3D打印技術(shù)在臨床兒科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

胡立偉，鐘玉敏

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心 放射科， 上海 200040

3D打印技術(shù)在臨床兒科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

胡立偉，鐘玉敏

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心 放射科， 上海 200040

本文對(duì)3D打印技術(shù)在臨床兒科學(xué)中的應(yīng)用（包括模型設(shè)計(jì)、再生醫(yī)學(xué)、定制醫(yī)療器械等）進(jìn)行了綜述，同時(shí)分析了3D打印技術(shù)在臨床兒科學(xué)領(lǐng)域中所面臨的困難及未來(lái)的發(fā)展前景。

3D打印技術(shù)；再生醫(yī)學(xué)；3D醫(yī)學(xué)模型；臨床兒科學(xué)

1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)，是基于富比尼定理，應(yīng)用粉末狀或液態(tài)塑料或金屬等可黏合材料，通過(guò)逐層打印方式來(lái)構(gòu)造實(shí)物的技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)主要包括熔融沉積成型（FDM）、光固化立體印刷（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和三維噴印（3DP）等。以熔融沉積成型為例，首先在封閉的空間中將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，然后將成形材料從微細(xì)的噴嘴中擠出，噴嘴可以沿X軸和Y軸方向移動(dòng)。與此同時(shí)另外1個(gè)噴嘴擠出需要作為支撐的固化材料。1層材料沉積完成后將調(diào)整Z軸方向的厚度，重復(fù)上述步驟直至模型完全成形。成形材料冷卻后需將支撐材料沖洗分離。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)全新的技術(shù)，已經(jīng)在骨科、外科、牙科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐步開(kāi)始運(yùn)用和發(fā)展[2]，其可視化三維模型有助于更好地理解相關(guān)解剖區(qū)域，有利于醫(yī)生個(gè)體化治療和診斷。

2 3D打印的流程

完成3D打印需要有以下4個(gè)步驟：① 對(duì)需要打印的組織行CT或MRI檢查，從CT或MRI圖像中提取數(shù)據(jù)圖像以DICOM格式保存；② 運(yùn)用Mimics軟件處理系統(tǒng)對(duì)斷面圖像分割處理，使用閾值與區(qū)域生長(zhǎng)的分割方法提取打印組織，然后經(jīng)過(guò)拉普拉斯平滑處理并以STL格式傳導(dǎo)到3D打印機(jī)；③ 3D打印機(jī)完成模型打印后需要4～6 h使模型干燥穩(wěn)定；④ 將特定物質(zhì)完整的覆蓋在模型表面便于被模型吸收。模型滲透是為了避免相鄰組織間黏連和彈性不足。相比于二維成像，三維模型對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的測(cè)量更加精確，3D打印技術(shù)在水平方向和垂直方向的分辨率可達(dá)0.01 mm和0.2 mm[3]。模型符合原始圖像數(shù)據(jù)的分辨率，因此3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠滿足復(fù)雜人體解剖結(jié)構(gòu)打印的要求。3D打印模型設(shè)計(jì)的基本流程圖，見(jiàn)圖1。

圖1 3D打印模型設(shè)計(jì)的基本流程圖

3 3D打印技術(shù)在兒科中的臨床應(yīng)用

3.1 模型設(shè)計(jì)

早在1999年P(guān)etzold等[4]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于兒童顱縫早閉及其他顱頜面畸形患者的術(shù)前手術(shù)計(jì)劃，手術(shù)都達(dá)到了預(yù)期效果。2001年Sanghera等[5]研究了3D打印技術(shù)在骨科及顱頜面外科的應(yīng)用后認(rèn)為該技術(shù)在疾病診斷及手術(shù)方案制定方面非常有價(jià)值。2007年Guarino等[6]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于10例小兒脊柱側(cè)凸及3例復(fù)雜骨盆骨折，結(jié)果表明這些打印出來(lái)的實(shí)物模型有助于制定術(shù)前計(jì)劃及手術(shù)方案，同時(shí)還有利于術(shù)前復(fù)雜性骨折的評(píng)估，能準(zhǔn)確測(cè)量所需鋼板、螺釘?shù)葍?nèi)植物的大小，預(yù)測(cè)其植入位置并進(jìn)行調(diào)整，在減少醫(yī)源性脊髓損傷幾率的同時(shí)還能縮短手術(shù)時(shí)間。3D模型不但有助于設(shè)計(jì)手術(shù)計(jì)劃，還可以幫助醫(yī)患之間的溝通與理解，3D模型可使醫(yī)患之間的交流更加直觀、透徹和詳盡，降低醫(yī)患之間的交流障礙，減少理解偏差與誤會(huì)。2007年Markert等[7]運(yùn)用3D打印技術(shù)成功打印了1個(gè)跳動(dòng)的心臟，開(kāi)創(chuàng)了3D打印技術(shù)在小兒心臟外科領(lǐng)域的應(yīng)用的先河。制作100 mm的心臟模型大約需要花費(fèi)5 h。具有高度的靈活性，內(nèi)部中空的3D模型結(jié)構(gòu)可以適用于制定手術(shù)方案。由于模型材料的可伸縮性，在一定的氣壓下心臟模型可以模擬患兒心臟的跳動(dòng)。

3.2 再生醫(yī)學(xué)

2009年Mironov等[8]首次提出“生物制造”概念，強(qiáng)調(diào)細(xì)胞是產(chǎn)生和顯示生命的基本元素，只有材料和細(xì)胞同時(shí)打印才能制備出令人滿意的組織工程器官。2012年Faulkner-Jones等[9]利用細(xì)胞打印出人造肝臟組織。同年Anthony Atala等首次打印出人體腎臟，成功地將3D打印技術(shù)運(yùn)用于再生醫(yī)學(xué)，使打印組織器官植入人體離人們的生活越來(lái)越近[10]。

2013年Zopf DA報(bào)道了全球首例3D打印器官人體移植手術(shù)。Zopf DA[11]等使用3D打印技術(shù)定制了氣道板，可作為嚴(yán)重氣管支氣管軟化新的治療手段。在沒(méi)有3D打印技術(shù)前患者只能透過(guò)器官捐贈(zèng)或是干細(xì)胞培育進(jìn)行治療。產(chǎn)后患兒6周出現(xiàn)胸壁凹陷、呼吸困難癥狀，被證實(shí)有局部支氣管軟化癥。研究者設(shè)計(jì)了1個(gè)患兒氣管支架的模型，使用聚己內(nèi)酯構(gòu)成的生物可吸收材料，通過(guò)激光燒結(jié)技術(shù)制造了塑料薄層支架。該案列表明高分辨的CT和MRI技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生物材料與3D打印結(jié)合起來(lái)，已可以針對(duì)患者的特定解剖結(jié)構(gòu)創(chuàng)建可植入材料。

3.3 定制醫(yī)療器械

3D 打印醫(yī)療器械最大的優(yōu)點(diǎn)是精確化、個(gè)性化，這滿足醫(yī)療器具用品不僅要精準(zhǔn)、復(fù)雜，更需要量身定做的要求。因此，3D 打印技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域有著獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。個(gè)性化手術(shù)醫(yī)療器械中最主要的有手術(shù)導(dǎo)板，包括脊柱導(dǎo)板、關(guān)節(jié)類導(dǎo)板等。He等[12]結(jié)合有限元模型、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，利用3D打印技術(shù)制作了與膝關(guān)節(jié)假體配套的假體托，以修復(fù)脛骨近端骨腫瘤切除后的骨缺損。此外，3D打印醫(yī)療器械可定制兒童腫瘤內(nèi)部?jī)?nèi)照射源粒子植入的導(dǎo)向定位導(dǎo)板，以解決放射劑量分布不均，非興趣區(qū)劑量過(guò)高、興趣區(qū)劑量過(guò)低等問(wèn)題，能有效地優(yōu)化放射治療方案，降低腫瘤復(fù)發(fā)的可能性。

4 3D打印發(fā)展需解決的問(wèn)題

4.1 打印精度

3D打印在臨床的應(yīng)用中，其打印的人體解剖結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠滿足臨床的需求。但在兒科的應(yīng)用中，由于兒童體型結(jié)構(gòu)的特殊性，會(huì)對(duì)打印模型精度有更高的要求。筆者在前期圖像處理的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：① CT掃描的薄層圖像層厚為0.3～0.6 mm，MRI掃描的薄層圖像層厚可達(dá)1～2 mm，而3D打印機(jī)的橫向和縱向的分辨率可達(dá)0.01 mm和0.2 mm。如果CT或MRI的圖像能夠有更高的分辨率，打印模型的精準(zhǔn)度會(huì)更精細(xì)；② 3D打印機(jī)默認(rèn)打印的圖像是連續(xù)的、無(wú)間隙的，在圖像的分割和后處理過(guò)程中需要對(duì)圖像進(jìn)行拉普拉斯平滑處理。然而，平滑處理可能會(huì)影響3D模型的真實(shí)性；③ 模型的精準(zhǔn)度受材料、設(shè)備條件等影響；④ 如何在保證模型物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上縮短制造時(shí)間也是3D打印技術(shù)發(fā)展面臨的難題。

4.2 打印材料

3D打印技術(shù)對(duì)打印材料要求較高，因此需要針對(duì)不同的模型選擇合適的材料。目前醫(yī)學(xué)常規(guī)的3D打印材料是耐高溫及高性能的PC材料和ABS樹(shù)脂材料。PC材料韌性好，防撞性高，耐高溫，抗溶劑力強(qiáng)及帶光澤適用于醫(yī)學(xué)模型的打印。如生物3D打印模型，其材料必須具有生物相容性、可降解性。材料可選用磷酸三鈣（TCP）[13]、聚乳酸（PLA）[14]、羥基磷灰石（HA）[15]等。而多孔支架植入后的機(jī)械性能是需要考量的重要內(nèi)容。不同的孔隙率、支架強(qiáng)度和韌性對(duì)材料的要求不同，現(xiàn)階段還在尋找最合適的復(fù)合型材料用于生物支架植入。盡管目前的3D打印能定制與人體組織結(jié)構(gòu)相似的生物組織，但要使該技術(shù)應(yīng)用于臨床還要面臨很多挑戰(zhàn)[16]。不同類型3D打印材料的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，見(jiàn)表1。

表1 不同類型3D打印材料的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

4.3 有效的合作平臺(tái)

3D打印技術(shù)面臨很多的技術(shù)難題，以再生醫(yī)學(xué)為例必須解決材料、細(xì)胞類型、生長(zhǎng)和分化因子以及組織的結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。解決這些問(wèn)題需要醫(yī)學(xué)、生物材料學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)工程等多學(xué)科的融合[17]。現(xiàn)階段醫(yī)院并不具備多學(xué)科合作能力，這些因素限制了其在臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

5 3D打印技術(shù)發(fā)展前景

3D打印技術(shù)屬于“新興事物”，但類似的嘗試已逐步開(kāi)始。2008年上海交通大學(xué)在廣州軍區(qū)總院建立了3D打印技術(shù)中心，已為骨科、外科、泌尿科等提供了近700具模型，3D打印中心能夠?yàn)獒t(yī)院的各個(gè)科室提供各種打印服務(wù)，并已被廣東省物價(jià)局定價(jià)成為常規(guī)的醫(yī)療收費(fèi)項(xiàng)目。2014年7月中南大學(xué)湘雅醫(yī)院成立3D打印臨床應(yīng)用研究所，中南大學(xué)湘雅醫(yī)院早期就應(yīng)用3D打印技術(shù)指導(dǎo)顱底復(fù)雜腫瘤的治療、泌尿外科手術(shù)、血管修復(fù)重建、醫(yī)學(xué)教育等領(lǐng)域取得了很好的效果。

在兒科學(xué)方面，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)尚處于起步階段，而北京大學(xué)第三醫(yī)院完成了國(guó)內(nèi)首例3D打印人工定制樞椎應(yīng)用于兒童尤文氏肉瘤的治療，患兒通過(guò)手術(shù)植入人工椎體僅18天后即順利出院，預(yù)示著3D打印技術(shù)未來(lái)在兒科領(lǐng)域有極大的發(fā)展空間。

由于兒童群體年齡結(jié)構(gòu)的特殊性，需要3D打印模型的精確化、個(gè)性化診斷和治療。個(gè)性化精準(zhǔn)治療是目前臨床醫(yī)療發(fā)展的重要方向之一，如何為患者設(shè)計(jì)最精準(zhǔn)的手術(shù)治療方案，減輕患者的病痛，減少并發(fā)癥的發(fā)生，縮短患者術(shù)后康復(fù)時(shí)間，充分合理地配置有限的醫(yī)療資源,以提高患者的治愈率是急需解決的臨床實(shí)際問(wèn)題。利用3D打印開(kāi)創(chuàng)虛擬手術(shù)研究的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，將為患者個(gè)體化手術(shù)方案的制定與規(guī)劃，術(shù)前手術(shù)操作特點(diǎn)的預(yù)估與評(píng)價(jià)，臨床醫(yī)學(xué)人才梯隊(duì)的培養(yǎng)，手術(shù)技能的訓(xùn)練與提高等方面奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)可推動(dòng)相關(guān)臨床手術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)展和臨床醫(yī)療器械的創(chuàng)新。

綜上，3D打印技術(shù)還存在一些問(wèn)題與不足，但隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟、打印材料的擴(kuò)充及相關(guān)專業(yè)人員的培訓(xùn)，必將在兒科臨床應(yīng)用上有著更廣闊的發(fā)展前景。

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Advances in Application of Three Dimensional Printing Technology in Clinical Pediatrics

HU Li-wei, ZHONG Yu-min
Department of Radiology, Shanghai Children’ Medical Center Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai 200040, China

This paper reviewed the application of 3D (Three Dimensional) printing technology in clinical pediatrics, including modeling design, regenerative medicine and medical equipment customization. Meanwhile, its difficulties and future development prospects in clinical pediatrics were also analyzed.

three dimensional printing; regenerative medicine; three dimensional medical model; clinical pediatrics

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.06.019

1674-1633(2015)06-0075-03

2014-11-11

鐘玉敏，主任醫(yī)師。

通訊作者郵箱：zyumin2002@163．com