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(kāi)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(guò)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

圖丨3D 打印的心臟模型



沒(méi)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(lái)制定手術(shù)計(jì)劃，現(xiàn)在他們?cè)絹?lái)越傾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(shù)脂可以通過(guò)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(wú)常、制作材料有限。但在過(guò)去的幾年里，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到甚至普通家庭用戶(hù)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(guó)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。



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

圖丨尼扎爾·澤恩（來(lái)源：3dprinterworld.com）



澤恩博士表示，對(duì)肝移植的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)來(lái)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(shuō)：“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(wú)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(zhuān)家、工程師和軟件設(shè)計(jì)師組成的團(tuán)隊(duì)，企圖用樹(shù)脂“打印”出一種針對(duì)特定病人的肝臟來(lái)指導(dǎo)手術(shù)過(guò)程。

澤恩回憶說(shuō)，第一個(gè)模型非常粗糙，就像一個(gè)玩培樂(lè)多彩泥的孩子隨手捏出來(lái)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(shuō)，如果事先有這樣的模型來(lái)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(kāi)始研究如何利用活體肝臟大小的三維模型來(lái)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(shuō)，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(shuō)：“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。”



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圖丨3D 打印的身體器官——肝葉，和“有血有肉”的肝葉（來(lái)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(lái)源：N.N. ZEIN ET AL / LIVER TRANSPLANTATION 2013）



更逼真的模型

美國(guó)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(shuō)：“我只是想要一個(gè)看起來(lái)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(wèn)題，他們可能只有 30 分鐘的時(shí)間來(lái)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(guò)改良后，這種打印器官具有空間感、解剖準(zhǔn)確性和觸覺(jué)反饋，還可以用來(lái)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(guò)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。（來(lái)源：AHMED GHAZI）



為了建立腎臟模型，加齊團(tuán)隊(duì)在一個(gè)類(lèi)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(zhuān)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(ài)因斯坦醫(yī)學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)影像專(zhuān)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(guò)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(shuō)，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(shuō)，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(jué)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(kāi)，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(guó)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(lái)測(cè)試前列腺的硬度和柔韌性，并通過(guò)調(diào)整有機(jī)硅打印材料的化學(xué)成分，來(lái)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(lái)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(zhuān)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(guò)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(jiàn)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(mén)磚。起初，加齊想以這種方式開(kāi)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(jué)”來(lái)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(kāi)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。