醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

吳捷欣+陳強(qiáng)+張曉峰+楊越雄

摘 要：隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了很多成功的范例。3D打印技術(shù)可根據(jù)臨床需要制作不同器官、不同部位、不同材質(zhì)的醫(yī)學(xué)模型，有效幫助醫(yī)生制定手術(shù)方案，提高手術(shù)精度、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、縮短手術(shù)時(shí)間、減少醫(yī)患矛盾。3D打印醫(yī)學(xué)模型將會(huì)在醫(yī)學(xué)診斷中有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：3D打印 醫(yī)學(xué)模型 增材制造 臨床診斷

中圖分類號(hào)：R319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（c）-0120-02

被稱為第三次工業(yè)革命的3D打印技術(shù)[1]又稱3D快速成型技術(shù)。隨著3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，3D打印醫(yī)學(xué)模型制造成為在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的范例。該文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分別從3D打印技術(shù)制作模型的過(guò)程、在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的實(shí)例應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹，以3D打印為出發(fā)點(diǎn)，介紹3D打印技術(shù)在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，并結(jié)合3D打印醫(yī)學(xué)模型的認(rèn)識(shí)和存在的問(wèn)題，展望3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的未來(lái)前景與發(fā)展趨勢(shì)。

1 3D技術(shù)制作模型的過(guò)程

通過(guò)CT掃描得到DICOM圖片，采用高性能圖形處理服務(wù)器和三維軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、三維重建，高清晰度放大，再通過(guò)工業(yè)級(jí)的3D打印機(jī)采用ABS材料，精確3D打印制作，得到等比例的三維模型。

2 3D技術(shù)在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的實(shí)例應(yīng)用

自1990年3D打印技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域后，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有了很多成功的范例。在骨科領(lǐng)域，Won等[2]、Sciberras等[3]成功將該技術(shù)應(yīng)用于疑難髖關(guān)節(jié)手術(shù)治療中，根據(jù)實(shí)際情況制定出適合每位患者的個(gè)性化手術(shù)方案，甚至為特殊患者制備有針對(duì)性的假體[4]，提高了診斷的準(zhǔn)確率與手術(shù)的精確度，使本來(lái)難度較大的髖關(guān)節(jié)治療手術(shù)變得更簡(jiǎn)單；在骨科領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)在骨組織修復(fù)重建、骨科個(gè)性化治療等方面也取得了較廣泛的應(yīng)用[5]，并且一些骨科鈦合金打印體已經(jīng)應(yīng)用于臨床并取得了較好的治療效果。目前，筆者所在團(tuán)隊(duì)已為多家有影響力的醫(yī)院提供3D打印服務(wù)，打印的模型包括骨科、脊柱外科、腫瘤科等方面。

2.1 骨科診斷領(lǐng)域

2.1.1 副拇指畸形

雖然副拇指畸形矯正手術(shù)并不算是個(gè)高難度的手術(shù)，但當(dāng)患者是成年人時(shí)，如何跟患者解釋手術(shù)過(guò)程顯得格外重要。3D打印手術(shù)模型可以方便地幫助醫(yī)生向患者展示他的畸形指骨，了解手術(shù)過(guò)程。術(shù)后醫(yī)生也可以作為教學(xué)模型與其他醫(yī)生分享交流，可讓參與醫(yī)生更直觀地了解病人術(shù)前狀況。

2.1.2 髖骨損傷

對(duì)于骨科醫(yī)生而言，手術(shù)治療髖臼骨折是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。經(jīng)典的髖臼內(nèi)固定操作需要對(duì)骨盆深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛的顯露，這種外科顯露可以產(chǎn)生明確相關(guān)的并發(fā)癥。為了減少手術(shù)創(chuàng)傷，降低手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，通過(guò)三維重建髖臼骨折部位，再用3D打印骨折部位的髖臼骨模型，手術(shù)醫(yī)生可以直觀觀察到骨折部位的解剖結(jié)構(gòu)，可以提前研究手術(shù)方案并進(jìn)行預(yù)演，提高了手術(shù)的質(zhì)量和安全性。

2.1.3 脊柱側(cè)凸畸形

由于脊椎手術(shù)本身特點(diǎn)及脊柱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，脊柱手術(shù)難度和危險(xiǎn)性高。許多手術(shù)技術(shù)需要進(jìn)行復(fù)雜的立體操作，這些操作在非可視的情況下進(jìn)入脊柱的腹地，會(huì)進(jìn)一步增加手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性。因此，更可靠、更安全、更易于實(shí)現(xiàn)的3D打印脊柱模型對(duì)脊柱手術(shù)的術(shù)前評(píng)估起著重要的作用。

2.2 腫瘤科

2.2.1 腦部腫瘤

腦腫瘤手術(shù)中易損傷病灶周圍正常組織。精確定位腫瘤所在位置及清楚周邊情況，對(duì)腦腫瘤切除手術(shù)至關(guān)重要。3D打印技術(shù)可重建腫瘤部位及整個(gè)顱腔的情況，醫(yī)生可清楚地了解腫瘤的情況，為手術(shù)做好準(zhǔn)備。

2.2.2 骨腫瘤

骨腫瘤的手術(shù)治療包括腫瘤切除和骨缺損結(jié)構(gòu)重建兩部分，前者術(shù)前應(yīng)用解剖影像學(xué)（如CT、MRI）和功能影像學(xué)（如ECT、PET）等確定腫瘤范圍，利用三維重建、血管造影等了解腫瘤所在部位的解剖特點(diǎn)。以往，術(shù)者依據(jù)豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)建立腫瘤的三維構(gòu)象來(lái)實(shí)施腫瘤切除手術(shù)；但對(duì)于復(fù)雜部位或微小腫瘤，切多少往往是術(shù)者顧慮的地方。3D打印醫(yī)學(xué)模型可幫助術(shù)者對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，可降低術(shù)中風(fēng)險(xiǎn)及提高手術(shù)質(zhì)量，給骨腫瘤患帶來(lái)腫瘤精確切除的福音，同時(shí)給予外科醫(yī)生更強(qiáng)的自信。

3 存在的問(wèn)題

最近幾年，關(guān)于使用3D打印技術(shù)制作醫(yī)學(xué)模型的報(bào)道很多。制作的模型類型單一，精細(xì)程度不夠已經(jīng)成為這些醫(yī)學(xué)模型的通病，這些也是制約3D打印醫(yī)學(xué)模型廣泛應(yīng)用的主要原因。目前使用最多的3D打印醫(yī)學(xué)模型為單一器官1～2種組織的打印，如打印腫瘤生長(zhǎng)的膝關(guān)節(jié)，目前只打印出膝關(guān)節(jié)骨頭及腫瘤的大概情況，并沒(méi)有在模型上體現(xiàn)膝關(guān)節(jié)腫瘤附近神經(jīng)、肌腱、血管等復(fù)雜的分布狀況等細(xì)節(jié)情況。因此，此類模型更多用于跟病患進(jìn)行術(shù)前溝通，醫(yī)生簡(jiǎn)單判斷手術(shù)情況。

直到目前3D打印技術(shù)仍受限于造價(jià)高、速度慢、打印材料種類少等因素，導(dǎo)致其在臨床使用缺乏普遍性和深入性。如果可以像影像學(xué)片子可以當(dāng)天取片，3D打印也可以當(dāng)天制作完成，醫(yī)學(xué)模型的應(yīng)用范圍會(huì)更廣泛。

4 應(yīng)用前景及展望

去年年初，日本厚生勞動(dòng)省下屬的中央社會(huì)保險(xiǎn)醫(yī)療理事會(huì)已正式宣布將用于輔助醫(yī)療和手術(shù)的3D打印器官模型的費(fèi)用納入標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療保險(xiǎn)支付范圍。通過(guò)將3D打印器官模型費(fèi)用納入保險(xiǎn)支付范圍，日本的醫(yī)療系統(tǒng)能夠幫助無(wú)數(shù)患者獲得他們所需要的這種先進(jìn)醫(yī)療服務(wù)。雖然具體的支付細(xì)節(jié)可能會(huì)根據(jù)疾病的不同有不同的要求，但是毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于日本的醫(yī)療3D打印行業(yè)來(lái)說(shuō)，這是向前邁出的一大步，將使3D打印醫(yī)療模型成為日本醫(yī)院中一個(gè)常用的輔助醫(yī)療工具。

日本的例子很好地啟示我國(guó)3D打印醫(yī)學(xué)模型的應(yīng)用思路。在不提高或輕微提高醫(yī)療成本的前提下，引入3D打印醫(yī)學(xué)模型作為輔助醫(yī)療工具，醫(yī)患雙方對(duì)病情有精確的了解及更深入的溝通，在目前中國(guó)國(guó)情的醫(yī)療條件下，這是一種緩解醫(yī)患雙方矛盾的有效方式。所以相關(guān)政策應(yīng)支持或鼓勵(lì)將3D打印器官模型費(fèi)用納入保險(xiǎn)支付或醫(yī)保范圍。

同時(shí)，3D打印醫(yī)療器械暫未有成熟的技術(shù)服務(wù)指導(dǎo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，3D打印醫(yī)學(xué)模型的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)如何規(guī)定，這些問(wèn)題在3D打印醫(yī)學(xué)模型成為常規(guī)產(chǎn)品前亟待解決。

5 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)學(xué)模型3D打印技術(shù)對(duì)術(shù)前診斷有著重要的意義，但在國(guó)內(nèi)仍為受到廣泛應(yīng)用。相比計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航及手術(shù)機(jī)器人而言，3D打印醫(yī)學(xué)模型的術(shù)前診斷雖然顯得粗糙，但卻是性價(jià)比較高的選擇。隨著國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)的不斷研發(fā)及打印材料的成本降低，相信3D打印醫(yī)學(xué)模型將會(huì)被廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] Aaron Council， Michael Petch.3D Printing： Rise of the Third Industrial Revolution[M].Gyges 3D Presents，2014：1-5.

[2] Won SH，Lee Y，Ha YC，et al. Improving pre-operative planning for complex total hip replacement with a Rapid Prototype model enabling surgical simulation[J].Bone Joint J，2013，95-B（11）：1458-1463.

[3] Sciberras N，F(xiàn)rame M，Bharadwaj R，et al.A novel technique for preoperative planning of severe acetabular defects during revision hip arthroplasty[J].Bone Joint J， 2013，95-B（30）：63.

[4] Benum P，Aamodt A，Nordsletten L.Customised femoral stems in osteopetrosis and the development of a guiding system for the preparation of an intramedullary cavity a report of two cases[J].J Bone Joint Surg（Br），2010，92（9）：1303-1305.

[5] 易超然，羅婕姝，王文軍，等.3D 打印技術(shù)在骨組織修復(fù)個(gè)體化治療中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中南醫(yī)學(xué)科學(xué)雜志，2015（43）：330-333.