979年，Alberti[15]就提出以CT數(shù)據(jù)構(gòu)建物理模型的方法，構(gòu)建了纖維肉瘤患者的骨盆模型，并以此模型為患者定制了彌補(bǔ)腫瘤切除術(shù)后骨盆缺損的金屬內(nèi)置物[16]。假體的快速制備對(duì)于災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)處置突發(fā)情況提供了有力的醫(yī)療保障。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)定制手術(shù)輔助器械 在外科手術(shù)中，通常在患者的二維影像中無(wú)法獲取缺損部位空間隱藏的信息，為保證使病變部位的解剖形態(tài)具體化，并根據(jù)具體的情況制作專(zhuān)門(mén)的輔助器械，應(yīng)用3D打印技術(shù)建立手術(shù)部分的模型，并制作與之相匹配的導(dǎo)板等輔助器械，可有效地保證野外條件及后送手術(shù)的完成質(zhì)量。例如，根據(jù)患者牙床的三維設(shè)計(jì)模型和鉆孔尺寸設(shè)計(jì)出一組具有不同孔徑的導(dǎo)板與局部骨骼，進(jìn)行裝配、局部打磨修整，即可制作出良好的手術(shù)輔助器械[17]。又如，Christian等[18]通過(guò)3D打印技術(shù)治療顴骨創(chuàng)傷畸形，將創(chuàng)建的右顴骨導(dǎo)向定位在手術(shù)確定位置中，順利完成手術(shù)。

3 討 論

3.1 3D打印技術(shù)在醫(yī)療救援過(guò)程應(yīng)用的優(yōu)勢(shì) 3D打印技術(shù)的靈活性與任意可塑性在應(yīng)用于突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的特殊部位外傷檢診時(shí)，同樣可發(fā)揮重要作用。在現(xiàn)場(chǎng)處置突發(fā)事件時(shí)，傷情相對(duì)復(fù)雜，復(fù)合傷等特殊傷情均需要各種部位的線圈樣式，3D打印可以隨時(shí)根據(jù)受傷部位定制線圈，有助正確判斷傷情。另外，進(jìn)行快速檢診，保證優(yōu)質(zhì)成像，且現(xiàn)場(chǎng)只需攜帶打印設(shè)備及原料，無(wú)需攜帶多種線圈，符合車(chē)載式磁共振設(shè)備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的基本要求。

3D打印技術(shù)以精確的三維物理模型，將復(fù)雜的骨折情況更直觀地展示在醫(yī)師面前，使救援現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜骨折傷情的評(píng)估及分型變得十分容易，使術(shù)前診斷更加明確，從而可極大地提高手術(shù)效率；計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的術(shù)中導(dǎo)航模板可以通過(guò)3D打印進(jìn)行快速制作；精確的術(shù)中定位可明顯減少X線透視的使用次數(shù)，對(duì)患者及醫(yī)師的健康都十分有利。

3.2 3D打印技術(shù)在醫(yī)療救援應(yīng)用的不足與展望 3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療救援領(lǐng)域還處于初步探索階段，隨著研究的深入，仍有些問(wèn)題需要改善，如(1)本研究首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于車(chē)載式磁共振射頻接收線圈磨具的制作，各部位線圈的設(shè)計(jì)尺寸與耐用度有待進(jìn)一步驗(yàn)證；(2)雖然3D打印的成本隨著該技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐步降低，但是三維數(shù)字化實(shí)體模型的成本比普通的膠片仍較高；(3)個(gè)別患者的感染說(shuō)明模型或者模板的消毒或許仍然存在一些問(wèn)題[19]；(4)術(shù)中導(dǎo)航模板產(chǎn)生的碎屑是否會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害還有待進(jìn)一步論證；(5)醫(yī)療救援隊(duì)員對(duì)于3D打印技術(shù)的認(rèn)知及操作還不夠熟練等。

作為現(xiàn)代救援領(lǐng)域嶄新的技術(shù)手段，3D打印技術(shù)的效果還需要大量救援實(shí)踐和臨床數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。但隨著專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的科技進(jìn)步，相信此技術(shù)在醫(yī)療救援中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，兩者的結(jié)合將更加緊密，優(yōu)勢(shì)將更加凸顯，必將為救援現(xiàn)場(chǎng)提供更為全面高效的醫(yī)療保障支持發(fā)揮重要作用。

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(2014-05-06收稿 2014-09-20修回)

(責(zé)任編輯 梁秋野)

3D printer as fixed equipment of MRI used in medical rescue

LIU Zhichao,YANG Jiong,WANG Xiaofeng,and LIU Haifeng.

Medical Administration Division, General Hospital of Chinese People’s Armed Police Forces,Beijing 100039,China

Objective To manufacture a model or an auxiliary medical appliance by 3D printing technology,to make diagnosis and treatment of medical rescue process intuitive,convenient and accurate. Methods Using the 3D printing device of MRI system and FDM technology, the thermoplastic material under the control of the computer, the rapid production of various dies and auxiliary medical appliances. Results Using the 3D printing device equipped in a vehicle with mounted MRI system can not only make the RF receiving coil mould, also can be applied to the medical rescue in preoperative planning, intraoperative navigation, customized operation auxiliary instrumentand, and custom-made prosthesis in actual rescue scene. Conclusions 3D printer as matching equipment of MRI system plays an important role in the clinical diagnosis and therapy in the rescue scene.

three-demensional printing;vehicular MRI system;medical rescue;RF receive coil

武警部隊(duì)后勤科研項(xiàng)目(WHKL-26)

劉志超，碩士研究生，醫(yī)師，E-mail:lvezcy@126.com

100039北京，武警總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部

劉海峰，E-mail：haifengliu333@163.com

R821.15