本文登于《3D打印商情》報(bào)第五期

   數(shù)字化3D打印是將傳統(tǒng)醫(yī)療手段與數(shù)字化設(shè)計(jì)、3D打印、信息計(jì)算、生物工程、新材料等技術(shù)有機(jī)結(jié)合而形成的新興高科技產(chǎn)業(yè)，是和民生息息相關(guān)，是改變?nèi)藗兩?、就醫(yī)習(xí)慣、革新醫(yī)療衛(wèi)生傳統(tǒng)商業(yè)模式的重大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。  

    一、3D打印在醫(yī)療上的應(yīng)用

    醫(yī)療上的應(yīng)用從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，目前主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

    1、3D打印模型

    目前，通常醫(yī)生在手術(shù)前會(huì)根據(jù)病人的超聲、CT、核磁共等片子來了解手術(shù)部位的結(jié)構(gòu)，面對(duì)這些零散的平面的數(shù)據(jù)，要求醫(yī)生有足夠豐富的經(jīng)驗(yàn)和想象把平面的數(shù)據(jù)立體化，以便于醫(yī)生在做手術(shù)的時(shí)候更加容易找到病狀的部位?，F(xiàn)在有了3D打印技術(shù)，就可以根據(jù)這些平面數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)，在手術(shù)前，把病人需要手術(shù)的部位事先打印出一個(gè)立體三維模型，醫(yī)生在手術(shù)前就能很直觀的看到手術(shù)部位的結(jié)構(gòu)，尤其針對(duì)一些復(fù)雜部位的手術(shù)，避免手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用3D打印技術(shù)就會(huì)大大提高手術(shù)的成功率。如圖1。 所示，醫(yī)生在手術(shù)前根據(jù)模型制定手術(shù)方案。

      2、3D打印模板

    手術(shù)模型是醫(yī)生在手術(shù)中輔助手術(shù)的重要工具，尤其是異型或個(gè)性化的模板，可極大提高醫(yī)生進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)的成功率。比如，醫(yī)生在進(jìn)行穿刺手術(shù)時(shí)，需要在病灶部位將針穿入體內(nèi)，如何保證穿刺孔的位置、方向和深度？這往往需要依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)完成。如果事先根據(jù)病灶設(shè)計(jì)并打印的導(dǎo)板孔貼在病灶處，穿刺針頭沿著導(dǎo)板孔，很容易保證穿刺的位置、方向和深度。

    此外，為了保證手術(shù)順利進(jìn)行，在手術(shù)過程中病人是不能動(dòng)的，目前，醫(yī)生唯一的辦法就是借助麻醉劑，讓病人昏睡過去。為了防止病人在手術(shù)半途中清醒過來，麻醉劑的用量就非常關(guān)鍵了，麻醉劑如果過量的話是很危險(xiǎn)，這樣的醫(yī)療事故屢見報(bào)端。但如果在醫(yī)生手術(shù)的過程中也有一個(gè)像機(jī)械加工那樣的夾具的話，這個(gè)問題就能很容易地解決，難題就在于每一個(gè)病人都是不一樣的，手術(shù)的部位也不同，如果要針對(duì)每一個(gè)病人來做一個(gè)夾具就太困難了，但是有了3D打印，這個(gè)問題也能迎刃而解。

    再如種植牙齒，目前種植一顆牙需要一兩萬塊，種植體本身就像一個(gè)螺絲一樣，怎么樣才能把假牙精確地種植在牙床上，在沒有用導(dǎo)板之前就完全要靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，所以有的醫(yī)生高明收費(fèi)也相對(duì)要高，這就是為什么種植一顆小小的牙需要花費(fèi)那么高的原因，一顆假牙的重量就二三十克，價(jià)錢比黃金還要貴，實(shí)際上它的材料就是原始的不銹鋼、鈷鉻合金或鈦合金等。但如果有了導(dǎo)板的話（如圖2所示），種植牙的難度就會(huì)大大降低了，普通的醫(yī)生也能做到，這樣就能降低假牙種植的花費(fèi)。

    3、3D打印植入體

    在不久的將來。3D打印在醫(yī)療當(dāng)中另外一項(xiàng)應(yīng)用將會(huì)普及，即植入到體內(nèi)的植入物。由于國(guó)內(nèi)對(duì)人體植入物的要求比較高，國(guó)家藥品管理局設(shè)置了一定的門檻，植入體需要三類醫(yī)療許可證方可應(yīng)用。而3D打印植入物是針對(duì)個(gè)人來定制的，沒有了固定的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，因此，這個(gè)許可證頒發(fā)起來就比較困難。目前這個(gè)應(yīng)用僅僅在于臨床試驗(yàn)階段，在這方面已經(jīng)有了很多成功地案例。由于還是沒有一個(gè)3D打印的產(chǎn)品獲得了醫(yī)療許可證，這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模推廣還有困難。

    4、組織工程

    組織工程是生物醫(yī)療3D打印的一個(gè)前沿方向。目前，器官移植的供體嚴(yán)重缺乏，供體的來源主要依靠捐贈(zèng)，每年需要的器官移植幾十萬例，而真正捐贈(zèng)的卻很少很少，如果3D打印組織器官在器官組織工程中得到進(jìn)一步的發(fā)展，制造出真正可用的器官，就能解決這一難題。

  圖3為美國(guó)康奈爾大學(xué)利用生物高分子材料3D打印出能正常工作的心臟瓣膜。

    二、3D打印在腫瘤治療上的應(yīng)用

    據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)腫瘤患者大概是600萬人左右，且每年以5%的速度在遞增，即每年新增的腫瘤患者約為30萬人。由于腫瘤本身的死亡率非常高，每年死于腫瘤的患者大概也是幾十萬人，因此總體上腫瘤患者的保有量在600萬人。

    目前，腫瘤治療的方法通常有手術(shù)、放療、化療、生物治療、中醫(yī)，或者是使用各種方法結(jié)合起來進(jìn)行治療，然而，這些方法都不盡如人意。一般來說通過治療患者生存超過五年以上就算是治療成功了，大多數(shù)患者查出腫瘤以后往往都是癌癥晚期，生存時(shí)間不超過兩年，死亡率特別高。事實(shí)上，科學(xué)研究表明有很多方法可以殺死癌細(xì)胞，比如用稍微高一點(diǎn)的溫度，或用一些放射性的方法，抑或是一些化學(xué)藥物都可以殺死癌細(xì)胞。其中一個(gè)最大的問題是怎么樣才能在把癌細(xì)胞殺死的同時(shí)而又不影響人體其他正常的組織。現(xiàn)在能有效殺死癌細(xì)胞的常用方法是放療、化療，但是用放療、化療的方法殺死癌細(xì)胞的同時(shí)，人體正常的組織細(xì)胞也被殺得差不多了，副作用太大。是否有一種方法或找到一種方法只殺癌細(xì)胞而不傷害正常的的組織呢？這種想法很早就有人提出來了，就是把殺死癌細(xì)胞的放射性的粒子植入到腫瘤體里面去，也就是通常所說的“放射性粒子植入治療技術(shù)”， 這個(gè)放射性粒子叫碘125，碘125的直徑為0.8毫米，長(zhǎng)度一般為4.5毫米，這樣一顆小小的碘125能夠殺死周圍幾個(gè)立方厘米的癌細(xì)胞。這種方法雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用的不多，或者說成功地案例不多，其中最大的難題就是怎么把這這么多的小小放射性粒子均勻地植入到整個(gè)腫瘤體內(nèi)。美國(guó)人通常用的方法是超聲波的引導(dǎo)方法或者X射線的引導(dǎo)方法，整套系統(tǒng)非常地復(fù)雜，不易操作，而且非常昂貴，極大地阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的推廣。國(guó)內(nèi)很少用，或者說這個(gè)方法還不是一種主流的治療腫瘤的技術(shù)。

    3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，這種治療腫瘤的方法有望得以普及。

    首先，要根據(jù)腫瘤的形狀、大小來設(shè)計(jì)、計(jì)算需要植入多少顆放射粒子，才能把癌細(xì)胞完全殺死。因此，第一步要獲得腫瘤的形狀和大小等信息。獲得腫瘤形狀的方法現(xiàn)在有很多種，像CT掃描、核磁共振等，用這些方法獲得腫瘤斷層的數(shù)據(jù)后，對(duì)斷層掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)。在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)腫瘤的三維模型，可以計(jì)算出所需要的粒子數(shù)量并規(guī)劃出粒子的排布（如圖4所示）。第二步是把粒子植入到腫瘤體內(nèi)。現(xiàn)在通常的方法是微創(chuàng)穿刺手術(shù)，即把粒子放置在針頭，用一根針刺入腫瘤內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的方向和部位下針，待到粒子達(dá)到設(shè)定的位置后，把粒子放下，再植下一個(gè)粒子。這樣一一將事先設(shè)計(jì)好的粒子放置在所設(shè)計(jì)的位置。整個(gè)過程可以先在電腦里面設(shè)計(jì)模擬出來，用多少根針，從什么方向，把粒子一一地放進(jìn)去，見圖5。第三步，就要用到3D打印了。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖4  根據(jù)三維腫瘤的模型設(shè)計(jì)、計(jì)算粒子的數(shù)量與分布。

    上例中根據(jù)腫瘤的大小和形狀，計(jì)算出需要粒子數(shù)為46顆。根據(jù)粒子分布的位置，設(shè)計(jì)出穿刺導(dǎo)板的方向和位置，如圖5。

圖5   頜面腫瘤放射粒子植入導(dǎo)板設(shè)計(jì)

    根據(jù)病人不同的病灶，可以設(shè)計(jì)不同的導(dǎo)板，用3D打印出來，如圖6。 手術(shù)時(shí)，醫(yī)生只要沿著導(dǎo)板的針孔形狀把針一個(gè)一個(gè)地插進(jìn)去，就能順利、很簡(jiǎn)單地將粒子植入到腫瘤體內(nèi)。放射粒子植入進(jìn)入以后，可以通過CT觀察植入的情況。

    自從北京工業(yè)大學(xué)提出3D打印導(dǎo)板輔助腫瘤粒子植入以來，已和北大口腔醫(yī)院等單位合作，做了60多例的臨床實(shí)驗(yàn)，效果很好。但是導(dǎo)板作為一種醫(yī)療器械，要想大規(guī)模地推廣也需要獲得國(guó)家的醫(yī)療許可證，只是這種導(dǎo)板并不需要放到人體內(nèi)，僅需獲得二類的醫(yī)療許可證即可。目前，北京工業(yè)大學(xué)正和國(guó)藥集團(tuán)合作，推廣該項(xiàng)技術(shù)，希望能夠更快地造福廣大腫瘤患者。

為了快速打印出腫瘤穿刺手術(shù)用的導(dǎo)板，北京工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)了一款小型的3D打印機(jī)（圖7）提供給醫(yī)生專門用于導(dǎo)板的打印，這些導(dǎo)板能夠直接在手術(shù)臺(tái)邊上設(shè)計(jì)好以后馬上打印出來使用。

      圖7    小型3D打印機(jī)

    現(xiàn)在，這種3D打印在醫(yī)療上的應(yīng)用從技術(shù)上的角度來說沒有什么障礙，最大的難題在于缺乏復(fù)合型的人才，醫(yī)生對(duì)打印的問題不是很了解，而商家對(duì)于設(shè)計(jì)導(dǎo)板也不是很精通，這中間缺乏一個(gè)“醫(yī)學(xué)工程師”。

    其次是打印材料，它要求使用生物醫(yī)用的光敏樹脂，樹脂本身是一種化工材料，我們?cè)谏陥?bào)醫(yī)療許可證的時(shí)候發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的樹脂不過關(guān)，所以現(xiàn)在使用的光敏材料都依賴國(guó)外進(jìn)口。此外還涉及到一些軟件，現(xiàn)在用的軟件絕大多數(shù)都使用國(guó)外軟件。因此，我們要做的工作還有很多。

作者：北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院  陳繼民