3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計研究
——以膝關(guān)節(jié)模擬器為例

蔡伯鴻 吳丹婷 易佳慧

（四川美術(shù)學(xué)院,重慶 400000）

隨著3D打印技術(shù)的廣泛使用，其優(yōu)勢也在各個行業(yè)中凸顯出來。由于3D打印是一種理想的定制制造方法，在醫(yī)用產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)中也具有廣闊的發(fā)展?jié)摿ΑＴ卺t(yī)療領(lǐng)域，3D打印已經(jīng)惠及許多方面，如微創(chuàng)手術(shù)、癌癥治療、出生缺陷治療和功能修復(fù)等。文章從3D打印技術(shù)和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合應(yīng)用出發(fā)，運用交叉學(xué)科知識探索醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計的新路徑。

一、3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)

1.3D打印技術(shù)

3D打印又被稱為增材制造技術(shù)，是以三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用逐層制造方式，將3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成立體實物模型的數(shù)字化制造技術(shù)。3D打印作為一種新型的工業(yè)制造技術(shù)，因為其精確性、便捷性、廣泛性，被應(yīng)用于各個領(lǐng)域并取得了顯著成效。隨著3D打印設(shè)備與材料不斷更新，該技術(shù)的應(yīng)用逐步拓展到了設(shè)計、醫(yī)療、航天等各個領(lǐng)域。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，3D打印被應(yīng)用于醫(yī)療器械的設(shè)計和生產(chǎn)，個性化生物植入體、個性化診療器械和醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)。這項技術(shù)不僅縮短了研發(fā)周期，提高了研發(fā)效率，還合理控制材料成本，提高了醫(yī)療行業(yè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。可見，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛能和發(fā)展空間。

2.醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)

在醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設(shè)計中，為了針對不同的患者病情和特征制作醫(yī)療設(shè)備，需要獲取其準(zhǔn)確的解剖數(shù)據(jù)。目前，生物體解剖數(shù)據(jù)來源主要有3D掃描和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)兩類。其中，醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)是個性化醫(yī)療模擬產(chǎn)品的主要數(shù)據(jù)來源，常用的數(shù)據(jù)有：電腦斷層掃描(Computerized tomography，CT)、核磁共振成像(Nuclear magnetic resonance imaging，NMRI)以及醫(yī)學(xué)超聲波檢查(Medical ultrasonography)。醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)通過非侵入方式獲取人體某個部位的準(zhǔn)確圖像。研究人員可以通過醫(yī)學(xué)圖像軟件輔以數(shù)字化建模工具逆向重建人體的真實3D結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)此模型，醫(yī)生可以進(jìn)一步診斷病情、優(yōu)化手術(shù)治療方案和規(guī)劃手術(shù)路徑，設(shè)計師則可以進(jìn)行個性化醫(yī)療器械的設(shè)計。

3.3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合應(yīng)用

3D打印和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)是醫(yī)療模擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵要素。通過將3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以準(zhǔn)確地復(fù)制人體的生理結(jié)構(gòu)和病變部位的實體三維模型，使醫(yī)療專業(yè)人員可以全面了解患者的具體生理狀況，更有效地進(jìn)行個性化醫(yī)療設(shè)計。在醫(yī)療器械方面，可以根據(jù)模型為病患定制個性化手術(shù)器械，提供手術(shù)器械的適配性。在關(guān)節(jié)植入體的應(yīng)用中，根據(jù)患者的個性化模型定制生物植入體，可以很好地解決了關(guān)節(jié)匹配的問題，極大地改善了其治療效果。在術(shù)前模擬中，與普通的醫(yī)療影像資料相比，3D醫(yī)療模擬產(chǎn)品提供了更準(zhǔn)確的病理信息，清晰展示病損部位狀況，可以排除其他混雜因素的影響，直接分析特定現(xiàn)象。因此，將3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)結(jié)合應(yīng)用來進(jìn)行醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，將有利于探索出一種促進(jìn)設(shè)計發(fā)展和臨床研究的創(chuàng)新路徑。

二、醫(yī)療模擬產(chǎn)品概述

醫(yī)療模擬產(chǎn)品是醫(yī)學(xué)研究中的重要道具。在醫(yī)學(xué)研究中，實踐是十分重要的部分。醫(yī)療模擬可以有效地訓(xùn)練臨床技能，并且對于醫(yī)療教學(xué)與培訓(xùn)有很重要的作用。在醫(yī)療模擬中通過醫(yī)療模擬產(chǎn)品仿真制作出病變部位，配合病患的具體情況可以模擬出醫(yī)護(hù)真實現(xiàn)場，有效地緩解在醫(yī)療培訓(xùn)中因為道具所帶來的誤差。在醫(yī)療教學(xué)中，可以使用醫(yī)療模擬產(chǎn)品還原特定的醫(yī)療場景，利用最真實的場景來激發(fā)學(xué)生的積極性，提高自主學(xué)習(xí)的能力。醫(yī)療專業(yè)人員利用醫(yī)療模擬產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)的模擬訓(xùn)練，可以提高他們的實踐能力、判斷能力以及臨床決策能力。

三、3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計路徑

1.醫(yī)學(xué)專家與設(shè)計師的協(xié)同設(shè)計

由于醫(yī)療模擬產(chǎn)品的特殊性，其設(shè)計路徑將由設(shè)計師和醫(yī)學(xué)專家共同構(gòu)建。設(shè)計師與醫(yī)學(xué)專家共同參與設(shè)計的全過程，在每個設(shè)計階段分別負(fù)責(zé)不同面向的內(nèi)容。在設(shè)計籌備階段，設(shè)計師需要學(xué)習(xí)相關(guān)的醫(yī)療知識，熟悉醫(yī)療診斷流程，查閱醫(yī)療器械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保后續(xù)醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計的順利開展；醫(yī)學(xué)專家闡述遇到的問題以及需求，并由設(shè)計師將其轉(zhuǎn)換為設(shè)計需求。在設(shè)計開展階段，需要醫(yī)學(xué)專家提供影像數(shù)據(jù)，設(shè)計師制作3D模型。在設(shè)計調(diào)試階段，設(shè)計師根據(jù)醫(yī)學(xué)專家的測試反饋調(diào)整設(shè)計內(nèi)容，最后在設(shè)計應(yīng)用中對產(chǎn)品進(jìn)行不斷地迭代更新，持續(xù)完善設(shè)計成果。

2.3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計流程

醫(yī)療模擬產(chǎn)品的研發(fā)是設(shè)計學(xué)與醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科研究，其過程是由設(shè)計師主導(dǎo)，醫(yī)學(xué)專家輔助，相互配合完成。在利用醫(yī)學(xué)圖像和3D打印進(jìn)行醫(yī)療模擬設(shè)計時，其過程可分為五個主要階段，包括醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)采集及處理、醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)3D重建、功能設(shè)計、3D打印以及實踐應(yīng)用。

首先在獲取醫(yī)療數(shù)據(jù)階段，設(shè)計師與醫(yī)學(xué)專家需要明確設(shè)計目標(biāo)，對相關(guān)的人體解剖部位進(jìn)行高精度掃描，以再現(xiàn)病變部位的準(zhǔn)確特征。在此階段，醫(yī)學(xué)專家需要確定采用何種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集。

在第二階段，設(shè)計師使用醫(yī)學(xué)圖像軟件，將醫(yī)學(xué)掃描生成的二維圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，然后導(dǎo)出為數(shù)字化3D文件(.STL)。之后設(shè)計師需要在3D軟件（如Artec Studios等）中對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括分割、消噪、表面平滑等。這一階段主要是移除與設(shè)計目標(biāo)無關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)，并修補(bǔ)優(yōu)化待設(shè)計的3D模型。

在功能設(shè)計階段，設(shè)計師根據(jù)醫(yī)學(xué)專家所提出的設(shè)計需求，以三維重構(gòu)得到的3D模型為基礎(chǔ)開展設(shè)計工作，賦予模擬產(chǎn)品合理的功能性。此階段需要設(shè)計師和醫(yī)學(xué)專家進(jìn)行密切溝通，針對所設(shè)計的功能和表現(xiàn)形式進(jìn)行反復(fù)論證和實驗。

最后，設(shè)計師根據(jù)產(chǎn)品的功能需求選取適宜的材料通過3D打印機(jī)制造模擬產(chǎn)品。然后，將功能性的醫(yī)療模擬產(chǎn)品用于醫(yī)療教育或研究的實踐應(yīng)用當(dāng)中。在此階段，設(shè)計師應(yīng)當(dāng)與醫(yī)學(xué)專家共同商討，設(shè)計合理且完善的應(yīng)用方式和場景。

四、3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的膝關(guān)節(jié)醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計實踐

1.設(shè)計目的即滿足解剖學(xué)醫(yī)療模擬需求

前后十字交叉韌帶（Anterior and Posterior Cruciate Ligaments）是人類膝關(guān)節(jié)的重要組成部分。它們防止股骨在運動過程中向前或向后滑動，從而為運動中的膝關(guān)節(jié)提供重要的穩(wěn)定性。在運動員群體中，十字韌帶損傷極為常見，前十字韌帶發(fā)生損傷的頻率更高。運動量較大的青年患者在接受韌帶重建的治療后再次受傷的概率很高，這將導(dǎo)致生活質(zhì)量下降，運動能力受限，甚至可能成為運動員職業(yè)生涯終結(jié)的主要原因。因此更好地了解十字韌帶的工作原理，可以幫助醫(yī)療專業(yè)人員在創(chuàng)傷預(yù)防、優(yōu)化治療以及康復(fù)訓(xùn)練等方面提供重要參考。許多研究人員試圖通過采用不同的研究方法來闡明十字韌帶在膝關(guān)節(jié)運動過程中的工作機(jī)制，例如使用膝關(guān)節(jié)解剖標(biāo)本、計算機(jī)模擬、成像分析和在膝關(guān)節(jié)植入傳感器等方法。然而，這類對十字韌帶的研究要么收集到的是間接數(shù)據(jù)，受到許多混雜因素的影響，例如周圍軟組織施加的張力或個體的步態(tài)差異將導(dǎo)致結(jié)果的偏差；或是需要借助介入性手術(shù)，對受試者身體造成損害，無法大規(guī)模采集數(shù)據(jù)樣本。因此，目前對于膝關(guān)節(jié)十字韌帶工作機(jī)制的研究結(jié)論尚未得到醫(yī)學(xué)界的一致認(rèn)可。

為了研究不同解剖結(jié)構(gòu)之間復(fù)雜的關(guān)系，有必要采用一種創(chuàng)新的方法來開發(fā)功能性醫(yī)學(xué)模擬器對膝關(guān)節(jié)十字韌帶的工作機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的闡釋。將醫(yī)學(xué)圖像與3D打印相結(jié)合設(shè)計研發(fā)的模擬器可以準(zhǔn)確地模擬不同解剖結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系和相互作用，這對研究膝關(guān)節(jié)十字韌帶的工作機(jī)制有著十分重要的作用。在文章中，為了專注于膝關(guān)節(jié)十字韌帶的工作機(jī)制研究，模擬器設(shè)計僅包含了膝關(guān)節(jié)運動過程中最重要的組件：股骨、脛骨、腓骨、前后十字韌帶和內(nèi)外側(cè)副韌帶。

2.醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)收集與3D模型建立

醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)是一種二維信息，通過許多橫截面圖像來完善人體的目標(biāo)區(qū)域。為了利用這些二維信息來改進(jìn)三維設(shè)計，第一步是將其從二維切片轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)。在本文章中，醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)主要用來增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)模擬器的設(shè)計。在醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的選擇中，CT數(shù)據(jù)更有利于反映骨骼結(jié)構(gòu)，因此選擇CT掃描作為影像采集的來源。本次研究使用健康男性志愿者的膝關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)作為模擬器設(shè)計的基礎(chǔ)樣本。通過CT掃描，獲得骨骼、肌肉、脂肪和皮膚等組織的結(jié)構(gòu)。CT掃描數(shù)據(jù)被導(dǎo)出為dicom格式，并在醫(yī)學(xué)圖像軟件（InVesalius）中轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)。經(jīng)過3D軟件（Artec Studios）的分割和處理步驟后，將3D模型的STL格式導(dǎo)入3D建模軟件（Rhino）中進(jìn)行設(shè)計編輯。為了確保轉(zhuǎn)換后的三維醫(yī)療模型的準(zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)處理過程中設(shè)計師與經(jīng)驗豐富的醫(yī)療專家緊密協(xié)作。

3.醫(yī)療模擬產(chǎn)品開發(fā)與測試

在前期數(shù)據(jù)收集和處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)醫(yī)學(xué)專家的反饋，確定了對膝關(guān)節(jié)模擬器的設(shè)計重點集中在股骨頭部位的幾何化上。設(shè)計師在醫(yī)學(xué)專家的指導(dǎo)下，根據(jù)膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)機(jī)構(gòu)原理，對股骨與脛骨結(jié)合部位進(jìn)行了重新設(shè)計，使其解剖結(jié)構(gòu)更為清晰和明確。從而使模擬器能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的彎曲-伸展以及鎖止運動，與真實的人體膝關(guān)節(jié)運動軌跡保持一致。為確保膝關(guān)節(jié)模擬器在運動過程中不受人為因素的干擾，特別設(shè)計了樞軸運動支架用以帶動模擬器完成運動。模擬器頂部的指示板用以展示膝關(guān)節(jié)模擬器在鎖止運動過程中的內(nèi)旋角度。

模擬器采用SLS 3D打印技術(shù)制造，主體包含9個由燕尾型接頭連接各獨立部件。模擬器的下部設(shè)計有拉力感應(yīng)器，可以分別連接到兩個模擬十字韌帶。為了準(zhǔn)確地復(fù)制膝關(guān)節(jié)運動，使用了兩種繩索材料來模擬膝關(guān)節(jié)韌帶。通過實驗確定了最適合交叉韌帶和側(cè)副韌帶的材料分別是尼龍繩和彈性繩。在本設(shè)計中，每條韌帶都可以單獨工作，允許對模擬器的不同部位施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變力，從而確保模擬器具有與真實膝關(guān)節(jié)相似的運動學(xué)特征。

為了測量十字韌帶上的拉力值，本文章中使用了市售拉力感應(yīng)器。通過模擬器和拉力感應(yīng)器的協(xié)作可以實時測量膝關(guān)節(jié)運動過程中十字韌帶上的拉力值變化。在實驗測量過程中，膝關(guān)節(jié)模擬器在樞軸運動支架的帶動下完全伸展和完全彎曲之間做往復(fù)運動，同時記錄每10度運動幅度下拉力感應(yīng)器數(shù)值的變化情況。為確保測試的客觀有效性，此運動過程重復(fù)5次，并對測試所得拉力數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計分析。

4.醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計成果

在文章中，研發(fā)團(tuán)隊成功開發(fā)了一種基于醫(yī)學(xué)圖像和3D打印的功能性膝關(guān)節(jié)模擬器來研究前后十字韌帶的工作機(jī)制。目前3D打印醫(yī)學(xué)模型的應(yīng)用大多是靜態(tài)人體解剖模型，無法準(zhǔn)確說明不同解剖結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)空間關(guān)系，缺少實時解剖運動的具體信息。本文章所設(shè)計的膝關(guān)節(jié)模擬器可以準(zhǔn)確地復(fù)制正常的脛股骨運動。在伸展運動時關(guān)節(jié)呈現(xiàn)內(nèi)旋鎖定，在屈曲運動時關(guān)節(jié)呈現(xiàn)外旋解鎖，這一現(xiàn)象充分說明該模擬器與真實的人體膝關(guān)節(jié)運動呈現(xiàn)相同軌跡。膝關(guān)節(jié)模擬器可以直接測量運動過程中前后十字韌帶的拉力值，揭示了膝關(guān)節(jié)十字韌帶在運動過程中所受拉力的變化趨勢。

總結(jié)

文章研究了將3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)結(jié)合使用的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計新模式。先對3D打印和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行了分析，再通過協(xié)同設(shè)計探索了醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設(shè)計路徑。然后以膝關(guān)節(jié)模擬器為例，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及處理、醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)3D重建、功能設(shè)計、3D打印、以及實踐應(yīng)用等流程。利用設(shè)計實踐來驗證了醫(yī)療模擬產(chǎn)品設(shè)計路徑的可行性。本課題作為跨學(xué)科研究項目，將醫(yī)療模擬從概念化、經(jīng)驗化轉(zhuǎn)向為具象化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展。3D打印與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合也可以看作是跨學(xué)科設(shè)計的新探索。跨學(xué)科研究也將成為推動設(shè)計發(fā)展、模式創(chuàng)新的關(guān)鍵要素。