3D打印技術在臨床醫學中的應用

徐鑫佳 周正皓 羅芳 張翠 楊偉業

摘要：3D打印技術，即在通過計算機技術堆砌出數字模型后，將該數字模型作為原始數據，快速構建與模型相同形狀的物體的技術。在本文中，通過文獻資料的搜集，對于3D打印技術在醫學中的運用進行概述，通過對過去3D打印技術在醫學領域內運用的發展情況進行總結，對未來3D打印技術的發展做出趨勢性預測。

關鍵詞：3D打印技術;臨床醫學;模型;臨床應用

【中圖分類號】 R4? ? 【文獻標識碼】 A? ? ? 【文章編號】2107-2306（2022）03--01

在醫學臨床領域，3D打印技術的應用范圍也非常廣泛，例如，可以將一些較為罕見案例中患者患病的特定部位的數據通過計算機技術進行處理，堆砌出原始模型，通過3D打印技術可以做出一模一樣的模型道具，用于醫學生的學習或是醫生的術前研討，有助于提高醫學手術的精確度和成功度。此外，包括患者的假肢，體內植入物，外科手術夾具等，均可以通過3D打印技術制造。在本文中，通過文獻資料的搜集，對于3D打印技術在醫學中的已有的運用進行概述，通過對過去3D打印技術在醫學領域內運用的發展情況進行總結，對未來3D打印技術的發展做出趨勢性預測。

1、3D打印技術在腦外科的應用

3D打印技術應用于顱骨修補、顱骨損傷、腦血管、腦腫瘤等各種方面，但在顱骨修復方面更加廣泛。在顱骨修復手術中合理的加入顱骨修復材料，不僅可以有助于顱骨形狀的復原，而且可以大大促進大腦功能恢復。近年來，顱骨修復的材料也歷經多次變化，從最初的自體骨頭到如今的硅膠和橡膠等材料，隨著新的技術手段的出現，材料的弊端會漸漸顯現出來，為了順應技術與時代發展的需要，材料的發展必須與時俱進。目前來看，在顱骨修復材料領域的研究中，專家對于鈦合金與聚醚醚酮的研究最為成熟[1]。3D打印技術的發展立足于影響數據技術的發展，在計算機原始模型的加持下，通過降陶瓷粉末或金屬粉末等原材料進行層層打印疊放，精準堆砌，可以根據計算機模型的變化，打印出任何形狀的物品，隨著技術的迭代與更新，臨床醫學領域早已離不開3D打印技術[2]。

腦CT血管成像已成為腦腫瘤、腦血管瘤等相關疾病的重要檢查方法之一。然而，由于腦CTA一直是在二維膠片上成像，盡管在處理工作站上可見三維重建圖像，但仍欠缺直觀的實物模型展示。隨著3D打印技術在醫學領域中的擴展，以最初的CTA數據作為基本，實現腦動脈及其鄰近組織結構的3D打印，對于顱內占位性病變的診治，提供了新的視覺、新的手段。腦動脈3D打印可按1：1比例大小模擬腦內血管結構，明確病灶的位置、大小范圍及鄰近組織結構關系，為術前手術方案的制定，模擬手術過程提供幫助;同時對避開重要神經功能區，減少術后并發癥具有重要意義[3]。

2、3D打印技術在骨科的應用

（1）打印實物模型。通過X線等影像資料，在臨床實際工作中，特別是在骨科方面，是在骨科手術之前進行術前分析和術前討論的一項常規檢查和操作，但是這些傳統的圖像資料，對于缺乏經驗、空間感的醫生來說比較抽象，如果運用3D打印技術，就可以對患者進行模型制作，將骨折形態通過具體的3D模型展示出來，使得醫務人員可以清楚的了解病變的位置、嚴重程度以及提供更為準確、逼真的解剖學結構。目前，3D打印技術在尸體標本和臨床實驗中應用取得令人了滿意的效果，成功制作出了骨科實物模型，成為進行骨科手術術前模擬、方案設計、術中輔助手術操作等方面的有效工具[4]。

（2）打印手術導向的模板。隨著我國互聯網信息技術與數字化信息技術的快速發展，將數字化技術運用在臨床醫學領域中的模式早已存在多年，進而在手術中，通過3D打印技術產生的手術導向模板的應用數量也在逐年攀升，這種通過3D打印技術產生的手術導向模板與傳統手術模板存在諸多差異，相比較而言，其具有以下幾個優點：①有助于提高定位螺釘打入的準確性與精確度，大大提高人體關節手術的成功概率;②簡化手術操作，即使是三維空間及方向感較差的醫師也可以靈活適應，使負復雜難搞的手術的變得現對簡單、容易;③X線透視次數減少，患者及術者放射線輻射量也得到減少;④進行個體化治療，如果能對術中骨性異常部位及生理骨骼解剖標志準確的找到定位點，就能實現個性化治療，一對一治療。⑤節省了空間，降低了感染率，減少了操做復雜程度，這是傳統的計算機輔助導航技術不開相比的[5]。

（3）打印內植物。在骨科疾病中，由于骨組織損傷，骨關節的相應功能也會受損。而骨組織損傷的情況往往較為復雜，所需的骨內置物形態不一，功能也不同。傳統的支架及內置物形態、款式、功能較為固定和單一，都是按照型號來定制。應對常規的骨折損傷也行能應對，但對于稍微復雜的骨組織損傷，就較難很好的應用于臨床，也不能較好的滿足患者的需求。但如果采用3D打印的技術，不僅符合患者自身體質，而且做3D打印的個體化定制的植入骨科內植物具有復雜形狀、層次和結構，不僅起支撐作用，還具有較強的生物活性，且制作所需時間相對較短、操作現對簡便，為實現個性化定制提供了更多的可能性。就連類似于骨小梁的微孔結構，3D技術也可以輕松應對[6]。

（4）打印骨科康復器械。傳統方法制作的骨科康復器具很難滿足患者個體化的需求，影響佩戴的舒適度甚至康復效果。通過3D打印技術，運用不同材料例如金屬、塑料、陶瓷等打印出不同材質的產品，可根據不同病癥、不同要求、不同尺寸康復器進行個性化定制，使打印出的器械精確接近解剖結構，更貼合于人體。使用3D打印，對于正在生長發育的兒童來說，能使成本大幅較低，相比于傳統骨科康復器材的頻繁跟換，3D打印是非常實惠的[7]

3、3D打印技術在器官上的應用

在臨床應用中，3D打印技術也可廣泛應用于定位器官，比如在肝臟手術過程中。目前，在外科手術領域，一般患者發現患有惡性腫瘤疾病后，為了最大程度的有效抑制后續病情的繼續惡化，所以醫生大多建議患者通過外科切除手術進行治療。雖然外科切除手術的對病情的作用顯著，但由于其內在結構復雜，生理構成具有特殊性，所以在進行手術操作過程中，難度系數較大，一旦出現意外操作，很可能對患者產生巨大危害[8]。該類疾病能否成功痊愈極度依賴手術切除過程中，主刀醫生對切除精度的把握，例如，對腫瘤定位的精準掌握與肝臟內部結構的精準掌握等[10]。在治療過程中，通過將CT數據導入到專業的軟件平臺，可以通過三維技術對患者患病器官的內在結構進行數字化構建，包括平面構建、立體構建、局部及整體構建，滿足醫生對于病情的研究需要。此外，還可以對患病器官進行動畫模擬切割操作，模擬手術過程，提高醫生制定手術預案的效率，大大提高手術成功的概率。最后，將該平臺的模擬數據鏈接保存到3D打印機中，在選擇合適的打印材料過后，可以進行3D仿真打印，進行可觸摸式的手術模擬，并進一步對手術預案進行完善[9、10]。

4、3D打印技術在牙科的應用

在口腔醫學領域，假牙是必不可少的，從最開始的制作金屬牙到現如今的陶瓷牙，技術在不斷的進步。通過實驗的深入研究，我們可以漸漸發現醫用合成金屬之間存在的差異與聯系，在合金的制造過程中，通過工藝材料的改良，可以有效加強合金密度，進而提高其表面的粗糙程度，提升金屬與瓷之間的融合度。在陶瓷牙齒的制作過程中，通過激光對其表面進行加工，可以在短時間內產生大量的熱量，提高牙齒表面的溫度，但該熱量會在較短的時間里散發，牙齒表面在淬火后可以快速形成一層氧化膜，改善陶瓷牙齒的整體性能，提高其耐磨性和使用周期。3D打印技術所具有的激光加工功效，可以促進顆粒感的產生，所以3D打印技術可以產生比鑄造合金更高的強度[11]。

以目前的技術來說，3D打印技術結合光固化成型技術與牙科陶瓷的應用會越來越廣泛，并且為了滿足人們日益增長的需求，會更加的追求精致，因此牙科陶瓷具有非常廣泛的發展前景。

5、討論

本文對臨床醫學領域內3D打印技術的廣泛運用進行了細致介紹。從目前的情況來看，我們可以發現3D打印技術現如今在我國臨床醫學領域內深受喜愛，無論是術前診斷還是手術中的輔助工具，3D打印技術都對臨床醫學的發展起到了不可替代的重要作用。雖然3D打印技術的應用廣泛，但是其實我國3D打印技術的發展仍處于研究階段，只有一部分技術投入到了實際運用中，在未來的技術研發過程中，對于打印的精準度與打印材料的研究將會成為重點研究對象。此外，隨著打印技術的升級，打印設備的高昂成本也是急需解決的問題之一，對于優化打印設備成本方面還有很長的路要走。我相信，隨著社會需求的發展與科學技術的完善，3D打印技術在臨床醫學領域內的運用程度將會進一步擴大，其機器造價過高的問題也會找到合適的解決方案。

參考文獻：

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[6]劉忠軍.金屬 3D 打印骨科內植物的應用現狀與發展趨勢淺析[J]. 骨科臨床與研究雜志 ，2017，2 （ 2）：65-67

[7]李慧英，杜立龍 .3D打印技術在骨科中的應用進展[J].天津醫藥，2018，46（9）：1023-1026

[8]焦作義，俞澤元.原發性肝癌外科治療進展[J].中華肝臟外科手術學電子雜志，2016，10（5）：281-284

[9]馬進，耿小平.三維可視化技術在復雜型原發性肝癌術前規劃中的應用[J].中華肝臟外科手術學電子雜志，2016，5（2）：72-76.

通訊作者：楊偉業，男，研究生，講師，研究方向：光學工程。

基金項目：遵義醫科大學大學生創新創業訓練計劃。

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