論3D技術與醫學發展

劉相含

【中圖分類號】R363.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-6851（2018）03--01

生活中我們常常看到3D技術的應用普及，比如影視動畫、動漫、游戲等視覺表現類的文化藝術類產品的開發和制作，其中3D版《速度與激情7》及《泰坦尼克號》以其驚險的動作及無以倫比的真實效果，令我在觀看影片過程中感到十分震撼，并且留下了十分深刻的印象。

3D是英文“Three Dimensions”的簡稱，中文是指三個維度，即有長、寬、高，我們講的3D主要特指是基于電腦互聯網的數字化的三維立體。3D技術既然如此先進，那么近年來與我們息息相關的醫學是否也在應用3D技術呢？3D技術在醫學領域是否也隨著3D潮流有了突飛猛進的發展，為醫學打開了一扇全新的大門呢？以下即3D技術在我國醫學領域中應用的幾個主要方面。

一、3D腹腔鏡技術

20世紀70年代后由于冷光源、玻璃纖維內窺鏡的發明，腹腔鏡手術轟轟烈烈地發展起來。80年代以后腹腔鏡手術的相關設備及器械都得到了極大的發展，雖然器械更新了，但是手術成像的清晰度一直困擾著臨床醫生，直到2010年6月世界第一臺3D腹腔鏡下膽囊切除術在英國吉爾福德開展，2012年12月3日，北京協和醫院完成了中國第一例3D腹腔鏡下腎盂旁囊腫切除術，標志著我國普通腹腔鏡手術進入了3D時代。

3D高清腹腔鏡系統，具有放大以及立體的視野優點，其具有更直觀、清晰的視野，既可以保留腹腔鏡手術的微創、精細等優點，又擁有高清的立體視野，極大地提高手術過程的精確程度。3D高清腹腔鏡不僅可以還原真實視覺中三維立體視野，還能夠放大視野，類似于直接進入患者體內進行手術，直接在患者各臟器間準確查找病變部位，隨后實施精確切除。因此利用3D腹腔鏡能夠有效地避免血管、神經損傷，和規腹腔鏡相比更能減少出血、縮短手術時間。

二、外科機器人手術中3 D技術

所謂機器人手術，就是利用一種自動的、位置可控的、具有可編程能力的多功能機械手臂，在醫生的控制下，機械手借助計算機施行外科手術、靶點定位、藥物注入等任務。目前世界上已經有超過240臺手術機器人投入使用，其優點之一即三維成像系統的高分辨率立體腔鏡，可以呈現光學放大10倍高清晰立體圖像，能夠清晰的顯示手術視野，使手術變得簡單，縮短了學習曲線。可以說沒有3D技術的支持，機器人手術的廣泛應用是不可能的事情。

醫用機器人是目前醫療衛生發展的方向之一，能夠有效推動醫療技術發展。手術機器人準確性高、精確性高、可靠性好，手術機器人的使用可以大大提高手術的成功率。隨著醫療科學不斷發展，各國醫療機器人及輔助醫療技術越來越深入的研究，各種新型醫療機器人機構、醫學圖像采集和處理技術、智能傳感器、新型手術工具及其它相關技術越來越受到社會廣泛的關注。

三、3D醫學打印技術

1. 3 D打印“有功能”的器官和組織 3D生物打印利用干細胞為打印材料，按照3D打印技術制作，打印出的組織形成血管和內部結構。美國維克佛瑞斯特大學再生醫學研究者采用3D皮膚打印機在患者傷口上直接打印細胞，有效的讓患者傷口更快的愈合；此外，他們還打印了腎臟細胞。北京大學某團隊于2014年8月將3D打印脊椎植入了一名12歲男孩。這種3D打印脊椎能夠和現有骨骼完美的結合，從而極大地縮短患者康復時間。國內目前主要有清華、西安交大等高校業開始逐步進行生物器官制造研究。

2.3 D打印醫學模型 目前3D打印技術可以直接打印出器官和組織的3維模型，并應用于臨床教學與臨床治療輔助。目前采用這種醫學模型來實施神經外科、普通外科、脊柱外科、整形外科等手術模擬。2015年8月日本筑波大學科研團隊宣布，已成功研制用3D打印機制作出可觀察血管的肝臟模型方法，模型依據表面線條展現肝臟形狀，精細的表現出其內部血管和腫瘤。美國國家兒童醫學中心首次采用3D打印機打印患者心臟模型，幫助醫生在手術前深入了解患者心臟結構。南方醫科大學方馳華教授通過收集22例患者資料，把3D打印模型帶入手術室，手術過程中實時進行比對，利用3D打印模型位置的調整已達到關鍵手術部位的定位、肝離斷面處理，從而減少手術時間。

3.3 D打印個性化醫療器械 21世紀醫療發展方向之一就是醫療個體化，通過獲取患者的CT或MRI影像學數據，利用三維重建技術，通過3D打印可以制作出個性化輔助器械。3D打印技術尤其適用于制造人體骨骼，3D打印過程不會被骨骼復雜程度限制，可以按照骨骼結構中微孔大小及孔隙率來改變每一層骨骼切片的填充方式，轉換材料的密度，最終打印出適合細胞生長的活性骨骼，2014年10月英國蘇格蘭一名5歲女童利用3D打印技術裝上手掌。

4.3 D打印技術在具體專業中的應用 3D打印技術在醫學上應用領域可以說是越來越廣泛，整形外科領域：燒傷治療，面部重建，隆鼻及隆頦假體的個性化定制、顱骨缺損的個性化修復、下頜骨重建術及截骨手術等。骨科、神經外科：主要以骨骼打印為主，用于輔助病情講解，輔助手術，定制義肢，膝關節、腰部等植入物。口腔科：個性化定制化的牙齒隱形矯正器，牙齒接種。學校、醫院教學用具：制造高質量的醫學用具，如人體骨骼、血管等器官模型。康復輔助設備：助聽器，個性化矯形外骨骼。藥物試驗研究：打印的肝臟、腎臟，用于藥物試驗等。器官移植：打印的外耳、氣管、膀胱目前已有在病人身上成功移植的病例，打印出的腎臟、皮膚、心臟有望為人類提供器官移植來源。

總之，3D技術在醫學未來的發展與應用方面是必不可少的關鍵技術。3D技術在醫學領域有廣泛應用前景，包括結合CT或MRI進行準確精細的診斷，通過高清成像技術為手術治療提供保障，利用打印技術實現人工植入、功能組織器官再生等。醫療行業存在大量的個性化需求，不需要進行標準化、大批量生產，而這恰是3D技術的優勢所在。未來，3D技術將真正做到低成本、易操作、高精度、高融合，必將帶來一場新的醫療革命。