3D打印技術在醫療救援中的應用

劉志超，楊 炯，王曉楓，劉海峰

3D打印技術在醫療救援中的應用

劉志超，楊 炯，王曉楓，劉海峰

目的 通過3D打印技術制作實物模型或醫療輔助器械，使醫療救援過程中的診治方法更加直觀化、便捷化、精確化。方法 利用車載式磁共振成像系統配套裝備的3D打印設備，借助熔融沉積制造(fused deposition modeling,FDM)技術，使用熱塑性材料在計算機的控制下，快速制作各種實物模具和醫療輔助器械。結果 利用車載式MRI系統配備的3D打印設備不僅能夠制作射頻接收線圈模具，還可應用于醫療救援中術前策劃、術中導航、定制手術輔助器械，以及定制假體等，滿足救援現場需求。結論 3D打印技術作為車載式MRI的配套設備在救援現場診斷及治療方面可發揮重要作用。

3D打印技術；車載式磁共振成像系統；醫療救援；射頻接收線圈

3D打印技術是一項革命性的產品開發制造技術[1]，通過計算機輔助設計讀取數據[2]，通過材料熔融等技術，使特定的金屬粉或可塑性高的材料熔化，按模型圖的尺寸層層疊加“鑄造”出相應的產品，最終把模型圖變成實物[3]。3D打印技術具有個性化、精準化[4]等特點。諸多報道指出，3D打印技術適用于許多臨床領域。例如，運用3D打印技術與多光子聚合技術成功打印出人造血管[5，6]，利用細胞混合物凝膠可以逐層構建打印器官[5]，應用3D打印技術精確復制顱骨標本[7]等。

新近研制出一種基于開放型永磁核磁設備的車載式MRI系統[8]，將應用于戰爭或自然災害等惡劣環境的現場救援，為患者提供快速、準確、優質的影像診斷服務。該車載式MRI配備的3D打印設備，主要用于射頻接收線圈模具的制作。在應用過程中，發現該3D打印機同樣可以應用于醫療救援領域的多種環節。

1 救援現場診斷應用

1.1 制作車載MRI系統的射頻接收線圈模具 磁共振接收線圈是接收人體釋放能量，并將信號送往譜儀分析從而產生MR信號的關鍵部件。日常使用的磁共振接收線圈按其結構形態區分為剛性線圈(如頭頸聯合線圈、脊柱線圈等)和柔性線圈[9]。運用3D打印技術中FDM技術將聚乳酸加熱熔化到半流體態，在計算機輔助設計(computer aided design,CAD)下，根據所需輪廓信息，噴頭將半流態材料擠壓，凝固后形成輪廓狀的薄層，最后進行固化，制作而成磁共振接收線圈模具。使用3D打印技術制作任意形態結構的線圈磨具能夠簡化傳統線圈制備步驟，縮短傳統線圈模具制作的繁瑣程序，使用更加便捷高效。更重要的是，能夠滿足救援現場不同患者、不同部位的MRI診斷需要。

1.2 制作數字化實體模型，用于術前策劃 在災害搶救現場，經常會遇到復雜骨折的病例。然而，傳統的膠片是用二維顯示的效果呈現三維影像數據，故不能很直觀地了解骨折情況。但3D打印的三維數字化實體模型就能彌補這一缺陷，有助于術前評估及手術方案的確立。利用患者的CT或者MRI數據逆向數字建模，再通過3D打印機快速獲得手術部位的實體模型，進行術前策劃(圖1)。

圖1 用于術前策劃的數字化實體模型

Bianchi等[10]對一個離體下頜骨CT斷層掃描三維重建，根據重建數據利用選擇性激光燒結法(selective laser sintering，SLS)制作了該下頜骨的數字化實體模型，總體誤差在4.1%以內，且解剖細節清楚。除了進行術前模擬策劃，還可以通過3D打印技術模型向患者及家屬詳細講解病變的復雜性及手術操作的危險性，以取得患者及家屬的理解與配合[11]。

2 醫療救治過程應用

2.1 術中導航 復雜骨折復位，尤其是關節粉碎性骨折的復位，是救援現場難以處理的手術種類之一。傳統復位方法準確性差、耗時長、創傷大，螺釘進入關節腔、突破椎弓根的情況時有發生。借助計算機輔助技術設計術中導航模板，利用3D打印技術快速制作，可為術中骨折復位、確定釘道方向、骨折畸形愈合矯形、截骨的大小及角度等提供有效的幫助[12]。不僅能夠提高手術的精準度、縮短復位手術時間，還會減少術中X線的應用，并且對后續內固定的放置及髓內釘置入提供幫助，從而確保手術效果。何興容等[13]制作的股骨遠端關節內粉碎性骨折術中導航模板，成功應用于股骨遠端關節內粉碎性骨折患者；Bagaria等[14]將術中導航模板應用于復雜骨折，包括骨盆、髖臼及股骨內側髁的骨折。這些結果顯示，導航模板有助于術中骨折的解剖復位并相應的縮短手術時間，減少術中出血及麻醉藥物的應用。

2.2 快速定制假體 3D打印技術無需任何模具，只要提供CAD圖形數據及打印耗材，就能快速生成任何形狀的生物假體，可以在救援現場為患者進行個性化假體快速制作。早在1979年，Alberti[15]就提出以CT數據構建物理模型的方法，構建了纖維肉瘤患者的骨盆模型，并以此模型為患者定制了彌補腫瘤切除術后骨盆缺損的金屬內置物[16]。假體的快速制備對于災害救援現場處置突發情況提供了有力的醫療保障。

2.3 現場定制手術輔助器械 在外科手術中，通常在患者的二維影像中無法獲取缺損部位空間隱藏的信息，為保證使病變部位的解剖形態具體化，并根據具體的情況制作專門的輔助器械，應用3D打印技術建立手術部分的模型，并制作與之相匹配的導板等輔助器械，可有效地保證野外條件及后送手術的完成質量。例如，根據患者牙床的三維設計模型和鉆孔尺寸設計出一組具有不同孔徑的導板與局部骨骼，進行裝配、局部打磨修整，即可制作出良好的手術輔助器械[17]。又如，Christian等[18]通過3D打印技術治療顴骨創傷畸形，將創建的右顴骨導向定位在手術確定位置中，順利完成手術。

3 討 論

3.1 3D打印技術在醫療救援過程應用的優勢 3D打印技術的靈活性與任意可塑性在應用于突發災害現場的特殊部位外傷檢診時，同樣可發揮重要作用。在現場處置突發事件時，傷情相對復雜，復合傷等特殊傷情均需要各種部位的線圈樣式，3D打印可以隨時根據受傷部位定制線圈，有助正確判斷傷情。另外，進行快速檢診，保證優質成像，且現場只需攜帶打印設備及原料，無需攜帶多種線圈，符合車載式磁共振設備機動性強的基本要求。

3D打印技術以精確的三維物理模型，將復雜的骨折情況更直觀地展示在醫師面前，使救援現場復雜骨折傷情的評估及分型變得十分容易，使術前診斷更加明確，從而可極大地提高手術效率；計算機設計的術中導航模板可以通過3D打印進行快速制作；精確的術中定位可明顯減少X線透視的使用次數，對患者及醫師的健康都十分有利。

3.2 3D打印技術在醫療救援應用的不足與展望 3D打印技術應用于醫療救援領域還處于初步探索階段，隨著研究的深入，仍有些問題需要改善，如(1)本研究首次將3D打印技術應用于車載式磁共振射頻接收線圈磨具的制作，各部位線圈的設計尺寸與耐用度有待進一步驗證；(2)雖然3D打印的成本隨著該技術的發展已經逐步降低，但是三維數字化實體模型的成本比普通的膠片仍較高；(3)個別患者的感染說明模型或者模板的消毒或許仍然存在一些問題[19]；(4)術中導航模板產生的碎屑是否會對人體產生危害還有待進一步論證；(5)醫療救援隊員對于3D打印技術的認知及操作還不夠熟練等。

作為現代救援領域嶄新的技術手段，3D打印技術的效果還需要大量救援實踐和臨床數據的進一步驗證。但隨著專業領域的科技進步，相信此技術在醫療救援中的應用會越來越廣，兩者的結合將更加緊密，優勢將更加凸顯，必將為救援現場提供更為全面高效的醫療保障支持發揮重要作用。

[1] 笪 熠，陳 適，潘 慧，等.3D打印在醫學教育中的應用[J].協和醫學雜志，2014，5(2)：234-237.

[2] Rengier F，Mehndiratta A，Tengg-Kobligk H，etal.3Dprinting based on imaging data：reviewof medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5：335-341.

[3] 趙 陽.3D打印技術及應用[J].電腦知識與技術，2013，9(6)：1536-1538.

[4] 周偉民，閔國全，李小麗.3D打印醫學[J] .組織工程與重建外科雜志，2014，10(1)：1-3.

[5] 管 吉，楊樹欣，管 葉，等.3D打印技術在醫療領域的研究進展[J].中國醫療設備，2014，29(4)：71-73.

[6] 張文燕.3D打印醫學未來[J].中國醫院院長，2013，12(12)：60-62.

[7] Arvier J F，Barker T M，Yau Y Y，etal.Maxillofacial biomodeling[J].Br J MaxillofacSurg，1994，32：276-283.

[8] 劉志超，楊 炯，王曉楓，等.車載式磁共振成像系統的研制[J].中國醫學裝備，2014，11(5)：40-43.

[9] 楊成才.延長磁共振線圈使用壽命的方法技巧[J].臨床工程，2011，26(11)：78-79.

[10] Bianchi S D，Ramieri P P.The validation of stereolithographic anatomical replicas:the authors own experience anda review of the 1iterature [J].Radiol Med(Torino)，1997(94)：503-510.

[11] 李珈萱，趙夢雅.3D打印技術助力臨床醫學的發展[J].電腦知識與技術，2013，32(9)：7323-7326.

[12] 張志昌，鄭 稼，張新勝，等.3D打印技術在創傷骨科中的應用[J].河南醫學研究，2014，23(3)：160-161.

[13] 何興容，楊永強，吳偉輝，等.粉碎性骨折個體化手術模板的選區激光熔化直接成型研究[J].生物醫學工程學雜志，2010，3(8)：519-523.

[14] Bagaria V，Deshpande S，Rasalkar D D，etal.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol，2011，80(3)：814-820.

[15] Alberti C.Three dimensional CT and structure models [J].Br J Radiol，1980，53(627)：261-262.

[16] Tonner H D，Engelbrecht H.A new method for the preparation of special alloplastic implants for partial replacement of the pelvis[J].Fortschr Med，1979，97(16)：781-783.

[17] 劉云峰，徐俊華，董星濤，等.實現精確種牙的現代設計與制造技術[J].機械工程學報，2010，46(5)：150-157.

[18] Christian H, Matthieu K，Jean-Luc B,etal.Rapid prototyping in craniofacial surgery：Using a positioning guide after zygomatic osteotomy e A case report[J].J Cranio-Maxillo-Facial Surg，2011，39:22-35.

[19] Tricot M，Duy K T，Docquier P L.3D-corrective osteotomy using surgical guides for posttraumatic distal humeral deformity[J].Acta Orthop Belg，2012，78(4)：538-542.

(2014-05-06收稿 2014-09-20修回)

(責任編輯 梁秋野)

3D printer as fixed equipment of MRI used in medical rescue

LIU Zhichao,YANG Jiong,WANG Xiaofeng,and LIU Haifeng.

Medical Administration Division, General Hospital of Chinese People’s Armed Police Forces,Beijing 100039,China

Objective To manufacture a model or an auxiliary medical appliance by 3D printing technology,to make diagnosis and treatment of medical rescue process intuitive,convenient and accurate. Methods Using the 3D printing device of MRI system and FDM technology, the thermoplastic material under the control of the computer, the rapid production of various dies and auxiliary medical appliances. Results Using the 3D printing device equipped in a vehicle with mounted MRI system can not only make the RF receiving coil mould, also can be applied to the medical rescue in preoperative planning, intraoperative navigation, customized operation auxiliary instrumentand, and custom-made prosthesis in actual rescue scene. Conclusions 3D printer as matching equipment of MRI system plays an important role in the clinical diagnosis and therapy in the rescue scene.

three-demensional printing;vehicular MRI system;medical rescue;RF receive coil

武警部隊后勤科研項目(WHKL-26)

劉志超，碩士研究生，醫師，E-mail:lvezcy@126.com

100039北京，武警總醫院醫務部

劉海峰，E-mail：haifengliu333@163.com

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