3D打印與醫學圖像數據結合的醫療模擬產品設計研究
——以膝關節模擬器為例

蔡伯鴻 吳丹婷 易佳慧

（四川美術學院,重慶 400000）

隨著3D打印技術的廣泛使用，其優勢也在各個行業中凸顯出來。由于3D打印是一種理想的定制制造方法，在醫用產品的設計與研發中也具有廣闊的發展潛力。在醫療領域，3D打印已經惠及許多方面，如微創手術、癌癥治療、出生缺陷治療和功能修復等。文章從3D打印技術和醫學圖像數據的結合應用出發，運用交叉學科知識探索醫療模擬產品設計的新路徑。

一、3D打印與醫學圖像數據

1.3D打印技術

3D打印又被稱為增材制造技術，是以三維數字化模型為基礎，運用逐層制造方式，將3D數字模型轉換成立體實物模型的數字化制造技術。3D打印作為一種新型的工業制造技術，因為其精確性、便捷性、廣泛性，被應用于各個領域并取得了顯著成效。隨著3D打印設備與材料不斷更新，該技術的應用逐步拓展到了設計、醫療、航天等各個領域。在醫療健康領域，3D打印被應用于醫療器械的設計和生產，個性化生物植入體、個性化診療器械和醫療模擬產品的設計研發。這項技術不僅縮短了研發周期，提高了研發效率，還合理控制材料成本，提高了醫療行業的社會效益和經濟效益。可見，3D打印技術在醫療領域具有很大的應用潛能和發展空間。

2.醫學圖像數據

在醫療模擬產品的設計中，為了針對不同的患者病情和特征制作醫療設備，需要獲取其準確的解剖數據。目前，生物體解剖數據來源主要有3D掃描和醫學圖像數據兩類。其中，醫學圖像數據是個性化醫療模擬產品的主要數據來源，常用的數據有：電腦斷層掃描(Computerized tomography，CT)、核磁共振成像(Nuclear magnetic resonance imaging，NMRI)以及醫學超聲波檢查(Medical ultrasonography)。醫學圖像數據通過非侵入方式獲取人體某個部位的準確圖像。研究人員可以通過醫學圖像軟件輔以數字化建模工具逆向重建人體的真實3D結構模型。根據此模型，醫生可以進一步診斷病情、優化手術治療方案和規劃手術路徑，設計師則可以進行個性化醫療器械的設計。

3.3D打印與醫學圖像數據的結合應用

3D打印和醫學圖像數據是醫療模擬產品開發的關鍵要素。通過將3D打印與醫學圖像數據相結合，可以準確地復制人體的生理結構和病變部位的實體三維模型，使醫療專業人員可以全面了解患者的具體生理狀況，更有效地進行個性化醫療設計。在醫療器械方面，可以根據模型為病患定制個性化手術器械，提供手術器械的適配性。在關節植入體的應用中，根據患者的個性化模型定制生物植入體，可以很好地解決了關節匹配的問題，極大地改善了其治療效果。在術前模擬中，與普通的醫療影像資料相比，3D醫療模擬產品提供了更準確的病理信息，清晰展示病損部位狀況，可以排除其他混雜因素的影響，直接分析特定現象。因此，將3D打印與醫學圖像數據結合應用來進行醫療模擬產品的設計研發，將有利于探索出一種促進設計發展和臨床研究的創新路徑。

二、醫療模擬產品概述

醫療模擬產品是醫學研究中的重要道具。在醫學研究中，實踐是十分重要的部分。醫療模擬可以有效地訓練臨床技能，并且對于醫療教學與培訓有很重要的作用。在醫療模擬中通過醫療模擬產品仿真制作出病變部位，配合病患的具體情況可以模擬出醫護真實現場，有效地緩解在醫療培訓中因為道具所帶來的誤差。在醫療教學中，可以使用醫療模擬產品還原特定的醫療場景，利用最真實的場景來激發學生的積極性，提高自主學習的能力。醫療專業人員利用醫療模擬產品進行反復的模擬訓練，可以提高他們的實踐能力、判斷能力以及臨床決策能力。

三、3D打印與醫學圖像數據結合的醫療模擬產品設計路徑

1.醫學專家與設計師的協同設計

由于醫療模擬產品的特殊性，其設計路徑將由設計師和醫學專家共同構建。設計師與醫學專家共同參與設計的全過程，在每個設計階段分別負責不同面向的內容。在設計籌備階段，設計師需要學習相關的醫療知識，熟悉醫療診斷流程，查閱醫療器械相關標準，確保后續醫療產品設計的順利開展；醫學專家闡述遇到的問題以及需求，并由設計師將其轉換為設計需求。在設計開展階段，需要醫學專家提供影像數據，設計師制作3D模型。在設計調試階段，設計師根據醫學專家的測試反饋調整設計內容，最后在設計應用中對產品進行不斷地迭代更新，持續完善設計成果。

2.3D打印與醫學圖像數據結合的醫療模擬產品設計流程

醫療模擬產品的研發是設計學與醫學的交叉學科研究，其過程是由設計師主導，醫學專家輔助，相互配合完成。在利用醫學圖像和3D打印進行醫療模擬設計時，其過程可分為五個主要階段，包括醫學圖像數據采集及處理、醫學圖像數據3D重建、功能設計、3D打印以及實踐應用。

首先在獲取醫療數據階段，設計師與醫學專家需要明確設計目標，對相關的人體解剖部位進行高精度掃描，以再現病變部位的準確特征。在此階段，醫學專家需要確定采用何種醫學成像技術對相關數據進行有效收集。

在第二階段，設計師使用醫學圖像軟件，將醫學掃描生成的二維圖像進行三維重構，然后導出為數字化3D文件(.STL)。之后設計師需要在3D軟件（如Artec Studios等）中對三維數據進行進一步的處理，包括分割、消噪、表面平滑等。這一階段主要是移除與設計目標無關的解剖結構，并修補優化待設計的3D模型。

在功能設計階段，設計師根據醫學專家所提出的設計需求，以三維重構得到的3D模型為基礎開展設計工作，賦予模擬產品合理的功能性。此階段需要設計師和醫學專家進行密切溝通，針對所設計的功能和表現形式進行反復論證和實驗。

最后，設計師根據產品的功能需求選取適宜的材料通過3D打印機制造模擬產品。然后，將功能性的醫療模擬產品用于醫療教育或研究的實踐應用當中。在此階段，設計師應當與醫學專家共同商討，設計合理且完善的應用方式和場景。

四、3D打印與醫學圖像數據結合的膝關節醫療模擬產品設計實踐

1.設計目的即滿足解剖學醫療模擬需求

前后十字交叉韌帶（Anterior and Posterior Cruciate Ligaments）是人類膝關節的重要組成部分。它們防止股骨在運動過程中向前或向后滑動，從而為運動中的膝關節提供重要的穩定性。在運動員群體中，十字韌帶損傷極為常見，前十字韌帶發生損傷的頻率更高。運動量較大的青年患者在接受韌帶重建的治療后再次受傷的概率很高，這將導致生活質量下降，運動能力受限，甚至可能成為運動員職業生涯終結的主要原因。因此更好地了解十字韌帶的工作原理，可以幫助醫療專業人員在創傷預防、優化治療以及康復訓練等方面提供重要參考。許多研究人員試圖通過采用不同的研究方法來闡明十字韌帶在膝關節運動過程中的工作機制，例如使用膝關節解剖標本、計算機模擬、成像分析和在膝關節植入傳感器等方法。然而，這類對十字韌帶的研究要么收集到的是間接數據，受到許多混雜因素的影響，例如周圍軟組織施加的張力或個體的步態差異將導致結果的偏差；或是需要借助介入性手術，對受試者身體造成損害，無法大規模采集數據樣本。因此，目前對于膝關節十字韌帶工作機制的研究結論尚未得到醫學界的一致認可。

為了研究不同解剖結構之間復雜的關系，有必要采用一種創新的方法來開發功能性醫學模擬器對膝關節十字韌帶的工作機制進行詳細的闡釋。將醫學圖像與3D打印相結合設計研發的模擬器可以準確地模擬不同解剖結構之間的空間關系和相互作用，這對研究膝關節十字韌帶的工作機制有著十分重要的作用。在文章中，為了專注于膝關節十字韌帶的工作機制研究，模擬器設計僅包含了膝關節運動過程中最重要的組件：股骨、脛骨、腓骨、前后十字韌帶和內外側副韌帶。

2.醫學圖像數據收集與3D模型建立

醫學圖像數據是一種二維信息，通過許多橫截面圖像來完善人體的目標區域。為了利用這些二維信息來改進三維設計，第一步是將其從二維切片轉換為三維數據。在本文章中，醫學圖像數據主要用來增強膝關節模擬器的設計。在醫學圖像數據的選擇中，CT數據更有利于反映骨骼結構，因此選擇CT掃描作為影像采集的來源。本次研究使用健康男性志愿者的膝關節CT數據作為模擬器設計的基礎樣本。通過CT掃描，獲得骨骼、肌肉、脂肪和皮膚等組織的結構。CT掃描數據被導出為dicom格式，并在醫學圖像軟件（InVesalius）中轉化為三維數據。經過3D軟件（Artec Studios）的分割和處理步驟后，將3D模型的STL格式導入3D建模軟件（Rhino）中進行設計編輯。為了確保轉換后的三維醫療模型的準確性，在數據處理過程中設計師與經驗豐富的醫療專家緊密協作。

3.醫療模擬產品開發與測試

在前期數據收集和處理的基礎上，根據醫學專家的反饋，確定了對膝關節模擬器的設計重點集中在股骨頭部位的幾何化上。設計師在醫學專家的指導下，根據膝關節解剖學機構原理，對股骨與脛骨結合部位進行了重新設計，使其解剖結構更為清晰和明確。從而使模擬器能夠準確實現膝關節的彎曲-伸展以及鎖止運動，與真實的人體膝關節運動軌跡保持一致。為確保膝關節模擬器在運動過程中不受人為因素的干擾，特別設計了樞軸運動支架用以帶動模擬器完成運動。模擬器頂部的指示板用以展示膝關節模擬器在鎖止運動過程中的內旋角度。

模擬器采用SLS 3D打印技術制造，主體包含9個由燕尾型接頭連接各獨立部件。模擬器的下部設計有拉力感應器，可以分別連接到兩個模擬十字韌帶。為了準確地復制膝關節運動，使用了兩種繩索材料來模擬膝關節韌帶。通過實驗確定了最適合交叉韌帶和側副韌帶的材料分別是尼龍繩和彈性繩。在本設計中，每條韌帶都可以單獨工作，允許對模擬器的不同部位施加適當的應變力，從而確保模擬器具有與真實膝關節相似的運動學特征。

為了測量十字韌帶上的拉力值，本文章中使用了市售拉力感應器。通過模擬器和拉力感應器的協作可以實時測量膝關節運動過程中十字韌帶上的拉力值變化。在實驗測量過程中，膝關節模擬器在樞軸運動支架的帶動下完全伸展和完全彎曲之間做往復運動，同時記錄每10度運動幅度下拉力感應器數值的變化情況。為確保測試的客觀有效性，此運動過程重復5次，并對測試所得拉力數值進行統計分析。

4.醫療模擬產品設計成果

在文章中，研發團隊成功開發了一種基于醫學圖像和3D打印的功能性膝關節模擬器來研究前后十字韌帶的工作機制。目前3D打印醫學模型的應用大多是靜態人體解剖模型，無法準確說明不同解剖結構之間的動態空間關系，缺少實時解剖運動的具體信息。本文章所設計的膝關節模擬器可以準確地復制正常的脛股骨運動。在伸展運動時關節呈現內旋鎖定，在屈曲運動時關節呈現外旋解鎖，這一現象充分說明該模擬器與真實的人體膝關節運動呈現相同軌跡。膝關節模擬器可以直接測量運動過程中前后十字韌帶的拉力值，揭示了膝關節十字韌帶在運動過程中所受拉力的變化趨勢。

總結

文章研究了將3D打印與醫學圖像數據結合使用的醫療模擬產品設計新模式。先對3D打印和醫學圖像數據的結合應用進行了分析，再通過協同設計探索了醫療模擬產品的設計路徑。然后以膝關節模擬器為例，進行了數據采集及處理、醫學圖像數據3D重建、功能設計、3D打印、以及實踐應用等流程。利用設計實踐來驗證了醫療模擬產品設計路徑的可行性。本課題作為跨學科研究項目，將醫療模擬從概念化、經驗化轉向為具象化、精準化方向發展。3D打印與醫學圖像數據的結合也可以看作是跨學科設計的新探索。跨學科研究也將成為推動設計發展、模式創新的關鍵要素。