3D打印技術在外科手術中的教學與應用

孫愛軍

【摘要】本文基于3D打印技術的特點，介紹了3D打印技術的基本原理以及3D打印的局限性和優勢性，闡述了3D打印技術在外科手術臨床與教學中的現狀與發展。3D打印技術的立體建模有助于學員在最短的時間內掌握疾病的內部結構及分型特點，并對手術方案及具體難點有提前了解，對手術部位進行1：1復制，進行仿真手術，從而達到精準手術要求。

【關鍵詞】3D打印? 外科手術? 仿真

【中圖分類號】R687.3;TP391.73? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）50-0162-02

1.引言

3D打印技術（Three Dimensionall Printing，3DP）是屬于增材制造的一種，它最早誕生于20世紀90年代，主要應用在制造業、航天航空業以及軍事領域。隨著3D打印的材料和控制技術的發展，人們不再滿足這種先進的技術只局限在原型制造和模型生產上，開始向更多的領域拓展。尤其在醫學領域的外科手術中，作為目前先進的3D打印技術已經不斷的與醫療行業緊密融合，3D打印技術已然成為了外科手術臨床與教學不可或缺的重要組成部分，也為精準醫療的實現和發展提供了新的思路與保障。

2.3D打印基本原理

3D打印技術可根據模型的三維數據信息，可以快速、準確地制造出三維實體的，一種基于離散/堆積成型思想的快速成型技術。其屬于快速成形技術的一種，其以數字模型為基礎，運用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層堆疊的方式來構造物體。過去常在建筑、軍事、醫療等領域中應用。目前，3D打印技術日趨成熟，逐漸用于一些產品的直接制造。這就意味著“3D打印”這項技術正在不斷普及。目前，在醫療領域3D打印技術已被逐漸應用，并且已經成為全世界較為前沿的研究領域。

3.3D打印在外科手術上的應用

隨著CT（Computer Tomography）、MRI（Magnetic Reson？鄄ance？鄄imaging）、PET（Position Emission Computed Tomography）等技術和數字化醫療技術的快速發展，醫生簡單而又快速準確地獲取病人的三維數據信息，在建模及數據處理后，立體模型就會被快速構建完成。醫生可根據醫療模型診斷病情，制定更加具體詳細的手術方案，研究術式及模擬手術過程。醫療模型的應用將使得手術更加精準，手術時間縮短且可提前練習，在提高高難度手術成功率的同時也大大降低了并發癥的發生率。在醫學領域中對于3D打印工藝和精度要求的對比如表1所示。

表1? 3D打印比較表

如今在醫療領域中，所使用的3D打印技術主要有以下幾種：光固化（Stereo Lithography Apparatus， SLA），多噴頭噴射（Multi？鄄jet，MU），數字光固化（Digital Light Processing， DLP），選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS），熔融沉積（Fused Deposition modeling，FDM），疊層實體（Laminated Object Manu？鄄facturing，LOM），電子束熔融（Clectron Beam Melting. EBM）等。同時能夠被3D打印技術所利用的醫療領域材料也較多，主要有金屬粉末、熱塑性塑料、石營粉末、陶瓷粉末、鈦合金、光敏聚合物、鋁箔、塑料等。2015年9月11日，3D打印技術在醫學界再次獲得重大突破，西班牙成功施行首例3D打印鈦合金胸肋骨植入手術。2014年8月28日，西安市周至縣的胡偉（化名）在蓋房時不幸被電弧擊中頭部，由3層樓房高空處墜落，被送到醫院緊急手術后雖然保住了性命，但還是導致頭蓋骨缺失，毀容嚴重。第四軍醫大學西京醫院采用3D打印技術來輔助，成功實施手術，使其成功恢復外觀。

目前在國內，用于醫療的三維模型已被用于骨科、口腔頜面外科等科室的診斷、術前評估及術式的確定。3D打印技術在外科手術中主要用于：（1）診斷與預判;（2）手術模擬;（3）術中導航。在與傳統方法相比，醫療影像是難以了解人體內部關節組織的破損狀況，而3D打印可以建立有效的三維物理模型，利用醫生的經驗結合醫學影像和三維仿生模型可以直觀的了解患者的病情。在外科手術中對于一些青年醫師來說，沒有豐富的經驗一場手術的風險率往往較高，而有了3D打印技術的輔助我們就可以模擬出逼真的模擬環境，可以調整手術方式優化手術方案。總的來說，3D打印技術能非常直觀地顯示人體內外結構，而醫療信息的獲取也更加豐富，在具體應用中有很好的發展前景。目前3D打印在外科手術中成功實現的案列有很多：

（1）如復旦大學附屬中山醫院利用三維技術呈現的醫療模型）為一例主動脈瓣重度狹窄合并關閉不完全患者實施了主動脈瓣置換手術（TAVI）規劃與導航，在醫療模型的幫助下，TAVI手術成功進行。

（2）沈陽軍區總院利用生物3D打印技術構建的腎盂成形術模型、腎部分切除術模型、腎根治切除術模型被應用到青年醫師教學中，教學效果良好。IGAMI等生物3D打印出的人體肝臟模型，此模型被用于肝臟小腫瘤切除手術上，模型的使用提高了手術的成功率。

3.1 3D打印在骨骼外科手術中的應用

3D打印技術可以將虛擬的計算機輔助設計矢量模型快速的轉化為“三維實物模型”，由于3D打印實物模型具有很強的立體直觀性，所以目前已經廣泛應用在不同領域。目前3D打印技術主要是在復雜的腫瘤切除、脊柱畸形及損傷、整形、口腔下領骨修復、骨缺損和假體制作等領域中有著廣泛的應用。

它是通過提取CT、MRI掃描數據，在經過專業軟件處理，重建三維模型，并通過3D打印技術制作出實物模型，更加準確地發現傳統影像資料隱藏的解剖信息，并且還可以直接在打印的物模型上進行預判診斷、制定手術方案、模擬手術操作，還可根據患者需要設計、制造個性化器械從而提高疾病的診斷精準率，增加手術的安全性。

3.2 3D打印在醫學領域的未來

隨著醫學水平的發展外科手術的要求越來越高，3D打印技術的優勢也越來越明顯，相信在外科手術的應用上也會越來越成熟。不足之處也會隨著技術的發展得到解決，在臨床中與教學中將更加廣泛。未來3D打印技術必將極力推進人類醫療事業的蓬勃發展。

4.結論

3D打印技術在人才培養、技術創新等方面具有很多教學手段難以替代的優點，是未來臨床教學發展的必然趨勢。3D打印模型雖然在一定程度上彌補了學員對疾病的感性認識，但3D打印的實物模型仍存在以下不足：（1）3D打印技術在手術上的應用還在探索階段，需要不斷地完善與積累;（2）3D打印模型在多種材料同時打印甚至包括生物材料打印方面還不夠完善，只能較為真實地再現肌肉、血管和神經的走形和分布;（3）3D打印模型模擬手術的截骨及植入等操作與實際人體內的操作過程相比，達不到理想狀態。

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