醫學診斷領域3D打印技術應用現狀與展望

吳捷欣+陳強+張曉峰+楊越雄

摘 要：隨著3D打印技術的不斷發展成熟，該技術在醫學領域有了很多成功的范例。3D打印技術可根據臨床需要制作不同器官、不同部位、不同材質的醫學模型，有效幫助醫生制定手術方案，提高手術精度、降低手術風險、縮短手術時間、減少醫患矛盾。3D打印醫學模型將會在醫學診斷中有廣泛的應用前景。

關鍵詞：3D打印 醫學模型 增材制造 臨床診斷

中圖分類號：R319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（c）-0120-02

被稱為第三次工業革命的3D打印技術[1]又稱3D快速成型技術。隨著3D打印技術在各領域的廣泛應用，3D打印醫學模型制造成為在醫學領域應用的范例。該文在查閱大量文獻的基礎上，分別從3D打印技術制作模型的過程、在醫療診斷領域的實例應用等方面進行介紹，以3D打印為出發點，介紹3D打印技術在醫療診斷領域的發展狀況，并結合3D打印醫學模型的認識和存在的問題，展望3D打印技術在醫學診斷領域的未來前景與發展趨勢。

1 3D技術制作模型的過程

通過CT掃描得到DICOM圖片，采用高性能圖形處理服務器和三維軟件進行數據處理、三維重建，高清晰度放大，再通過工業級的3D打印機采用ABS材料，精確3D打印制作，得到等比例的三維模型。

2 3D技術在醫療診斷領域的實例應用

自1990年3D打印技術開始應用于醫學領域后，該技術在醫學領域也有了很多成功的范例。在骨科領域，Won等[2]、Sciberras等[3]成功將該技術應用于疑難髖關節手術治療中，根據實際情況制定出適合每位患者的個性化手術方案，甚至為特殊患者制備有針對性的假體[4]，提高了診斷的準確率與手術的精確度，使本來難度較大的髖關節治療手術變得更簡單；在骨科領域中，3D打印技術在骨組織修復重建、骨科個性化治療等方面也取得了較廣泛的應用[5]，并且一些骨科鈦合金打印體已經應用于臨床并取得了較好的治療效果。目前，筆者所在團隊已為多家有影響力的醫院提供3D打印服務，打印的模型包括骨科、脊柱外科、腫瘤科等方面。

2.1 骨科診斷領域

2.1.1 副拇指畸形

雖然副拇指畸形矯正手術并不算是個高難度的手術，但當患者是成年人時，如何跟患者解釋手術過程顯得格外重要。3D打印手術模型可以方便地幫助醫生向患者展示他的畸形指骨，了解手術過程。術后醫生也可以作為教學模型與其他醫生分享交流，可讓參與醫生更直觀地了解病人術前狀況。

2.1.2 髖骨損傷

對于骨科醫生而言，手術治療髖臼骨折是一項巨大的挑戰。經典的髖臼內固定操作需要對骨盆深部結構進行廣泛的顯露，這種外科顯露可以產生明確相關的并發癥。為了減少手術創傷，降低手術相關并發癥，通過三維重建髖臼骨折部位，再用3D打印骨折部位的髖臼骨模型，手術醫生可以直觀觀察到骨折部位的解剖結構，可以提前研究手術方案并進行預演，提高了手術的質量和安全性。

2.1.3 脊柱側凸畸形

由于脊椎手術本身特點及脊柱的結構復雜，脊柱手術難度和危險性高。許多手術技術需要進行復雜的立體操作，這些操作在非可視的情況下進入脊柱的腹地，會進一步增加手術的風險性。因此，更可靠、更安全、更易于實現的3D打印脊柱模型對脊柱手術的術前評估起著重要的作用。

2.2 腫瘤科

2.2.1 腦部腫瘤

腦腫瘤手術中易損傷病灶周圍正常組織。精確定位腫瘤所在位置及清楚周邊情況，對腦腫瘤切除手術至關重要。3D打印技術可重建腫瘤部位及整個顱腔的情況，醫生可清楚地了解腫瘤的情況，為手術做好準備。

2.2.2 骨腫瘤

骨腫瘤的手術治療包括腫瘤切除和骨缺損結構重建兩部分，前者術前應用解剖影像學（如CT、MRI）和功能影像學（如ECT、PET）等確定腫瘤范圍，利用三維重建、血管造影等了解腫瘤所在部位的解剖特點。以往，術者依據豐富的臨床經驗建立腫瘤的三維構象來實施腫瘤切除手術；但對于復雜部位或微小腫瘤，切多少往往是術者顧慮的地方。3D打印醫學模型可幫助術者對手術部位進行術前規劃，可降低術中風險及提高手術質量，給骨腫瘤患帶來腫瘤精確切除的福音，同時給予外科醫生更強的自信。

3 存在的問題

最近幾年，關于使用3D打印技術制作醫學模型的報道很多。制作的模型類型單一，精細程度不夠已經成為這些醫學模型的通病，這些也是制約3D打印醫學模型廣泛應用的主要原因。目前使用最多的3D打印醫學模型為單一器官1～2種組織的打印，如打印腫瘤生長的膝關節，目前只打印出膝關節骨頭及腫瘤的大概情況，并沒有在模型上體現膝關節腫瘤附近神經、肌腱、血管等復雜的分布狀況等細節情況。因此，此類模型更多用于跟病患進行術前溝通，醫生簡單判斷手術情況。

直到目前3D打印技術仍受限于造價高、速度慢、打印材料種類少等因素，導致其在臨床使用缺乏普遍性和深入性。如果可以像影像學片子可以當天取片，3D打印也可以當天制作完成，醫學模型的應用范圍會更廣泛。

4 應用前景及展望

去年年初，日本厚生勞動省下屬的中央社會保險醫療理事會已正式宣布將用于輔助醫療和手術的3D打印器官模型的費用納入標準醫療保險支付范圍。通過將3D打印器官模型費用納入保險支付范圍，日本的醫療系統能夠幫助無數患者獲得他們所需要的這種先進醫療服務。雖然具體的支付細節可能會根據疾病的不同有不同的要求，但是毫無疑問，對于日本的醫療3D打印行業來說，這是向前邁出的一大步，將使3D打印醫療模型成為日本醫院中一個常用的輔助醫療工具。

日本的例子很好地啟示我國3D打印醫學模型的應用思路。在不提高或輕微提高醫療成本的前提下，引入3D打印醫學模型作為輔助醫療工具，醫患雙方對病情有精確的了解及更深入的溝通，在目前中國國情的醫療條件下，這是一種緩解醫患雙方矛盾的有效方式。所以相關政策應支持或鼓勵將3D打印器官模型費用納入保險支付或醫保范圍。

同時，3D打印醫療器械暫未有成熟的技術服務指導或行業標準，3D打印醫學模型的產品標準應如何規定，這些問題在3D打印醫學模型成為常規產品前亟待解決。

5 結語

醫學模型3D打印技術對術前診斷有著重要的意義，但在國內仍為受到廣泛應用。相比計算機輔助手術、手術導航及手術機器人而言，3D打印醫學模型的術前診斷雖然顯得粗糙，但卻是性價比較高的選擇。隨著國內3D打印機的不斷研發及打印材料的成本降低，相信3D打印醫學模型將會被廣泛應用。

參考文獻

[1] Aaron Council， Michael Petch.3D Printing： Rise of the Third Industrial Revolution[M].Gyges 3D Presents，2014：1-5.

[2] Won SH，Lee Y，Ha YC，et al. Improving pre-operative planning for complex total hip replacement with a Rapid Prototype model enabling surgical simulation[J].Bone Joint J，2013，95-B（11）：1458-1463.

[3] Sciberras N，Frame M，Bharadwaj R，et al.A novel technique for preoperative planning of severe acetabular defects during revision hip arthroplasty[J].Bone Joint J， 2013，95-B（30）：63.

[4] Benum P，Aamodt A，Nordsletten L.Customised femoral stems in osteopetrosis and the development of a guiding system for the preparation of an intramedullary cavity a report of two cases[J].J Bone Joint Surg（Br），2010，92（9）：1303-1305.

[5] 易超然，羅婕姝，王文軍，等.3D 打印技術在骨組織修復個體化治療中的應用進展[J].中南醫學科學雜志，2015（43）：330-333.