3D 打印模型正在廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。6 月 14 日，一篇發(fā)表在 Cardiology in the Young上的文章介紹了 3D 打印在冠心病中的應(yīng)用。


由于心臟形態(tài)有多種以及患者之間的個(gè)體差異，冠心病的治療很具有挑戰(zhàn)性。利用 3D 模型，可以直接觀察患者的心臟解剖結(jié)構(gòu)并進(jìn)行操作，從而預(yù)測(cè)并發(fā)癥和其它可能的結(jié)果。這開辟了個(gè)性化治療的新領(lǐng)域，為術(shù)前規(guī)劃及提前在患者體外演練整個(gè)手術(shù)過程提供了可能性。



3D 打印正在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

沒有任何兩個(gè)人的身體是完全相同的。外科醫(yī)生操縱手術(shù)刀和縫合線，在復(fù)雜的“人體地形”中精確、快速地進(jìn)行切割和縫合，但由于每個(gè)人的生理情況不同，解剖細(xì)節(jié)也需要作出相應(yīng)調(diào)整，這讓他們的工作變得更加困難。

醫(yī)生們通常使用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或磁共振成像（MRI）的二維圖像來制定手術(shù)計(jì)劃，現(xiàn)在他們?cè)絹碓絻A向于使用私人定制的真實(shí) 3D 模型。

為了完成 3D 打印，研究人員先將許多連續(xù)的 CT 或 MRI 掃描的數(shù)字二維“切片”組合成一幅立體的“地形圖”，這就能夠看到器官不同層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然后，3D 打印機(jī)一層一層進(jìn)行打印，這些小滴樹脂可以通過紫外線照射或擠壓硬化等方式固定在特定的位置，形成立體結(jié)構(gòu)。

3D 打印技術(shù)研發(fā)于 20 世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時(shí)這種打印機(jī)價(jià)格昂貴、好壞無常、制作材料有限。但在過去的幾年里，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到甚至普通家庭用戶都足以負(fù)擔(dān)。在軟件和打印方法上的改進(jìn)，使得打印高精度顏色和紋理的復(fù)雜物體成為現(xiàn)實(shí)，我們可以構(gòu)建更加精確和真實(shí)的器官模型，用于外科手術(shù)中。

從 2D 到 3D

2012 年，美國克利夫蘭診所的肝臟病學(xué)主任和肝臟移植醫(yī)學(xué)主任尼扎爾·澤恩（Nizar Zein）首次萌發(fā)了打印器官模型的想法，他想知道這種方法是否能使活體肝移植更加安全。


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澤恩博士表示，對(duì)肝移植的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)來自尸體的肝臟供應(yīng)不足，增加了對(duì)活體肝移植（LDLT）的需求。

他說：“當(dāng)我們?cè)诟闻K上做手術(shù)時(shí)，最大的風(fēng)險(xiǎn)之一就是不知道主要血管或膽管的確切位置，而無意中切斷了其中的一條。”

每個(gè)肝臟都有一個(gè)獨(dú)特而復(fù)雜的動(dòng)脈、靜脈和膽管網(wǎng)絡(luò)，如果切錯(cuò)了位置，可能會(huì)導(dǎo)致供體或受體的并發(fā)癥，甚至死亡。因此，澤恩召集了一個(gè)由臨床醫(yī)生、影像專家、工程師和軟件設(shè)計(jì)師組成的團(tuán)隊(duì)，企圖用樹脂“打印”出一種針對(duì)特定病人的肝臟來指導(dǎo)手術(shù)過程。

澤恩回憶說，第一個(gè)模型非常粗糙，就像一個(gè)玩培樂多彩泥的孩子隨手捏出來的那樣。它的大小不到活體肝臟的四分之三，并非完全透明，并且缺乏代表不同組織的顏色編碼。某個(gè)案例中，一名肝臟捐贈(zèng)者在手術(shù)臺(tái)上遭遇了危險(xiǎn)的并發(fā)癥，澤恩記得其中一位外科醫(yī)生說，如果事先有這樣的模型來練習(xí)就可能挽救捐贈(zèng)者的生命。

澤恩對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在 2013 年開始研究如何利用活體肝臟大小的三維模型來制定外科醫(yī)生的手術(shù)計(jì)劃。一項(xiàng)初步的小型研究表明，他們的模型在解剖學(xué)和形狀上都與活體器官相匹配。

目前，澤恩團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出的模型已經(jīng)應(yīng)用在 20 多個(gè)手術(shù)中了。澤恩說，在很多情況下，觀察研究這個(gè)模型使外科醫(yī)生改變了他們切割器官的方式，甚至在某一個(gè)案例中，外科醫(yī)生得出結(jié)論，某個(gè)供體并不適合移植，這挽救了一樁可能發(fā)生的醫(yī)療事故。

他的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)打印復(fù)雜肝臟腫瘤的三維模型，以了解它們是如何在肝臟上生長(zhǎng)的。澤恩說：“我們對(duì)病人腫瘤組織的解剖結(jié)構(gòu)了解得越多，手術(shù)的效果就會(huì)越好。”

3D 打印正在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

圖丨3D 打印的身體器官——肝葉，和“有血有肉”的肝葉（來自捐贈(zèng)）。這樣的對(duì)比觀察可以幫助醫(yī)生計(jì)劃和實(shí)行復(fù)雜的移植手術(shù)。（來源：N.N. ZEIN ET AL / LIVER TRANSPLANTATION 2013）


更逼真的模型

美國羅切斯特大學(xué)泌尿科醫(yī)生艾哈邁德·加齊（Ahmed Ghazi） 受到澤恩的啟發(fā)，建立了更逼真的腎臟模型，為模擬手術(shù)提供了一種“具有沉浸感”的方法。

他說：“我只是想要一個(gè)看起來像腎一樣，會(huì)流血的東西。”腎臟外科醫(yī)生經(jīng)常面臨著從布滿血管的器官中取出腫瘤的問題，他們可能只有 30 分鐘的時(shí)間來完成工作，不然腎臟組織會(huì)停止血液循環(huán)，導(dǎo)致死亡。

在經(jīng)過改良后，這種打印器官具有空間感、解剖準(zhǔn)確性和觸覺反饋，還可以用來仿真模擬，以培訓(xùn)新的外科醫(yī)生。


3D 打印正在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

圖丨人造器官模型(右圖)可以流血，就像真正的器官在手術(shù)過程中會(huì)流血一樣(左圖)。圖示手術(shù)是在切除一個(gè)腎腫瘤。


為了建立腎臟模型，加齊團(tuán)隊(duì)在一個(gè)類似腹腔的地方模擬了脂肪、腸道和其他組織，就像它們?cè)谡嬲牟∪梭w內(nèi)一樣。加齊與 5 位專家、 10 位新外科醫(yī)生一起，對(duì)這個(gè)模擬系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型非常逼真，而新手醫(yī)生一致認(rèn)為在手術(shù)前使用這些模型會(huì)有很大幫助。

紐約愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)影像專家妮可·韋克也研究了腎臟模型對(duì)于手術(shù)計(jì)劃的正面影響。在 2017 年的一項(xiàng)研究中，她和同事請(qǐng) 3 位經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生回顧了 10 種不同復(fù)雜程度的腎臟手術(shù)，包括回憶患者的二維掃描圖像并描述他們的手術(shù)計(jì)劃。之后，他們用 3D 模型重復(fù)了這個(gè)手術(shù)過程。在所有的病例中，至少有一名外科醫(yī)生改變了他的初始想法，他認(rèn)為當(dāng)時(shí)應(yīng)該有更好進(jìn)入體腔或夾住器官的方式。他們說，這種模擬可以使他們自己更好地確認(rèn)計(jì)劃，提高手術(shù)信心。



材料的提升

澤恩說，在構(gòu)建 3D 器官模型時(shí)，材料的選擇取決于它的用途。硬塑料更便宜，也更適合進(jìn)行簡(jiǎn)單的三維可視化，有助于臨床醫(yī)生將注意力集中在腫瘤的形狀或血管的彎曲路徑等視覺特征上。

但更有彈性的海綿狀材料，包括硅酮、軟塑料和水凝膠，則更為逼真。它們的彈性可以模仿活體組織的機(jī)械性能，為外科醫(yī)生提供了一個(gè)可用于練習(xí)的器官，可以切開，以測(cè)量必要切口的寬度和深度，便于清除腫瘤并指導(dǎo)修復(fù)。更柔軟的模型還可以結(jié)合其他功能，比如壓力傳感器，讓外科醫(yī)生在術(shù)前準(zhǔn)備得更加充分。

加齊和同事已經(jīng)構(gòu)建了一系列組織紋理模型。他們不是直接打印，而是使用 3D 打印機(jī)建立一系列模具，然后注入特殊的水凝膠，這些水凝膠由水和其他液體組成，但可以像真實(shí)的肌肉、脂肪或血管一樣對(duì)操作產(chǎn)生反應(yīng)。甚至切割血管或其他導(dǎo)管時(shí)，器官也會(huì)像在實(shí)際手術(shù)中一樣流血或滲液。

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的機(jī)械工程師邁克爾·麥卡爾平（Michael McAlpine）模仿組織的機(jī)械特性，制作了前列腺的器官模型。他的團(tuán)隊(duì)使用從癌癥患者身上取出的前列腺樣品來測(cè)試前列腺的硬度和柔韌性，并通過調(diào)整有機(jī)硅打印材料的化學(xué)成分，來改變聚合物之間的連接，使模型變得更軟或更硬。

他們甚至為前列腺模型配備了 3D 打印的壓敏傳感器。傳感器由水凝膠和橡膠硅膠制成，可以測(cè)量?jī)?nèi)窺鏡或手術(shù)剪刀施加的力，在醫(yī)生進(jìn)入手術(shù)室之前為他們提供有用的信息。



3D 打印正在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

圖丨配備了壓力傳感器的 3D 打印前列腺，可以讓外科醫(yī)生進(jìn)行更逼真的練習(xí)。（來源：K. QIU ET AL / Advanced Materials Technologies 2018）


從現(xiàn)實(shí)到虛擬

擁有 3D 打印設(shè)備和專業(yè)知識(shí)的醫(yī)療中心現(xiàn)在可以自己打印出器官模型，而一個(gè)硬塑料模型的打印成本不超過幾百美元。像 Lazarus 3D 和 Materialise 這樣的公司現(xiàn)在也提供利用成像數(shù)據(jù)制作器官模型的服務(wù)。但是保險(xiǎn)公司不見得會(huì)為病人的模型支付打印費(fèi)用。

這可能會(huì)成為通向虛擬計(jì)算機(jī)模型的敲門磚。起初，加齊想以這種方式開展他的工作，但是他很快就轉(zhuǎn)向了物理模型——現(xiàn)在還不可能用“虛擬的感覺”來切割，也不可能知道一個(gè)器官如果被切到某個(gè)地方會(huì)流多少血，其中有太多的不確定因素。目前，他正在與 VR 公司合作，這些公司可以使用物理模型開發(fā)虛擬手術(shù)工具。

麥卡爾平認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，使用 3D 成像實(shí)施手術(shù)可能會(huì)成為常態(tài)，而不是個(gè)例。