3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

徐鑫佳 周正皓 羅芳 張翠 楊偉業(yè)

摘要：3D打印技術(shù)，即在通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)堆砌出數(shù)字模型后，將該數(shù)字模型作為原始數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建與模型相同形狀的物體的技術(shù)。在本文中，通過(guò)文獻(xiàn)資料的搜集，對(duì)于3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用進(jìn)行概述，通過(guò)對(duì)過(guò)去3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用的發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)未來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展做出趨勢(shì)性預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);臨床醫(yī)學(xué);模型;臨床應(yīng)用

【中圖分類(lèi)號(hào)】 R4? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A? ? ? 【文章編號(hào)】2107-2306（2022）03--01

在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍也非常廣泛，例如，可以將一些較為罕見(jiàn)案例中患者患病的特定部位的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理，堆砌出原始模型，通過(guò)3D打印技術(shù)可以做出一模一樣的模型道具，用于醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)或是醫(yī)生的術(shù)前研討，有助于提高醫(yī)學(xué)手術(shù)的精確度和成功度。此外，包括患者的假肢，體內(nèi)植入物，外科手術(shù)夾具等，均可以通過(guò)3D打印技術(shù)制造。在本文中，通過(guò)文獻(xiàn)資料的搜集，對(duì)于3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的已有的運(yùn)用進(jìn)行概述，通過(guò)對(duì)過(guò)去3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用的發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)未來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展做出趨勢(shì)性預(yù)測(cè)。

1、3D打印技術(shù)在腦外科的應(yīng)用

3D打印技術(shù)應(yīng)用于顱骨修補(bǔ)、顱骨損傷、腦血管、腦腫瘤等各種方面，但在顱骨修復(fù)方面更加廣泛。在顱骨修復(fù)手術(shù)中合理的加入顱骨修復(fù)材料，不僅可以有助于顱骨形狀的復(fù)原，而且可以大大促進(jìn)大腦功能恢復(fù)。近年來(lái)，顱骨修復(fù)的材料也歷經(jīng)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(shù)手段的出現(xiàn)，材料的弊端會(huì)漸漸顯現(xiàn)出來(lái)，為了順應(yīng)技術(shù)與時(shí)代發(fā)展的需要，材料的發(fā)展必須與時(shí)俱進(jìn)。目前來(lái)看，在顱骨修復(fù)材料領(lǐng)域的研究中，專家對(duì)于鈦合金與聚醚醚酮的研究最為成熟[1]。3D打印技術(shù)的發(fā)展立足于影響數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)原始模型的加持下，通過(guò)降陶瓷粉末或金屬粉末等原材料進(jìn)行層層打印疊放，精準(zhǔn)堆砌，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)模型的變化，打印出任何形狀的物品，隨著技術(shù)的迭代與更新，臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域早已離不開(kāi)3D打印技術(shù)[2]。

腦CT血管成像已成為腦腫瘤、腦血管瘤等相關(guān)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(jiàn)三維重建圖像，但仍欠缺直觀的實(shí)物模型展示。隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的擴(kuò)展，以最初的CTA數(shù)據(jù)作為基本，實(shí)現(xiàn)腦動(dòng)脈及其鄰近組織結(jié)構(gòu)的3D打印，對(duì)于顱內(nèi)占位性病變的診治，提供了新的視覺(jué)、新的手段。腦動(dòng)脈3D打印可按1：1比例大小模擬腦內(nèi)血管結(jié)構(gòu)，明確病灶的位置、大小范圍及鄰近組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，為術(shù)前手術(shù)方案的制定，模擬手術(shù)過(guò)程提供幫助;同時(shí)對(duì)避開(kāi)重要神經(jīng)功能區(qū)，減少術(shù)后并發(fā)癥具有重要意義[3]。

2、3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用

（1）打印實(shí)物模型。通過(guò)X線等影像資料，在臨床實(shí)際工作中，特別是在骨科方面，是在骨科手術(shù)之前進(jìn)行術(shù)前分析和術(shù)前討論的一項(xiàng)常規(guī)檢查和操作，但是這些傳統(tǒng)的圖像資料，對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)、空間感的醫(yī)生來(lái)說(shuō)比較抽象，如果運(yùn)用3D打印技術(shù)，就可以對(duì)患者進(jìn)行模型制作，將骨折形態(tài)通過(guò)具體的3D模型展示出來(lái)，使得醫(yī)務(wù)人員可以清楚的了解病變的位置、嚴(yán)重程度以及提供更為準(zhǔn)確、逼真的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。目前，3D打印技術(shù)在尸體標(biāo)本和臨床實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用取得令人了滿意的效果，成功制作出了骨科實(shí)物模型，成為進(jìn)行骨科手術(shù)術(shù)前模擬、方案設(shè)計(jì)、術(shù)中輔助手術(shù)操作等方面的有效工具[4]。

（2）打印手術(shù)導(dǎo)向的模板。隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與數(shù)字化信息技術(shù)的快速發(fā)展，將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的模式早已存在多年，進(jìn)而在手術(shù)中，通過(guò)3D打印技術(shù)產(chǎn)生的手術(shù)導(dǎo)向模板的應(yīng)用數(shù)量也在逐年攀升，這種通過(guò)3D打印技術(shù)產(chǎn)生的手術(shù)導(dǎo)向模板與傳統(tǒng)手術(shù)模板存在諸多差異，相比較而言，其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①有助于提高定位螺釘打入的準(zhǔn)確性與精確度，大大提高人體關(guān)節(jié)手術(shù)的成功概率;②簡(jiǎn)化手術(shù)操作，即使是三維空間及方向感較差的醫(yī)師也可以靈活適應(yīng)，使負(fù)復(fù)雜難搞的手術(shù)的變得現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單、容易;③X線透視次數(shù)減少，患者及術(shù)者放射線輻射量也得到減少;④進(jìn)行個(gè)體化治療，如果能對(duì)術(shù)中骨性異常部位及生理骨骼解剖標(biāo)志準(zhǔn)確的找到定位點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化治療，一對(duì)一治療。⑤節(jié)省了空間，降低了感染率，減少了操做復(fù)雜程度，這是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)不開(kāi)相比的[5]。

（3）打印內(nèi)植物。在骨科疾病中，由于骨組織損傷，骨關(guān)節(jié)的相應(yīng)功能也會(huì)受損。而骨組織損傷的情況往往較為復(fù)雜，所需的骨內(nèi)置物形態(tài)不一，功能也不同。傳統(tǒng)的支架及內(nèi)置物形態(tài)、款式、功能較為固定和單一，都是按照型號(hào)來(lái)定制。應(yīng)對(duì)常規(guī)的骨折損傷也行能應(yīng)對(duì)，但對(duì)于稍微復(fù)雜的骨組織損傷，就較難很好的應(yīng)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(shù)，不僅符合患者自身體質(zhì)，而且做3D打印的個(gè)體化定制的植入骨科內(nèi)植物具有復(fù)雜形狀、層次和結(jié)構(gòu)，不僅起支撐作用，還具有較強(qiáng)的生物活性，且制作所需時(shí)間相對(duì)較短、操作現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)便，為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制提供了更多的可能性。就連類(lèi)似于骨小梁的微孔結(jié)構(gòu)，3D技術(shù)也可以輕松應(yīng)對(duì)[6]。

（4）打印骨科康復(fù)器械。傳統(tǒng)方法制作的骨科康復(fù)器具很難滿足患者個(gè)體化的需求，影響佩戴的舒適度甚至康復(fù)效果。通過(guò)3D打印技術(shù)，運(yùn)用不同材料例如金屬、塑料、陶瓷等打印出不同材質(zhì)的產(chǎn)品，可根據(jù)不同病癥、不同要求、不同尺寸康復(fù)器進(jìn)行個(gè)性化定制，使打印出的器械精確接近解剖結(jié)構(gòu)，更貼合于人體。使用3D打印，對(duì)于正在生長(zhǎng)發(fā)育的兒童來(lái)說(shuō)，能使成本大幅較低，相比于傳統(tǒng)骨科康復(fù)器材的頻繁跟換，3D打印是非常實(shí)惠的[7]

3、3D打印技術(shù)在器官上的應(yīng)用

在臨床應(yīng)用中，3D打印技術(shù)也可廣泛應(yīng)用于定位器官，比如在肝臟手術(shù)過(guò)程中。目前，在外科手術(shù)領(lǐng)域，一般患者發(fā)現(xiàn)患有惡性腫瘤疾病后，為了最大程度的有效抑制后續(xù)病情的繼續(xù)惡化，所以醫(yī)生大多建議患者通過(guò)外科切除手術(shù)進(jìn)行治療。雖然外科切除手術(shù)的對(duì)病情的作用顯著，但由于其內(nèi)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生理構(gòu)成具有特殊性，所以在進(jìn)行手術(shù)操作過(guò)程中，難度系數(shù)較大，一旦出現(xiàn)意外操作，很可能對(duì)患者產(chǎn)生巨大危害[8]。該類(lèi)疾病能否成功痊愈極度依賴手術(shù)切除過(guò)程中，主刀醫(yī)生對(duì)切除精度的把握，例如，對(duì)腫瘤定位的精準(zhǔn)掌握與肝臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)掌握等[10]。在治療過(guò)程中，通過(guò)將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入到專業(yè)的軟件平臺(tái)，可以通過(guò)三維技術(shù)對(duì)患者患病器官的內(nèi)在結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化構(gòu)建，包括平面構(gòu)建、立體構(gòu)建、局部及整體構(gòu)建，滿足醫(yī)生對(duì)于病情的研究需要。此外，還可以對(duì)患病器官進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬切割操作，模擬手術(shù)過(guò)程，提高醫(yī)生制定手術(shù)預(yù)案的效率，大大提高手術(shù)成功的概率。最后，將該平臺(tái)的模擬數(shù)據(jù)鏈接保存到3D打印機(jī)中，在選擇合適的打印材料過(guò)后，可以進(jìn)行3D仿真打印，進(jìn)行可觸摸式的手術(shù)模擬，并進(jìn)一步對(duì)手術(shù)預(yù)案進(jìn)行完善[9、10]。

4、3D打印技術(shù)在牙科的應(yīng)用

在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，假牙是必不可少的，從最開(kāi)始的制作金屬牙到現(xiàn)如今的陶瓷牙，技術(shù)在不斷的進(jìn)步。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的深入研究，我們可以漸漸發(fā)現(xiàn)醫(yī)用合成金屬之間存在的差異與聯(lián)系，在合金的制造過(guò)程中，通過(guò)工藝材料的改良，可以有效加強(qiáng)合金密度，進(jìn)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(guò)程中，通過(guò)激光對(duì)其表面進(jìn)行加工，可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，提高牙齒表面的溫度，但該熱量會(huì)在較短的時(shí)間里散發(fā)，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(shù)所具有的激光加工功效，可以促進(jìn)顆粒感的產(chǎn)生，所以3D打印技術(shù)可以產(chǎn)生比鑄造合金更高的強(qiáng)度[11]。

以目前的技術(shù)來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)結(jié)合光固化成型技術(shù)與牙科陶瓷的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，并且為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，會(huì)更加的追求精致，因此牙科陶瓷具有非常廣泛的發(fā)展前景。

5、討論

本文對(duì)臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)3D打印技術(shù)的廣泛運(yùn)用進(jìn)行了細(xì)致介紹。從目前的情況來(lái)看，我們可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)現(xiàn)如今在我國(guó)臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)深受喜愛(ài)，無(wú)論是術(shù)前診斷還是手術(shù)中的輔助工具，3D打印技術(shù)都對(duì)臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了不可替代的重要作用。雖然3D打印技術(shù)的應(yīng)用廣泛，但是其實(shí)我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展仍處于研究階段，只有一部分技術(shù)投入到了實(shí)際運(yùn)用中，在未來(lái)的技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，對(duì)于打印的精準(zhǔn)度與打印材料的研究將會(huì)成為重點(diǎn)研究對(duì)象。此外，隨著打印技術(shù)的升級(jí)，打印設(shè)備的高昂成本也是急需解決的問(wèn)題之一，對(duì)于優(yōu)化打印設(shè)備成本方面還有很長(zhǎng)的路要走。我相信，隨著社會(huì)需求的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的完善，3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用程度將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，其機(jī)器造價(jià)過(guò)高的問(wèn)題也會(huì)找到合適的解決方案。

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通訊作者：楊偉業(yè)，男，研究生，講師，研究方向：光學(xué)工程。

基金項(xiàng)目：遵義醫(yī)科大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。

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