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【深度好文】医学3D打印中的关键技术

2017-04-28 10:26
小鱼时代
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一、前言

3D 打印被公认为是推进第三次工业革命的技术之一。尽管它源自工业制造,但一开始就受到医学界的关注。我们在上世纪90 年代开展个体化骨科植入物CAD/CAM技术研究中及时引入3D打印技术,并在2004 年获得国家科技进步奖二等奖。

和工业3D打印不同,医学3D打印有其自身的技术体系。随着今天这项技术在医学领域广泛应用,很多关键技术被赋予了新的内容,并处于进一步发展之中。

二、医学影像生成、处理与三维重建技术

医学影像是医学3D打印的数据源。

上世纪90 年代,各著名品牌医学影像设备输出的数据格式很不统一,这给我们开展3D打印带来很多困难,当时不得不研究与各种设备的接口软件,以获取影像设备输出的数据。今天,所有影像设备都统一为DICOM格式,为3D打印的推广应用带来了很大的便利。

目前,骨骼CT 数据的处理和建模工作已非常成熟。由于在CT 图像中骨骼和周边其他组织之间的灰度值差异比较清晰,因此,目标组织分割和建模工作最先取得突破,开发出很多骨骼CT 数据处理与建模软件。很长一段时间国内外广泛运用Materialise 公司Mimics 软件,而今我国已经开发出很多具有自主知识产权的软件。

随着3D 打印在医学中的推广应用,很多涉及软组织的外科领域也开始运用3D打印技术,这对图像处理和建模技术提出了新的要求。如果骨骼周围的血管在造影时添加了对比剂 ( Contrast Agent ),可获得边界清晰的图像,它的建模工作和骨骼几乎一样方便。但是,软组织的影像主要来自于MRI,它的处理比CT 数据困难。更重要的是,为了将有些软组织在影像中清晰地显现,必须对MRI设备进行专门的参数调整,这给临床使用带来很多麻烦。此外,有些软组织的影像必须通过各种其他影像设备来获取,这就涉及到多模图像配准与融合技术,对于软组织目前还是一个研究项目。因此,为满足软组织3D打印,我们须要和影像学专家合作开展如下技术攻关工作:

1. 清晰的影像数据获取技术。首先须要将涉及肝、胆、脾、胰、肾,心脏和肺的影像生成技术进行系统地研究,针对不同的影像设备,提出最佳的调整参数,形成一套标准规范,使得后续工作获得很好的影像数据条件。

2. 目标软组织自动分割技术。图像中具有很多非相关的组织,目前只能通过手工予以擦除,这在临床中无法推广使用。因此,必须基于解剖学知识建立一个专家系统,用来自动( 至少半自动) 处理,才能使这项工作成为临床可应用技术。

3. 多模图像配准和融合技术。由于软组织医学影像常常来自多种影像设备,这是绕不过去的研究课题。

软组织外科3D 打印要做到像骨科那样快速方便尚有待时日。

三、人体目标组织3D模型打印与临床应用技术

继X 光、CT/MRI 发明后,3D打印模型是在临床医学中具有第三个里程碑意义的技术。当前两者提供的影像数据不能满足医生手术规划需求时,今天可通过1:1 精准的打印模型直观地观察人体目标组织,从而做出诊断和手术规划。

图1 是港大深圳医院的案例。一位六岁患者下肢严重畸形( 图1a),依据传统的X光和CT数据医生无法做出完美的手术规划。通过打印模型( 图1b),医生不仅看清患者畸形的状态,而且术前做出了精准的手术规划,保证了手术的完美进行( 图1c )。该儿童通过后续康复治疗恢复了行走能力( 图1d)。

图1 3D打印模型支撑小儿下肢严重畸形矫形手术案例

图2 是上海复旦大学附属儿科医院2016 年连体婴儿手术案例。通过3D 打印模型可以观察到会阴部骨骼长合的状态,从而做出精准的手术规划和术前准备工作。

图2 3D打印模型支撑连体婴儿分离手术案例

中华医学会数字医学分会数字骨科学组将发表一个专家共识,列出建议用模型来指导手术规划的适应症,医生可以参照开展有关工作。这里须要关注如下问题:

1. 模型的精度。根据我们用牛骨通过CT 拍摄和建模打印,最后得出结论:只要设备调整到位,模型和实物之间的误差可以控制在0.2mm以下,完全满足临床需求。

2. 打印速度。我们坚信打印模型将成为医院的常规技术,医生让患者去影像科打印模型,就像让患者拍X 光或CT一样,成为常态。这就需要打印的速度尽量快,做到医生当天就能获得模型和患者进行沟通。

3. 打印件的强度。如眼科,其框底骨组织厚度很薄,尺寸微小,有些打印工艺的模型强度不够,造成局部缺失,影响医生的诊断和手术规划。一般来说选择性激光烧结(SLS)、和光固化(SLA) 等技术打印的模型强度和细微度较高。

4. 支撑的处理。这是一个非常重要的因素。像图3 所示的模型我们必须采用无支撑的方式进行打印,因为微细血管的体积几乎和支撑处于同一数量级,去除支撑将损坏模型的结构。现在很多3D打印机通过双喷头技术打印蜡或在水溶液中能溶解的支撑材料,从而将支撑的去除做到无损伤。

图3 钟世镇院士血管灌注解剖标本的3D打印复制

5. 打印成本。技术/ 经济性能是重要的综合指标。为支撑上海市第一人民医院母子拼肝手术,我们直接用美国 Stratasys — Connex 3 设备打印,如图4a所示,质量固然很好,但成本高昂,只能用作科研服务,根本无法在临床中推广。我们对打印工艺进行改进,使模型既满足医学需求,成本又降低到患者可以承担,如图4b 所示。

图4 两种不同打印工艺制作的肝脏模型

结论:必须根据临床需求专业地选择打印设备,用一个简单的FDM桌面机到处为医院作打印服务的现象颇显混乱。

四、基于3D模型的个体化植入物制作

个体化治疗是21 世纪临床医学发展方向之一。上海交通大学和原上海第二医科大学早在上世纪80 年代就合作开展个体化人工关节置换的临床研究,图5 是当时的一个成功案例:患者的两个髋关节先天发育不正常( 图5a );通过CT 数据图像处理和三维建模,获得计算机屏幕上的骨骼三维模型( 图5b);但它还不能满足“量体裁衣,度身定做”个体化关节的需求,为此关注到国外发展的快速原型技术。鉴于国内当时尚无这种设备,我们根据其原理,按CT 片切割塑料板,手工堆积制作了骨盆和髋关节的实体模型( 图5c ),设计制造了个体化人工髋关节( 图5d),手术取得了成功( 图5e )。这项个体化关节置换技术通过产业化在国内推广应用,获2004 年国家科技进步奖二等奖。

图5 3D打印模型支撑下完成的个体化人工关节置换案例

利用3D 打印模型预制接骨板的技术已成为今天临床广泛应用的技术。

长期以来,个体化植入物主要通过切削加工中心制造,时间长、工艺复杂。金属直接3D打印的出现成为个体化骨科植入手术的强大推力,它能快速地制作形态复杂的植入物。图6 是国内北京大学第三医院和第四军医大学西京医院的一些成功案例。

图6 两大医院的成功案例

金属3D打印最大的优势是可以制作多孔结构骨科植入物,它是传统切削加工无法实现、而又是骨科植入物迫切需要的结构,具有如下优点:

1. 可以用比较轻的重量实现三维解剖结构的几何仿真。

2. 可以通过不同的多孔结构、孔径、孔隙率的变化,调整植入物的刚度,改善植入物的应力遮挡效益。

3. 多孔表面通过微纳米修饰技术,可以实现植入物和骨组织、甚至软组织的长合。

4. 可以在孔隙内植骨或生成组织工程化骨,降低植入物中人工材料的用量,增加生命骨的成分,将骨科植入物设计提升到一个新的技术层面。

多孔金属植入物设计的关键技术有:

1. 生物力学的优化。应该通过基本的金属框架结构实现力学承载能力,而用多孔结构填充其间,满足解剖形态的需求。人体松质骨中骨小梁是沿主应力方向生长的,它将成为力学设计的仿真依据。

2. 孔径和孔隙率的优化。过大、过小的孔径都不利于和周边宿主骨的长合,一般300 微米至500 微米比较合适。300微米以下孔径的打印物,其内部残余粉末的清除将遇到困难。

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