郝永強:讓3D打印助力脫胎換骨

胡德榮

來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，該院骨科郝永強教授團隊，幫助患有骨盆巨大腫瘤的伊娜解決了大問題。

伊娜說不清楚自己這個手術(shù)里面那些復(fù)雜的專有名詞。其實，她接受的是基于3D打印“三位一體”的個性化醫(yī)療模式。通過手術(shù)，醫(yī)生幫助伊娜精準切除了右側(cè)半骨盆腫瘤，并精準安裝了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，她最滿意的是身體的功能恢復(fù)。

截至目前，郝永強教授團隊已經(jīng)為200多名患者實施3D打印個性化金屬骨盆功能重建，實現(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，也讓中國以骨腫瘤切除重建為代表的個性化骨科醫(yī)療，走在了世界前沿。

買不起也等不起

“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)的標準化假體無法重建或效果不佳，因此，我們醫(yī)師必須想辦法解決這個問題！”郝永強教授介紹說，個性化重建假體，是骨腫瘤保肢治療的剛需。但在增材制造出現(xiàn)之前，減材制造制備的個性化重建假體，僅在少數(shù)發(fā)達國家能夠?qū)崿F(xiàn)。定制費用一般在數(shù)萬美元，定制周期至少需要3個月。這對于國內(nèi)的骨腫瘤患者來說，一是經(jīng)費上承擔不起，二是時間上也等不起。

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

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

這其中，郝永強團隊開展了大量的原創(chuàng)及自主創(chuàng)新工作，包括設(shè)計及應(yīng)用軟件的研發(fā)?！叭缃瘢覀兛梢詰?yīng)用自己研發(fā)的CT/MRI數(shù)字融合計算機軟件，來重建腫瘤真實邊界，并通過3D打印把病變模型打印出來，在模型上討論手術(shù)規(guī)劃。如何把腫瘤精準切除？如何設(shè)計手術(shù)輔助導(dǎo)板？如何安裝個性化重建假體？復(fù)雜的手術(shù)操作，被一個一個仔細討論后，變得相對簡單了。”郝永強說。

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

郝永強帶領(lǐng)他的團隊做了大量的研究，經(jīng)過不斷篩選，在與骨接觸的假體表面打印出能夠讓骨長入的金屬骨小梁，實現(xiàn)了鈦合金跟骨骼的完美融合。3D打印個性化骨關(guān)節(jié)假體，真正成為了患者身體的一部分。“3D打印技術(shù)賦予了個性化假體表面金屬骨小梁，從而實現(xiàn)了金屬假體—骨界面整合，這種理念和技術(shù)的突破，堪稱一個里程碑?！焙掠缽娬f。

個性化與安全化

3D打印又稱增材制造技術(shù)，是制造技術(shù)的一次革命性突破。目前來看，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。

那位新疆患者伊娜，發(fā)現(xiàn)行走時右髖部疼痛，到當?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?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，她得知上海九院骨科團隊應(yīng)用3D打印技術(shù)解決過許多醫(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。時值全國新冠肺炎疫情形勢嚴峻，各地防控要求嚴格，但伊娜的病情發(fā)展已容不得更多猶豫。幾經(jīng)周折，他們一家來到了上海。

結(jié)合相關(guān)檢查數(shù)據(jù)，郝永強團隊反復(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、制備了3D打印個性化骨盆腫瘤模型、3D打印個性化手術(shù)輔助導(dǎo)板、3D打印個性化骨盆重建金屬假體。

導(dǎo)入設(shè)計好的數(shù)字文件，給3D打印機鋪上一層細若微塵的鈦粉，輕輕按下“開始”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……只一天時間，1∶1比例的3D打印產(chǎn)品都準備好了。

手術(shù)中，郝永強團隊采取了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。

郝永強介紹說，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)生損傷等諸多問題。長期以來，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的世界性難題?！坝绕涫?0世紀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的唯一治療選擇，但即便僥幸活下來，生存質(zhì)量也極差?！焙掠缽娒枋隽水斈旯桥枘[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，實現(xiàn)了真正意義上的“個性化”與“精準化”。對醫(yī)生來說，也實現(xiàn)了復(fù)雜手術(shù)簡單化、危險手術(shù)安全化。在2018年度上海市科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，郝永強領(lǐng)銜完成的項目“骨盆腫瘤精準切除與個性化功能重建的關(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)進步獎一等獎。

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。如果工程師聽不懂醫(yī)生在說什么，醫(yī)生看不懂工程師在做什么，那么產(chǎn)品設(shè)計、制備和應(yīng)用上一定會出偏差！”郝永強說。

說到醫(yī)工交叉，責任首先在醫(yī)，因為醫(yī)生是個性化需求的提出者，也是最后把個性化治療方案與個性化醫(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)工交互過程中經(jīng)反復(fù)討論，最后由富有個性化醫(yī)療經(jīng)驗的醫(yī)生確定方案。參與其中的工程師其實也非常重要，他會把醫(yī)生提出的醫(yī)療需求通過工程學(xué)得以實現(xiàn)，再讓醫(yī)生應(yīng)用到患者身上。這個過程，每一環(huán)都是關(guān)鍵。

郝永強說：“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)計的工作模式。工程師必須進手術(shù)室看手術(shù)，看自己的設(shè)計在實際應(yīng)用中有沒有問題、如何優(yōu)化改進。包括術(shù)后隨訪，工程師也要參與，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。個性化醫(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)療理念及實踐的顛覆性革命?！?/p>

理念的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。醫(yī)生所承擔的醫(yī)療責任、所付出的辛勤勞動，要比標準化醫(yī)療多得多。每次手術(shù)前，醫(yī)生和工程師都會反復(fù)多次討論，應(yīng)用計算機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)計并3D打印個性化的骨骼病變模型及定制的個性化金屬假體。很多時候，這個過程少不了反復(fù)推敲。

多發(fā)力多點開花

上海九院的3 D打印團隊，越來越受到世界同行的關(guān)注。在這個領(lǐng)域辛勤耕耘多年，郝永強感觸良多。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)生可能會敬而遠之?！耙驗樾枰冻鎏?，太累了?！焙掠缽娊忉尩?，“骨腫瘤外科醫(yī)生不光會做手術(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)科合作團隊（MDT），為個性化假體設(shè)計及制備，又組建了醫(yī)工交叉多學(xué)科團隊?！闭驗檫@個工作復(fù)雜程度高、風險大，需要的團隊力量非常強，所以目前國內(nèi)大部分醫(yī)院還沒有開展。

這讓郝永強感覺到肩上的擔子很重：“我們需要盡快將個性化醫(yī)療理念及相應(yīng)技術(shù)推廣至全國， 造福于千千萬萬亟須治療的患者?！?/p>

2013年，上海九院在全國發(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20多個省、直轄市成立分中心，通過技術(shù)交流輻射，進一步推動了國內(nèi)醫(yī)學(xué)3D打印的發(fā)展。

2018年，全美規(guī)模最大、設(shè)備最先進的梅奧醫(yī)學(xué)中心骨科團隊，前來參觀上海九院的3D打印中心。此前一周，梅奧醫(yī)學(xué)中心骨科才開始利用打印骨盆模型來輔助完成骨盆腫瘤切除手術(shù)?！斑@件事，我們20年前就開始做了，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)雜程度等綜合來看，我們非常自信，我們走在了國際前沿?！焙掠缽娮院赖卣f。

為了更好地推廣個性化醫(yī)療理念及醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)，這些年來，郝永強團隊不遺余力地開辦國家級繼續(xù)教育學(xué)習班14次，國際會議12屆。通過舉辦學(xué)習班、手術(shù)示教、創(chuàng)立醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心全國聯(lián)盟、遠程會診等多種形式，將個性化醫(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打印個性化植入體“三位一體”治療模式及技術(shù)推廣到全國2 3個省、56家醫(yī)院。

“沒有骨骼的健康，就無從談‘大健康?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向是個體化、精準化。放眼未來，3D打印會越來越多地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域，同時以打印活性組織細胞、器官為代表的生物打印，有望在不久的將來應(yīng)用于人體?？萍几淖兾磥?，醫(yī)學(xué)3D打印可以幫助人類‘脫胎換骨，夢想成真?！边@是郝永強對學(xué)科的期待，對醫(yī)學(xué)的期待。