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河北大学附属医院开发低成本、高精度的3D打印肝脏模型新方法

导读: 在肝脏外科领域,术前获得一个高精度并具备完整肝脏内部组织信息的3D打印模型做为手术引导模型已经被证实能够极大地提高手术安全性、减少术中出血并降低术后并发症的发生率。

  在肝脏外科领域,术前获得一个高精度并具备完整肝脏内部组织信息的3D打印模型做为手术引导模型已经被证实能够极大地提高手术安全性、减少术中出血并降低术后并发症的发生率……

  河北大学附属医院开发低成本、高精度的3D打印肝脏模型新方法

  在肝脏外科领域,术前获得一个高精度并具备完整肝脏内部组织信息的3D打印模型做为手术引导模型已经被证实能够极大地提高手术安全性、减少术中出血并降低术后并发症的发生率。但是,使用工业级多喷头全彩3D打印机制作一个1:1精准肝脏模型仅其材料成本就高达3000-4500美金,仅有个别患者能够负担。更加高昂的机器成本使得只有很少的医院才能配备。而FDM3D打印机不仅速度低、精度难有保障,对于复杂交叉嵌合的三系肝脏血管网的打印更是力不从心,难以用于复杂肝脏外科的手术规划。

 河北大学附属医院开发低成本、高精度的3D打印肝脏模型新方法

  河北大学附属医院程树杰教授的团队在全球范围内第一次使用两台配备水冷系统的高速LCD-SLA3D打印机,以0.1mm层厚,仅耗费4小时左右,采用高速光敏树脂材料完成了肝脏所有内部结构和肝脏外壳的并行打印。分别一次打印成型所有肝脏内部结构和肝脏外壳,然后利用改良的传统转模法进行一次精确配准后,利用高透明度树脂材料完成了患者特异性的肝脏模型(patient-specificmedicalmodels)的制作。因其肝脏内部结构为一次打印完成,故该模型不仅能清晰地看到癌肿,并且其与周围的毗邻血管的实际测量距离与电脑三维模型上的测量距离在各个方向上的误差均小于0.7mm。在大幅度缩短打印时间、提高打印精度的前提下,对比其他各种打印方法,进一步降低了模型制作成本,进而实现了手术效率、精准度的极大提高。

  河北大学附属医院开发低成本、高精度的3D打印肝脏模型新方法

  完成后的模型既能清晰可见精准的肝脏(包括精细表面、高通透性的实质),还有肿瘤和内部完整的三系5-6级血管网(主干按第一级计算),血管末端直径达到了CT层分辨率极限(亚毫米级)。经反复精度论证后程树杰教授认为目前河北大学附属医院开发的透明全彩、高精度肝脏术前规划模型的制作方法完全可以胜任辅助开展一系列高难度、精准化、个性化的肝胆外科手术。并且经过进一步改良目前的方法可制作更为复杂的肝脏手术规划模型,使以往外科医生认为不可能完成的复杂疑难手术变为可能。

  河北大学附属医院开发低成本、高精度的3D打印肝脏模型新方法

  程树杰教授指出:目前3D打印已经应用在包括骨科、神经外科、妇产科、整形科、口腔科等多个学科。作为三维可视化的最高形式,3D打印与单纯的电脑3D建模相比,因3D打印具有立体视觉、触觉、位置觉的反馈,其对手术医师的信息反馈更加丰富、对手术指导的意义更大。但因为肝脏内部三系血管网和胆管的复杂结构难以精准打印;而多喷头透明全彩打印机高昂的设备价格和耗材价格,近年来在医学3D打印高速发展的背景下,肝胆外科领域仍局限在三维可视化辅助手术规划的领域。而以FDM打印机打印肝脏模型因其需要多次配准拼装,故制作误差产生的步骤也相应较多。同时其低速打印和低精度的固有特性限制了其在复杂手术领域的应用。以河北大学附属医院开发的高精度配准方法,按1:1比例打印的3D模型清晰显示了肝脏恶性肿瘤切除的复杂性,仅一次低装配误差产生步骤,满足了手术团队根据模型进行充分的术前评估和规划的需求,无疑为未来肝脏外科应用3D打印导板、植入物和人工肝脏的研究打下了坚实的基础。而制作成本仅为80-90美元左右。术后如果临床医生认为病例有临床教学价值,立即可以进行教具的批量制作。教学模型的制作省去了模具的制作环节,制作时间成本和材料成本会进一步降低。所以该方法极大促进了科研、临床、和教学工作。

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