協同創新背景下以3D打印為基礎的個性化醫療產品設計

蔡伯鴻 吳丹婷

（四川美術學院,重慶 400000）

一、協同創新背景

（一）協同創新概述

在設計學視域中，協同式創新也被稱之為“體驗式協同設計”（Experienced-Based Co-Design），最早由英國倫敦國王學院Sara Donetto博士的研究團隊提出。Sara博士認為，協同式創新能夠通過將設計活動各受益方統合為一個整體，對設計方法、設計策略以及設計決策進行推動，從而更好地解決設計活動中對設計需求的定義并構建出更貼合最終使用者行為方式的解決方案。這一理念確保了設計活動能夠更為直接且高效地服務于設計活動的各相關方。

（二）協同創新對醫療領域的影響

協同創新的核心是用戶參與的體驗式設計，該設計模式對醫療領域的影響尤其顯著。醫療設計的最終服務人群中包括有專業技術極為特殊的醫護群體和因受傷或生病而需要醫療救助的病人群體。由于這兩類人群的特殊性和敏感性，導致醫療設計處于一個復雜且多變的環境之中。在醫療設計中設計師作為設計活動的直接參與和推動者，需要綜合醫生和病人的需求，并提出創新性的解決方案，解決實際的醫學診療難題。由于協同設計可以綜合設計活動各利益方的需求，這一設計方法在急救醫療、癌癥護理、康復診療、心理診斷等方面都發揮了重要的作用。在以“體驗”為核心的設計思想和設計流程中，設計師可采用諸如觸點、情感映射和體驗反饋等具體方式進行設計的理念創新和實踐突破。協同式設計也將醫生和病人的個體意見納入設計決策當中，通過創新設計反應相關群體的真實需求，從而緩解日益增長的醫患矛盾。

（三）在醫療產品設計中協同創新的工作方法

在醫療產品設計中的協同創新主要是設計師和醫學專家的協同工作。由于個性化醫療產品的特殊性，所以在設計時應該將患者的意見納入思考范圍，因此協同設計創新是在設計師、醫學專家、患者三方緊密合作的基礎上開展的協作和創新。這一過程主要可分為三個階段：需求定義、互動式設計、臨床應用。（1）協同式需求定義：在這一階段中，有別于傳統的單線式設計調研，設計需求僅來自設計師的獨立探索或直接采納有醫療方（醫學專家或患者）提出的問題要素，設計師將需要對醫療方所提出的現有問題進行深度調研。設計師通常需要深入醫學診療一線進行學習和觀察，并通過實際概念模型測試的方式，對項目所涉及的醫學知識和設計痛點進行測試并獲得來自醫療方的反饋。因此在協同式需求定義階段，引入模型測試的環節，以確保設計方向的正確性。（2）互動式設計階段：這一階段將是設計方案從概念到功能化演變的重要環節。在此過程中，醫療方的一手臨床經驗將對設計方案的發展起到至關重要的作用。同時，醫學臨床經驗在促進設計方案逐漸成熟的過程中，也將對設計的實施起到具體的限定作用，以確保設計方案的推進始終處于服務一線醫療需求的框架之下。因此，在此階段需要設計師和醫療方進行更為緊密的協同，針對設計原型進行多輪次的反復測驗和修正。最佳的原型測試環境是醫療一線的真實使用場景。（3）設計方案的臨床應用：這一階段代表設計項目已經取得階段性的成果，可以開始應用于臨床一線的診療環節。但這并不代表設計項目的終解，相反，由于臨床應用的復雜性和多變性，設計方案能夠在這一階段得到徹底地檢驗，從而為設計方案的進一步改進提供的方向和空間。這一階段也可視為新一輪設計的需求定義。

二、3D打印在醫療設計中的應用

3D打印作為一種工業制造手段，因其增材式制造的加工特點，使其擁有傳統制造方式所不具備靈活性和極高的成本效能。借助3D打印技術可使設計構想得到快速成型并實現設計方案的快速測試和迭代。在醫療設計領域，3D打印技術獲得了極大的發揮空間。由于醫學診療當中將面臨各式各樣的患者和病情，其治療方案也不盡相同。但在傳統的醫學診療的過程中，醫護人員僅能根據患者情況的不同，在有限型號的醫療產品及設備中選用相對適宜的一款對患者進行診治。這導致診療器械不能完全符合患者的個體需求，使診療效果受到極大的限制。

但借助3D打印技術，醫護人員完全可以根據患者的個性化需求，為其量身定做相應的診斷和治療器械及工具。近年來，3D打印的個性化關節產品就在骨科診療得到了良好的應用。醫學專家根據患者的個體解剖學結構和病情特征，為其定制需要替換的人造關節，再將個性化的關節植入患者體內。這類個性化醫療設計很好地解決了人造關節與患者自身情況不匹配的問題，使治療效果、術后恢復以及患者的長期使用情況都得到了極大的改善。

（一）3D打印的發展

從基本工作邏輯而言，3D打印的工作方式與2D平面打印并無本質區別，都是將數字化信號進行物理性打印的過程，區別在于3D打印是疊加式的2D打印，通過層層累積的方式加工出模型的立體構造。在3D打印技術的發展過程中，除了制造工藝越加豐富和精細之外，主要的發展重點在于材料學的突破?？v觀3D打印技術的發展歷程，不難發現其應用的廣度與可使用材料的多樣性密不可分。從最早期的塑料線卷材料發展到如今的高強度金屬材料、生物相容性材料、和復合材料等。3D打印也從最早期僅可用于樣品模型制造發展到了如今涵蓋設計、醫療、生活、交通運輸、航空航天等領域，幾乎實現全行業覆蓋的規模。因此，3D打印技術的發展也可看作是材料科學的不斷進步。設計師在應用3D打印輔助設計工作的過程中，也是對適宜材料的選擇過程。在醫療健康領域，用于3D打印的材料多為耐高溫或生物相容性材料，以保證所打印的產品在使用時能進行消毒和清理，同時在制作可植入裝置時，避免引發過敏或免疫排斥反應。

（二）個性化醫療3D打印的數據來源

在醫療3D打印領域，用于打印加工的數字化模型是實現個性化醫療的關鍵。為了針對患者個體情況及病情特點進行設計制作個性化醫療設備，首先需要獲取患者的個性化解剖數據。目前，在生物體解剖數據獲取方面主要包含3D掃描和醫學圖像數據兩大類別。3D掃描的技術特點主要是對物體表面被動或主動的光波進行捕捉進行數字化成像?；诖颂攸c，3D掃描主要是幫助技術人員獲取人體體表形態特征，這類數據在義肢制作和口腔醫療等非介入性領域得到了較為廣泛的應用。通常設計師采用此類數據設計制作與目標患者的體表結構相匹配的個性化穿戴式設備，提高此類設備的匹配程度和穿戴舒適性。

在很多個性化介入性治療當中，由于需要根據人體骨骼和器官的形態進行個性化設計和制作，僅能獲得生物體體表數據的3D掃描手段就無法滿足需求。在此情景下，通常采用醫療圖像數據作為個性化設計的基礎。在這里所使用的醫療圖像數據包含有計算機斷層掃描（CT）、核磁共振掃描（MRI）以及超聲掃描數據。醫學圖像數據通過斷層掃描的原理，對人體內部的骨骼、肌肉、器官等生理結構進行準確的成像，醫生可以通過對各斷層掃描數據的平面圖像對病人的病情進行診斷。在醫療3D打印領域，設計師可以借助醫學圖像軟件，對多分層的斷層掃描數據進行逆向還原，從而獲得反映人體真實解剖結構的數字化3D模型。以此模型為基礎，設計師將可進行有針對性的個性化醫療設計。

三、個性化醫療設計案例

本文介紹的個性化醫療設計案例是與新加坡野生動物救助中心合作，以拯救罹患癌癥的大犀鳥為目標而進行的個性化醫療設計。由于此次項目的目標患者較為特殊，野生動物無法像人類一樣與醫生和設計師進行交流，這為設計的開展和實施提出了更高的要求，需要設計師更為謹慎地審視設計方案，并與醫生進行更為密切的交流和討論，以確保設計的最終目標得以實現。

（一）項目背景

大犀鳥是一種主要分布于印度和東南亞的大型鳥類生物，其主要特征是頭部長有形態獨特并且色彩鮮艷的盔體和喙。特殊的外形使這種鳥類受到人們的喜愛，但同時也使他們成了盜獵者的目標。由于猖獗的盜獵行為，近年來野生大犀鳥的種群數量急劇下降，已被聯合國列入了珍貴動物的保護名錄，其棲息地所在的各國也積極采取措施保護大犀鳥。威脅大犀鳥生命的不僅有盜獵者的獵槍，還有罕見的疾病。盔體鱗狀細胞瘤是大犀鳥的易發疾病。由于發病位置多靠近大腦，導致常規的治療手段效果極為有限。在近幾年中，僅新加坡飛禽動物園就已出現過多例大犀鳥因罹患癌癥而去世的情況。因此當本項目的患者Jary再次被確診之后，新加坡野生動物救助中心的醫療專家們決定嘗試以手術切除腫瘤的方式進行治療。

本次患病的Jary發病時為23歲，根據這種鳥類通常40歲以上的壽命來看，它還處于壯年階段，專家預測Jary將有機會在手術后快速恢復。但由于飛禽類生物的生命力相較大型哺乳類動物更為脆弱，手術中的失血以及術后創口的感染都極有可能造成致命后果。基于這些問題，動物醫學專家向設計師尋求解決方案。

（二）設計解決

根據動物醫學專家所提出的設計需求：（1）實現在手術中的精準切除腫瘤，盡可減少失血和神經損傷；（2）在術后對手術創口進行有效保護，防止開放式創口感染；（3）為減少大犀鳥在術后出現的不適，解決方案應盡可能減少對大犀鳥日常生活的影響，手術植入體應盡可能與原生盔體接近。根據以上需求，設計師與動物醫學專家共同決定從個性化醫療的角度出發，為Jary設計開發一套專屬的手術工具和仿生外骨骼。

1.手術工具設計

由于Jary患有腫瘤的部位極為靠近腦部，如果進行大范圍組織切除，將可能導致動脈和腦神經損傷，為手術帶來極大的風險；但若不能對腫瘤體做到完整切除，后期亦有腫瘤復發的可能。因此，為了準確掌握Jary的患病情況，便于手術工具的準確設計，動物醫學專家對Jary的頭部進行了高精度的CT掃描。通過CT數據，醫學團隊可以準確判斷腫瘤的生長位置和形態。設計師將CT掃描所獲得的DICOM數據導入到醫學圖像軟件中，對2D的CT數據進行三維重構，獲得了Jary頭部及患病腫瘤部位的準確3D模型。該模型準確反映了大犀鳥頭部的生理結構和物理尺寸，是后期進行個性化醫療設計的基礎。

2.仿生盔體設計

由于本次手術是針對大犀鳥的盔體和喙進行切除，該部分為鳥類生物的角質組織，且內部為空心結構。在完成手術切除后很長時間內，被切除部位的角質層都無法愈合，會形成長時間的開放式創口，將角質層內的神經組織和腦組織暴露在空氣當中，具有極高的感染風險。為了避免在漫長的恢復期中大犀鳥的手術創口發生感染，研究團隊決定為其設計一款個性化的仿生盔體用于保護手術創口，確保大犀鳥在術后恢復期的正常生活。

對于仿生盔體的設計，首要考慮的是密閉性和植入的可靠性。因此，仿生盔體采用覆蓋式設計，對手術創口進行完整的包裹，避免大犀鳥在恢復過程中，傷口出現異物感染的情況。本方案所設計的盔體下沿與手術的切除路徑完全重合，同時在內側設計了固定槽，使盔體能夠被固定到預設部位。在固定植入體方面，根據動物醫學專家的建議，本次手術采用為大犀鳥植入外科固定釘的方式對仿生盔體進行半永久式的固定。為此，設計師在仿生盔體的下端設計了8個固定釘孔位，并對固定孔位進行內斜式的造型處理，確保外科固定釘在植入之后其頂端被仿生外骨骼所包裹。這樣的設計可以避免大犀鳥在日?；顒又?，因外科固定釘與環境異物的碰撞而造成二次傷害。

（三）項目后記

患病的大犀鳥的手術極為成功，在術后1個月左右身體情況完全穩定，并開始根據其習性利用身體的油脂為新的仿生盔體染色，使其從原本的白色變為更趨近天然盔體的黃色。動物專家指出這代表Jary完全接受了新的人造盔體，認可其為身體的一部分，如圖4。術后Jary的手術創口并未出現嚴重的感染，腫瘤也無復發跡象。從術后至今3年多時間，Jary一直作為明星動物健康生活在新加坡飛禽動物園，在術后第二年中，Jary的植入仿生盔體就已自然脫落，手術造成的創口已完全愈合。

總結

該項目作為世界首例成功通過個性化醫療方式救助罹患癌癥的飛禽類動物，成功展示了通過“藝醫”協同化創新為醫療服務帶來的全新突破，進而從設計師的視角闡釋了科技與自然、人與自然之間的關系。通過3D打印技術實現了醫療產品的個性化定制與快速成型，提高了個性化手術的精確性，“藝醫”協同式創新模式也為個性化醫療產品設計提供了新的研究路徑和模式。