郝永強(qiáng):讓3D打印助力脫胎換骨

胡德榮

來(lái)自天山腳下的新疆哈薩克族大姐伊娜，前幾天回到上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科復(fù)診。新冠肺炎疫情期間，該院骨科郝永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)，幫助患有骨盆巨大腫瘤的伊娜解決了大問(wèn)題。

伊娜說(shuō)不清楚自己這個(gè)手術(shù)里面那些復(fù)雜的專(zhuān)有名詞。其實(shí)，她接受的是基于3D打印“三位一體”的個(gè)性化醫(yī)療模式。通過(guò)手術(shù)，醫(yī)生幫助伊娜精準(zhǔn)切除了右側(cè)半骨盆腫瘤，并精準(zhǔn)安裝了3D打印定制型半骨盆假體。

術(shù)后兩周，伊娜順利出院。這次回醫(yī)院復(fù)診，她最滿(mǎn)意的是身體的功能恢復(fù)。

截至目前，郝永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為200多名患者實(shí)施3D打印個(gè)性化金屬骨盆功能重建，實(shí)現(xiàn)了骨科手術(shù)從“削足適履”到“量體裁衣”治療模式的重大轉(zhuǎn)變，也讓中國(guó)以骨腫瘤切除重建為代表的個(gè)性化骨科醫(yī)療，走在了世界前沿。

買(mǎi)不起也等不起

“由于骨腫瘤的保肢治療中，腫瘤切除后骨關(guān)節(jié)缺損形態(tài)各異，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化假體無(wú)法重建或效果不佳，因此，我們醫(yī)師必須想辦法解決這個(gè)問(wèn)題！”郝永強(qiáng)教授介紹說(shuō)，個(gè)性化重建假體，是骨腫瘤保肢治療的剛需。但在增材制造出現(xiàn)之前，減材制造制備的個(gè)性化重建假體，僅在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家能夠?qū)崿F(xiàn)。定制費(fèi)用一般在數(shù)萬(wàn)美元，定制周期至少需要3個(gè)月。這對(duì)于國(guó)內(nèi)的骨腫瘤患者來(lái)說(shuō)，一是經(jīng)費(fèi)上承擔(dān)不起，二是時(shí)間上也等不起。

早在20世紀(jì)70年代后期，中國(guó)工程院院士、骨科大咖戴尅戎就開(kāi)始了個(gè)性化骨關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與轉(zhuǎn)化研究。20世紀(jì)80年代始，他們的團(tuán)隊(duì)就設(shè)計(jì)出包括人工半骨盆、人工踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的第一代個(gè)性化假體，并基本上構(gòu)建了個(gè)性化假體的基礎(chǔ)技術(shù)體系，發(fā)展出更先進(jìn)的第二代假體。但是，假體的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，仍是巨大的瓶頸。

郝永強(qiáng)師從戴尅戎院士攻讀骨外科學(xué)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位后，開(kāi)始把全部的精力投入到骨腫瘤等骨科復(fù)雜疾病的個(gè)性化治療當(dāng)中。2010年前后，金屬3D打印機(jī)的面世及技術(shù)的日臻成熟，讓郝永強(qiáng)看到了機(jī)會(huì)。他在前輩研究成就的基礎(chǔ)上，聚焦臨床需求，開(kāi)始了第三代個(gè)性化假體的研究探索。

這其中，郝永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量的原創(chuàng)及自主創(chuàng)新工作，包括設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件的研發(fā)。“如今，我們可以應(yīng)用自己研發(fā)的CT/MRI數(shù)字融合計(jì)算機(jī)軟件，來(lái)重建腫瘤真實(shí)邊界，并通過(guò)3D打印把病變模型打印出來(lái)，在模型上討論手術(shù)規(guī)劃。如何把腫瘤精準(zhǔn)切除？如何設(shè)計(jì)手術(shù)輔助導(dǎo)板？如何安裝個(gè)性化重建假體？復(fù)雜的手術(shù)操作，被一個(gè)一個(gè)仔細(xì)討論后，變得相對(duì)簡(jiǎn)單了。”郝永強(qiáng)說(shuō)。

還有一個(gè)問(wèn)題，受到越來(lái)越多的關(guān)注：如何根據(jù)患者疾病的特殊性，賦予假體個(gè)性化的特殊功能呢？即便是3D打印最常用的金屬材料鈦合金，也是惰性金屬，與骨骼之間無(wú)法整合，永遠(yuǎn)存在金屬假體—骨骼的界面。這個(gè)難點(diǎn)，也是第一代第二代個(gè)性化假體失效的主要原因。

郝永強(qiáng)帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)做了大量的研究，經(jīng)過(guò)不斷篩選，在與骨接觸的假體表面打印出能夠讓骨長(zhǎng)入的金屬骨小梁，實(shí)現(xiàn)了鈦合金跟骨骼的完美融合。3D打印個(gè)性化骨關(guān)節(jié)假體，真正成為了患者身體的一部分。“3D打印技術(shù)賦予了個(gè)性化假體表面金屬骨小梁，從而實(shí)現(xiàn)了金屬假體—骨界面整合，這種理念和技術(shù)的突破，堪稱(chēng)一個(gè)里程碑。”郝永強(qiáng)說(shuō)。

個(gè)性化與安全化

3D打印又稱(chēng)增材制造技術(shù)，是制造技術(shù)的一次革命性突破。目前來(lái)看，大型醫(yī)院建立醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)科室服務(wù)臨床，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

那位新疆患者伊娜，發(fā)現(xiàn)行走時(shí)右髖部疼痛，到當(dāng)?shù)蒯t(yī)院就診后，接受了右側(cè)股骨頭壞死的手術(shù)治療。術(shù)后一年半，伊娜右髖疼痛不適復(fù)發(fā)，當(dāng)?shù)蒯t(yī)院再次為她做了手術(shù)，切除的局部病灶組織的病理檢查結(jié)果提示為“軟骨肉瘤”。2020年年初，伊娜的右髖部再次出現(xiàn)疼痛不適。拍片顯示，她的骨盆腫瘤已經(jīng)非常巨大，手術(shù)異常困難。

經(jīng)多方打聽(tīng)，她得知上海九院骨科團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用3D打印技術(shù)解決過(guò)許多醫(yī)學(xué)難題，尤其在骨盆腫瘤治療方面有著豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。時(shí)值全國(guó)新冠肺炎疫情形勢(shì)嚴(yán)峻，各地防控要求嚴(yán)格，但伊娜的病情發(fā)展已容不得更多猶豫。幾經(jīng)周折，他們一家來(lái)到了上海。

結(jié)合相關(guān)檢查數(shù)據(jù)，郝永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)討論后，為伊娜量身定制了一套手術(shù)方案：骶髂關(guān)節(jié)、恥骨聯(lián)合離斷和3D打印個(gè)性化骨盆假體保肢重建。3D打印中心為伊娜在短期內(nèi)設(shè)計(jì)、制備了3D打印個(gè)性化骨盆腫瘤模型、3D打印個(gè)性化手術(shù)輔助導(dǎo)板、3D打印個(gè)性化骨盆重建金屬假體。

導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的數(shù)字文件，給3D打印機(jī)鋪上一層細(xì)若微塵的鈦粉，輕輕按下“開(kāi)始”按鈕，電子束在照射區(qū)形成的1100攝氏度高溫，讓金屬微粒自然熔解……只一天時(shí)間，1∶1比例的3D打印產(chǎn)品都準(zhǔn)備好了。

手術(shù)中，郝永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)采取了3D打印“三位一體”的創(chuàng)新治療模式，完整切除了帶有腫瘤的半骨盆，同時(shí)安裝上3D打印假體。伊娜不僅免去了截肢之苦，更保住了生命。

郝永強(qiáng)介紹說(shuō)，骨盆的解剖位置特殊，骨盆腫瘤患者面臨腫瘤切除安全邊界難以確定，重要臟器、血管神經(jīng)易發(fā)生損傷等諸多問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，骨盆區(qū)域曾被視為手術(shù)的禁區(qū)，骨盆腫瘤切除與保肢重建是公認(rèn)的世界性難題。“尤其是20世紀(jì)80年代以前，如果患者確診為骨盆惡性腫瘤，便面臨著生死抉擇。1/4半骨盆截肢是病人存活下來(lái)的唯一治療選擇，但即便僥幸活下來(lái)，生存質(zhì)量也極差。”郝永強(qiáng)描述了當(dāng)年骨盆腫瘤患者面臨的絕境。

現(xiàn)在，新的治療模式讓重度骨盆疾病患者有了更好的治療效果和生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“個(gè)性化”與“精準(zhǔn)化”。對(duì)醫(yī)生來(lái)說(shuō)，也實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜手術(shù)簡(jiǎn)單化、危險(xiǎn)手術(shù)安全化。在2018年度上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，郝永強(qiáng)領(lǐng)銜完成的項(xiàng)目“骨盆腫瘤精準(zhǔn)切除與個(gè)性化功能重建的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與推廣應(yīng)用”，獲得上海市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

醫(yī)工合作好看病

上海九院在3D打印醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域能如此超前，一個(gè)重要的原因是得益于醫(yī)（生）工（程師）的緊密合作。在上海九院骨科，醫(yī)生的同事不僅僅有醫(yī)生，還有工程師。

“醫(yī)工合作已經(jīng)融入我們醫(yī)院每位醫(yī)生的血液里面了。戴尅戎院士就是醫(yī)工合作的先行者。如果工程師聽(tīng)不懂醫(yī)生在說(shuō)什么，醫(yī)生看不懂工程師在做什么，那么產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用上一定會(huì)出偏差！”郝永強(qiáng)說(shuō)。

說(shuō)到醫(yī)工交叉，責(zé)任首先在醫(yī)，因?yàn)獒t(yī)生是個(gè)性化需求的提出者，也是最后把個(gè)性化治療方案與個(gè)性化醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)用到病人的執(zhí)行者。所以，上海九院的3D打印中心，在這方面已經(jīng)建立了非常好的制度。醫(yī)工交互過(guò)程中經(jīng)反復(fù)討論，最后由富有個(gè)性化醫(yī)療經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生確定方案。參與其中的工程師其實(shí)也非常重要，他會(huì)把醫(yī)生提出的醫(yī)療需求通過(guò)工程學(xué)得以實(shí)現(xiàn)，再讓醫(yī)生應(yīng)用到患者身上。這個(gè)過(guò)程，每一環(huán)都是關(guān)鍵。

郝永強(qiáng)說(shuō)：“所以，我們首創(chuàng)了3D打印接診中心，工程師跟醫(yī)生一道看病，一道討論手術(shù)規(guī)劃、假體設(shè)計(jì)的工作模式。工程師必須進(jìn)手術(shù)室看手術(shù)，看自己的設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有問(wèn)題、如何優(yōu)化改進(jìn)。包括術(shù)后隨訪，工程師也要參與，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。個(gè)性化醫(yī)療模式有別于傳統(tǒng)醫(yī)療模式，是真正為病人‘量身定做的服務(wù)，是一種醫(yī)療理念及實(shí)踐的顛覆性革命。”

理念的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。醫(yī)生所承擔(dān)的醫(yī)療責(zé)任、所付出的辛勤勞動(dòng)，要比標(biāo)準(zhǔn)化醫(yī)療多得多。每次手術(shù)前，醫(yī)生和工程師都會(huì)反復(fù)多次討論，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬骨盆腫瘤的邊界及腫瘤切除后的骨盆缺損狀況，再設(shè)計(jì)并3D打印個(gè)性化的骨骼病變模型及定制的個(gè)性化金屬假體。很多時(shí)候，這個(gè)過(guò)程少不了反復(fù)推敲。

多發(fā)力多點(diǎn)開(kāi)花

上海九院的3 D打印團(tuán)隊(duì)，越來(lái)越受到世界同行的關(guān)注。在這個(gè)領(lǐng)域辛勤耕耘多年，郝永強(qiáng)感觸良多。骨腫瘤在骨科領(lǐng)域是最難、最具挑戰(zhàn)性的，有些骨科醫(yī)生可能會(huì)敬而遠(yuǎn)之。“因?yàn)樾枰冻鎏啵哿恕！焙掠缽?qiáng)解釋道，“骨腫瘤外科醫(yī)生不光會(huì)做手術(shù)，還要具備多種能力，扮演多種角色。我們多年前就組建了多學(xué)科合作團(tuán)隊(duì)（MDT），為個(gè)性化假體設(shè)計(jì)及制備，又組建了醫(yī)工交叉多學(xué)科團(tuán)隊(duì)。”正因?yàn)檫@個(gè)工作復(fù)雜程度高、風(fēng)險(xiǎn)大，需要的團(tuán)隊(duì)力量非常強(qiáng)，所以目前國(guó)內(nèi)大部分醫(yī)院還沒(méi)有開(kāi)展。

這讓郝永強(qiáng)感覺(jué)到肩上的擔(dān)子很重：“我們需要盡快將個(gè)性化醫(yī)療理念及相應(yīng)技術(shù)推廣至全國(guó)， 造福于千千萬(wàn)萬(wàn)亟須治療的患者。”

2013年，上海九院在全國(guó)發(fā)起成立了第一家醫(yī)院的3D打印技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化中心，由3D打印接診中心、3D打印創(chuàng)新研發(fā)中心、3D打印后處理中心組成。2015年，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院打印中心成立。2016年，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心成立，并在全國(guó)20多個(gè)省、直轄市成立分中心，通過(guò)技術(shù)交流輻射，進(jìn)一步推動(dòng)了國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)3D打印的發(fā)展。

2018年，全美規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)的梅奧醫(yī)學(xué)中心骨科團(tuán)隊(duì)，前來(lái)參觀上海九院的3D打印中心。此前一周，梅奧醫(yī)學(xué)中心骨科才開(kāi)始利用打印骨盆模型來(lái)輔助完成骨盆腫瘤切除手術(shù)。“這件事，我們20年前就開(kāi)始做了，現(xiàn)在已經(jīng)是常態(tài)。所以，從治療理念、應(yīng)用模式、核心技術(shù)以及病人的復(fù)雜程度等綜合來(lái)看，我們非常自信，我們走在了國(guó)際前沿。”郝永強(qiáng)自豪地說(shuō)。

為了更好地推廣個(gè)性化醫(yī)療理念及醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)，這些年來(lái)，郝永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)不遺余力地開(kāi)辦國(guó)家級(jí)繼續(xù)教育學(xué)習(xí)班14次，國(guó)際會(huì)議12屆。通過(guò)舉辦學(xué)習(xí)班、手術(shù)示教、創(chuàng)立醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心全國(guó)聯(lián)盟、遠(yuǎn)程會(huì)診等多種形式，將個(gè)性化醫(yī)療理念、3D打印骨骼模型、3 D打印手術(shù)輔助導(dǎo)板和3D打印個(gè)性化植入體“三位一體”治療模式及技術(shù)推廣到全國(guó)2 3個(gè)省、56家醫(yī)院。

“沒(méi)有骨骼的健康，就無(wú)從談‘大健康。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向是個(gè)體化、精準(zhǔn)化。放眼未來(lái)，3D打印會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)以打印活性組織細(xì)胞、器官為代表的生物打印，有望在不久的將來(lái)應(yīng)用于人體。科技改變未來(lái)，醫(yī)學(xué)3D打印可以幫助人類(lèi)‘脫胎換骨，夢(mèng)想成真。”這是郝永強(qiáng)對(duì)學(xué)科的期待，對(duì)醫(yī)學(xué)的期待。