手術(shù)規(guī)劃和3D打印：我們現(xiàn)在處于什么階段？

魔猴君  知識(shí)堂   6小時(shí)前

想象一下當(dāng)X射線、CT掃描和MRI首次問(wèn)世時(shí)發(fā)生了什么。想象一下這項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)的變革，它讓醫(yī)生無(wú)需打開(kāi)身體就能看到病人的身體內(nèi)部。一個(gè)全新的世界，不是嗎？隨著3D打印在手術(shù)領(lǐng)域的出現(xiàn)，尤其是手術(shù)規(guī)劃領(lǐng)域的出現(xiàn)，也發(fā)生了同樣的轉(zhuǎn)變。

醫(yī)生和患者不再局限于屏幕上的圖像，而是能夠使用物理3D工具來(lái)了解某些數(shù)據(jù)。如今，多家醫(yī)院定期使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)可視化復(fù)雜或罕見(jiàn)的病例，其效果顯著：手術(shù)時(shí)間可縮短數(shù)小時(shí)，手術(shù)效果可得到改善，患者可在更好地了解情況的情況下接受手術(shù)。

圖片來(lái)源：Stratasys

而這僅僅是個(gè)開(kāi)始：在法國(guó)，配備3D打印解決方案的醫(yī)院數(shù)量不斷增加，并且正在逐年構(gòu)建真正的網(wǎng)絡(luò)。3D打印在外科手術(shù)中的應(yīng)用非常廣泛，從創(chuàng)建手術(shù)指南到定制植入物，而且隨著人們對(duì)該領(lǐng)域的興趣日益濃厚，必將出現(xiàn)新的應(yīng)用。

3D打印如何用于手術(shù)規(guī)劃？

有不同類型的3D打印工具用于手術(shù)規(guī)劃。下面我們介紹三種最常見(jiàn)的工具。由于這項(xiàng)技術(shù)仍然相對(duì)較新，這些工具通常被稱為不同的名稱，為了清楚起見(jiàn)，我們將列出它們的替代術(shù)語(yǔ)。

手術(shù)模型

手術(shù)模型是患者解剖結(jié)構(gòu)的1:1比例的3D表示，可幫助外科醫(yī)生確定手術(shù)方法。手術(shù)模型比傳統(tǒng)的CT或MRI掃描更進(jìn)一步，它是一種翻譯工具，可以突出顯示器官、骨骼或組織之間的空間關(guān)系，而不受解剖結(jié)構(gòu)影響。手術(shù)模型通常用于了解腫瘤相對(duì)于周圍解剖結(jié)構(gòu)的位置，并制定重建策略。這些模型對(duì)于醫(yī)生、患者及其家屬都具有指導(dǎo)意義。

腦動(dòng)脈瘤的3D打印手術(shù)模型。（圖片來(lái)源：3D4MED）

手術(shù)指南

手術(shù)導(dǎo)板也稱為患者專用導(dǎo)板(PSG)或切割導(dǎo)板，用于在手術(shù)過(guò)程中指導(dǎo)外科醫(yī)生。這些一次性工具是專門為患者定制的，并在手術(shù)過(guò)程中直接應(yīng)用于身體。它們的作用類似于模板或模版，向外科醫(yī)生展示刀片、螺絲或他們正在使用的任何工具的位置。有時(shí)它們可以指示動(dòng)作的深度和方向。本質(zhì)上，手術(shù)指南有助于確保手術(shù)的準(zhǔn)確性。它們用于各種外科手術(shù)，最常見(jiàn)的是顱頜面外科手術(shù)、牙科外科手術(shù)、截骨手術(shù)和骨科手術(shù)。

針對(duì)特定患者的骨盆切割指南由內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院Insight Surgery的制造工廠3D打印。（圖片來(lái)源：Insight Surgery）

模擬

模擬模型類似于手術(shù)解剖模型，但不是用于特定的病人病例，而是用于教育和培訓(xùn)。它們可以按照與特定案例相同的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于它們不用于特定患者的術(shù)前規(guī)劃，因此可以在不使用放射成像的情況下進(jìn)行修改甚至創(chuàng)建它們。它們具有逼真的特征，每個(gè)解剖部分都模仿真實(shí)的組織。肉的感覺(jué)就是肉，骨頭的感覺(jué)就是骨頭，器官的感覺(jué)就是每個(gè)器官的特定密度，使其成為尸體的潛在替代品。外科醫(yī)生可以在這些模型上進(jìn)行完全模擬的手術(shù)。模型是放射學(xué)實(shí)踐中使用的一種特殊類型的模擬，用于訓(xùn)練X射線、CT、MRI和超聲波實(shí)踐。在這些模擬中，3D打印材料與實(shí)際患者組織非常相似，從而可以更好地培訓(xùn)成像專業(yè)人員并減少患者的輻射劑量（或MRI/超聲波的掃描時(shí)間）。

外科醫(yī)生使用3D打印的兒科心臟模型進(jìn)行手術(shù)（圖片來(lái)源：Stratasys）

為什么在手術(shù)規(guī)劃中使用3D打印？

3D打印工具并非每個(gè)外科手術(shù)都需要，那么生產(chǎn)它們的理由是什么？對(duì)于手術(shù)模型和指南，這通常是獨(dú)特或復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，使用簡(jiǎn)單的MRI或CT掃描無(wú)法清晰看到。據(jù)明尼蘇達(dá)州羅切斯特市梅奧診所的腫瘤專科骨科醫(yī)生彼得·羅斯介紹，這些病例通常位于身體的中央部位。

他解釋道：“例如，如果某人的膝蓋周圍長(zhǎng)了腫瘤，這很容易理解……而且你做的切口大多是筆直的切口，你可以在X射線相機(jī)的引導(dǎo)下和切割模板的幫助下，或者徒手進(jìn)行。但當(dāng)我們的腫瘤位于骨盆內(nèi)和周圍，或者脊柱內(nèi)和周圍時(shí)，當(dāng)它們非常復(fù)雜且跨越幾個(gè)不同的解剖區(qū)域時(shí)......[3D打印]是一種非常有趣的使用方法。?

羅斯博士指出，對(duì)于癌癥來(lái)說(shuō)，重要的是將病灶完整切除，并以周圍的正常組織作為邊緣。他說(shuō)：“我們要處理的解剖結(jié)構(gòu)通常不是直線或矩形的。”“它會(huì)彎曲和移動(dòng)，3D打印讓我們能夠確定切割物體的軌跡。?

骨盆骨（白色）上的腫瘤（黑色和紫色）手術(shù)模型，帶有靜脈（藍(lán)色）和動(dòng)脈（紅色）。該患者特定模型用于規(guī)劃盆腔腫瘤的手術(shù)切除，以便外科醫(yī)生更好地了解腫塊的形態(tài)、位置和血管化（圖片來(lái)源：3D4MED）。

另一方面，可以打印模型和模擬模型，用于一般外科手術(shù)訓(xùn)練或練習(xí)特定的病人病例。例如，西雅圖兒童醫(yī)院通過(guò)3D打印技術(shù)為呼吸困難的患者制作氣管。然后，耳鼻喉外科醫(yī)生可以切割和縫合3D打印模型，在實(shí)際手術(shù)前進(jìn)行手術(shù)練習(xí)。

這個(gè)過(guò)程是如何進(jìn)行的？

對(duì)于每個(gè)3D打印過(guò)程，第一步始終是創(chuàng)建3D模型，無(wú)論是通過(guò)掃描儀還是3D圖紙。由于CT或MRI掃描已經(jīng)是術(shù)前過(guò)程的一部分，因此掃描結(jié)果可以進(jìn)行3D打印。利用放射科的這些MRI或CT掃描，3D成像專家可以開(kāi)發(fā)所需解剖結(jié)構(gòu)的3D模型。當(dāng)然，3D打印手術(shù)器械的過(guò)程將根據(jù)醫(yī)院是否自行進(jìn)行3D打印或外包而有所不同。

一旦獲得掃描結(jié)果，3D成像專家必須進(jìn)行分割，即定義所需的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更好的可視化。分割的主要目的是識(shí)別不同部分（例如腫瘤、骨骼、器官和血管）的邊界。通常，此操作必須手動(dòng)完成3D打印，因?yàn)?D打印的案例幾乎總是獨(dú)一無(wú)二的。不過(guò)，一些人工智能解決方案已經(jīng)融入到這一過(guò)程中。

內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院3D部門主任Gabe Linke解釋說(shuō)：“在某些情況下，[AI]一開(kāi)始能幫助我們?nèi)〉靡稽c(diǎn)進(jìn)展，但之后我們還需要做大量的手工工作……我們很興奮，因?yàn)殡S著AI越來(lái)越好，訓(xùn)練出好的模型所需的數(shù)據(jù)可能會(huì)越來(lái)越少。”?

照片來(lái)源：Bastawrous等。

技術(shù)和材料

一旦3D文件準(zhǔn)備好了，就可以進(jìn)行打印了，但是您應(yīng)該使用什么技術(shù)和材料呢？該過(guò)程需要咨詢醫(yī)生和3D成像專家或工程師——無(wú)論如何，都需要專門針對(duì)案例需求的人。不同類型的3D打印技術(shù)用于手術(shù)規(guī)劃工具。

曾任梅奧診所首席工程師、現(xiàn)理光公司高級(jí)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師的亞當(dāng)溫特沃斯（Adam Wentworth）介紹，最常用的3D打印技術(shù)是材料擠出（FDM）、大桶光聚合（SLA）和材料噴射（Polyjet）。在較小程度上，也使用尼龍12或聚氨酯的粉末床熔融技術(shù)。

根據(jù)具體情況，一種技術(shù)可能比另一種技術(shù)更可取。例如，對(duì)于旨在幫助人們形象化情況的3D打印手術(shù)規(guī)劃工具，該部件的視覺(jué)效果至關(guān)重要，這意味著重現(xiàn)顏色、紋理、透明度等非常重要。該團(tuán)隊(duì)可能還會(huì)考慮是否希望房間能夠打開(kāi)，露出里面的結(jié)構(gòu)。

下面，觀察掃描（帶有灰色陰影的平面圖像）和3D打印設(shè)備（具有高度對(duì)比的顏色和有形特征的物體）之間的區(qū)別。與掃描相比，3D打印更容易看到情況，而沒(méi)有接受過(guò)醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的人則不太容易理解。

左圖為腹部和骨盆掃描圖（照片來(lái)源：Mikael H?ggstr?m醫(yī)學(xué)博士）；右圖為內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院一名患有復(fù)雜腹部腫瘤的患者創(chuàng)建的3D模型。（圖片來(lái)源：3Dnatives）

手術(shù)前

打印文件后，任何后期處理都將取決于所使用的技術(shù)和案例的要求。最后，將在術(shù)前簡(jiǎn)報(bào)會(huì)上展示3D打印部件。

羅斯醫(yī)生介紹了情況：“任何手術(shù)開(kāi)始時(shí)，在病人進(jìn)入手術(shù)室之前，我們都會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)報(bào)，主刀醫(yī)生會(huì)概述手術(shù)計(jì)劃、預(yù)期需求和潛在陷阱......而3D打印模型位于最顯眼的位置......因?yàn)樗梢詾槭中g(shù)室里的每個(gè)人提供指導(dǎo)，從麻醉團(tuán)隊(duì)到放射技師，再到幫助我們操作植入物和器械的人員。每個(gè)人都可以直觀地了解手術(shù)的目的和性質(zhì)，這比看CT掃描要好得多。”

擁有內(nèi)部3D打印部門的醫(yī)院

一些醫(yī)院正在利用3D打印技術(shù)，但擁有內(nèi)部3D打印部門的醫(yī)院卻很少。相反，許多人選擇外包他們的3D打印工具。有許多公司致力于提供此項(xiàng)服務(wù)，其中包括Insight Surgery和MedScan等。

有時(shí)使用外部供應(yīng)商更容易，因?yàn)樗麄円呀?jīng)擁有打印零件的專業(yè)知識(shí)、工具和資源。此外，外部3D打印公司可能使用對(duì)醫(yī)院來(lái)說(shuō)不實(shí)用或不安全的技術(shù)，例如能夠打印金屬的機(jī)器。

雖然這些3D打印服務(wù)可能與客戶保持密切的關(guān)系，但使用它們可能會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的交貨時(shí)間，這意味著醫(yī)院可能要幾周才能收到零件。羅斯博士解釋了這種動(dòng)態(tài)：“我們經(jīng)歷了非自愿的延誤，由于癌癥的進(jìn)展和延誤，我們無(wú)法使用植入物。公司承擔(dān)了這些延誤的成本，坦率地說(shuō)，我們并不需要這些成本......我們與業(yè)界保持著良好的合作關(guān)系，但我們嘗試在內(nèi)部完成大部分工作，因?yàn)榕c自己的員工一起做可以產(chǎn)生內(nèi)在的協(xié)同效應(yīng)。“

梅奧診所的部分缸內(nèi)固化3D打印機(jī)（圖片來(lái)源：梅奧診所）

優(yōu)勢(shì)

這些手術(shù)計(jì)劃工具最顯著的效果是可以減少手術(shù)時(shí)間、改善手術(shù)結(jié)果。《生物醫(yī)學(xué)工程在線》發(fā)表的一篇評(píng)論分析了227篇有關(guān)外科手術(shù)的文章，發(fā)現(xiàn)82%的關(guān)于3D打印和術(shù)前規(guī)劃的研究表明，使用3D打印模型代替標(biāo)準(zhǔn)術(shù)前規(guī)劃可以獲得更好的手術(shù)效果，評(píng)論中超過(guò)50%的研究表明手術(shù)時(shí)間有所縮短。

這項(xiàng)研究發(fā)表于2016年，但3D打印繼續(xù)產(chǎn)生類似的結(jié)果，甚至更好。內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院技術(shù)與創(chuàng)新副總裁瑞安·卡梅倫(Ryan Cameron)表示，借助3D技術(shù)，“我們始終看到手術(shù)時(shí)間縮短了20%到50%......這對(duì)我們來(lái)說(shuō)很正常。”

而且手術(shù)速度更快不僅意味著節(jié)省時(shí)間：還意味著患者接受麻醉的時(shí)間更少，術(shù)中失血量更少，需要的術(shù)前透視檢查也更少。此外，由于3D打印可幫助外科醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更高的精度，這些工具在某些情況下可以減少多次手術(shù)的需要。正如林克所解釋的那樣，預(yù)先進(jìn)行3D打印手術(shù)需要更長(zhǎng)的時(shí)間，“但它可以限制重復(fù)手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楫?dāng)我們進(jìn)入手術(shù)室時(shí)，我們有更好的手術(shù)計(jì)劃。”

內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院創(chuàng)建的患者專用胸部模型，用于模擬和訓(xùn)練主動(dòng)脈縮窄手術(shù)和方法。（圖片來(lái)源：朱莉婭·施泰納）

手術(shù)前，這些3D工具還可以使患者及其家人受益。羅斯博士解釋說(shuō)，通過(guò)向他們展示3D模型，“我們可以讓他們成為主動(dòng)的合作伙伴，并讓他們決定這項(xiàng)手術(shù)是否適合他們。”

當(dāng)?shù)弥∪藢?duì)自己的手術(shù)有了更好的理解后，羅斯醫(yī)生感到更加自信了。他談到癌癥患者時(shí)說(shuō)道：“對(duì)于患者和家屬來(lái)說(shuō)，這都是極其艱難的事情。”“能夠看到握在手中的模型有助于他們更好地了解腫瘤手術(shù)的性質(zhì)。”?

本質(zhì)上，這些3D工具為人們提供了清晰度。無(wú)論是學(xué)生在模擬中練習(xí)手術(shù)，外科醫(yī)生審查手術(shù)計(jì)劃，還是患者了解自己的情況，這些工具都能提供更清晰的醫(yī)療場(chǎng)景圖像，同時(shí)改善手術(shù)結(jié)果。

應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)

3D打印手術(shù)器械面臨的挑戰(zhàn)之一是成本。溫特沃斯先生討論了當(dāng)前的局限性：“一些增材制造技術(shù)仍然需要經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員才能可靠地使用。在3D打印應(yīng)用尚處于起步階段的領(lǐng)域，建立工業(yè)設(shè)備、設(shè)施的成本以及耗材、軟件和工資的運(yùn)行成本可能過(guò)高，而且投資回報(bào)尚不清楚。打印服務(wù)可以在經(jīng)過(guò)ISO認(rèn)證的設(shè)施中通過(guò)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的流程提供即時(shí)訪問(wèn)，但在建成護(hù)理中心之前，投資回報(bào)率和物流方面會(huì)稍微差一些。“

然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和更廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)建3D打印手術(shù)規(guī)劃工具的當(dāng)前挑戰(zhàn)也將不斷演變。林克在內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院創(chuàng)建了3D打印實(shí)驗(yàn)室，他解釋說(shuō)，盡管由于資金支持，醫(yī)院的進(jìn)入門檻并不高，但“我們根本無(wú)法足夠快地雇用和培訓(xùn)足夠的人員來(lái)滿足需求”。如今，醫(yī)院已做好應(yīng)對(duì)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的準(zhǔn)備。

隨著醫(yī)院3D打印基礎(chǔ)設(shè)施的改善，技術(shù)也在不斷發(fā)展。正如我們所提到的，人工智能已經(jīng)在分割技術(shù)中發(fā)揮著作用。雖然他們并不追求自動(dòng)化，但卡梅倫表示，有時(shí)候“實(shí)際上沒(méi)有辦法去除人工智能”，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)會(huì)自動(dòng)集成到某些軟件中。

對(duì)心臟圖像進(jìn)行分割的過(guò)程，其中會(huì)包含由金屬植入物和動(dòng)脈鈣化造成的明亮偽影。b部分顯示了自動(dòng)分割，但由于人工制品的存在，該分割的效果有所減弱。B部分展示了如何使用手動(dòng)分割來(lái)隔離感興趣的區(qū)域。（照片來(lái)源：Segaran等人）

但這并不意味著他們讓人工智能掌控一切。卡梅倫解釋說(shuō)：“我們并不真正關(guān)心醫(yī)生或護(hù)理人員自行做出的任何決定。”?他們反而關(guān)注決策支持系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以幫助他們提高效率，但永遠(yuǎn)無(wú)法幫助他們做出決策。卡梅倫補(bǔ)充道：“我們對(duì)承諾軟件自主性的人工智能產(chǎn)品非常謹(jǐn)慎和留心，我們有意避開(kāi)這個(gè)領(lǐng)域。”

除了軟件改進(jìn)之外，打印技術(shù)也在不斷進(jìn)步，打印機(jī)能夠比以前更快、更精確地生產(chǎn)出更逼真的多材料打印件。溫特沃斯先生表示，“其他應(yīng)用也將達(dá)到更高級(jí)的成熟階段，并因其已公布和已證實(shí)的影響而證明投資的合理性。”我的愿景是，這些目前孤立的舉措將蓬勃發(fā)展，并激勵(lì)其他人去追求可能的事情，盡管在實(shí)踐中，報(bào)銷可能是采用的驅(qū)動(dòng)力。”

事實(shí)上，成本在醫(yī)院如何利用這項(xiàng)技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。每個(gè)機(jī)構(gòu)的情況都不同，但對(duì)于內(nèi)布拉斯加州兒童醫(yī)院來(lái)說(shuō)，3D打印的發(fā)展主要由醫(yī)院支付費(fèi)用，而醫(yī)院只能依靠社區(qū)的支持才能負(fù)擔(dān)得起。

隨著所有這些進(jìn)步，使用3D打印工具進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃正在成為現(xiàn)代醫(yī)療保健的重要組成部分。技術(shù)每天都在存在并且不斷進(jìn)步；剩下的就是找到所需的人力和資金，以最大限度地發(fā)揮影響并確保最好的護(hù)理。

編譯整理：3dnatives