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3D打印实现外科手术的“私人订制”

日期: 2018-05-24
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3D打印(three dimensional printing,3DP)是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前,3D打印技术在医疗领域正在逐步应用起来,成为全世界较为前沿的研究领域之一。

医疗领域的3D打印技术

目前在医学领域中,所使用的3D打印技术种类较多,主要有以下几种:光固化(SLA),多喷头喷射(MJ),聚合物喷射PJ),数字光固化(DLP),选择性激光烧结(SLS),直接金属激光烧结(DMLS),彩色喷墨(CJ),熔融沉积(FDM),叠层实体(LOM),电子束熔融(,EBM)等。同时能够被医疗领域3D打印技术所利用的材料也较为繁多,主要有热塑性塑料、金属粉末、石膏粉末、陶瓷粉末、钛合金、光敏聚合物、铝箔、塑料薄膜等。

光固化、多喷头喷射、混合物喷射等成型工艺具有较高的成型精度、较薄的层厚以及相对低廉的经济成本,是较为理想的成型工艺,未来在医疗领域将会被广泛采用。目前被医疗领域3D打印技术所利用的材料主要分为2类:生物材料和非生物材料。生物材料具有一定的生物活性,其中包含蛋白质、细胞等生物单元,主要使用在细胞打印技术中;非生物材料主要指金属粉末、石膏粉等材料,当下非生物材料使用较为广泛。 

3D打印在外科手术中的应用

1、医疗模型

对于风险高、难度大的手术,做好术前规划与手术设计十分必要。传统上,通过CT、MRI等影像设备获取患者的数据,是做医生手术预规划的基础,但得到的二维医学影像不利于精准测量立体空间结构的数据,容易造成手术设计的误差。

利用患者CT、MRI原始数据过对患者病灶区域构建成三维重建模型,在3D打印技术的帮助下,1:1打印出患者头颅、骨骼、器官等实体医疗模型,可以辅助医生诊断患者病情,进行精确的手术规划与手术模拟。3D打印的医疗模型也有利于医生直观地为患者讲解病情,促进医患沟通,增强患者治疗信心。

3D打印实现外科手术的“私人订制”

医数聚ASP通过3D打印制作出患者头颅模型

2、手术导板

在外科手术中,手术导板是将手术设计方案精准地在术中实施的重要辅助工具,尤其在口腔颌面外科手术中广泛应用。在三维重建模型的基础上,根据手术需求设计数字化手术导板,再通过3D打印机打印出实体导板,供医生在手术中直接使用,有效提高手术的精准性和效率,降低手术风险。

例如,医数聚ASP在为医生制定腓骨重建下颌骨的手术设计方案时,结合三维重建模型与手术模拟操作,个性化设计腓骨截骨导板,并3D打印出实体手术导板,以帮助医生进行精准截骨,再通过钛板塑形设计帮助医生进行准确复位和固定,提高了手术效率和精确性。

3D打印实现外科手术的“私人订制”

医数聚ASP设计的腓骨截骨导板

3、植入物

传统的植入物制作方法是通过铸造或传统的金属加工方法来制造的,需要制造出模具,单件或少量植入物的生产成本十分昂贵。再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高价格,骨科植入物的总制造成本十分昂贵。对于结构复杂的特殊植入物,使用从传统技术也难以实现。而3D打印技术用于制造骨科植入物,可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本,并可以制造出结构更为复杂的植入物。

近年医疗行业越来越多地采用金属3D打印技术(直接金属激光烧结或电子束熔融)设计和制造医疗植入物。在医生与工程师的合作下,使用3D打印技术能够制造出更多先进合格的植入物和假体。3D打印技术也让定制化植入物的交货速度得以提升,从设计到制造一个定制化的植入物最快时可以在24小时之内完成。工程师通过医院提供的X射线、核磁共振、CT等医学影像文件,建立三维模型并设计植入物,最终将设计文件通过金属3D打印设备制造出来。

3D打印实现外科手术的“私人订制”

澳洲成功实施首例3D打印钛-聚合物胸骨植入手术

在外科手中的应用中,3D打印的医疗模型能够帮助医生更加直观地评估病情和精准规划手术方案;3D打印的手术导板帮助医生更加精准地实施手术,提高手术效率和安全性;3D打印的植入物解决了结构复杂难制造的问题,并为患者大大降低了医疗成本。3D 打印技术在医学领域中已经有了较为良好开端,并具有广泛的应用前景,实现了外科手术的“私人订制”。

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