医学诊断领域3D打印技术应用现状与展望

吴捷欣+陈强+张晓峰+杨越雄

摘 要：随着3D打印技术的不断发展成熟，该技术在医学领域有了很多成功的范例。3D打印技术可根据临床需要制作不同器官、不同部位、不同材质的医学模型，有效帮助医生制定手术方案，提高手术精度、降低手术风险、缩短手术时间、减少医患矛盾。3D打印医学模型将会在医学诊断中有广泛的应用前景。

关键词：3D打印 医学模型 增材制造 临床诊断

中图分类号：R319 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（c）-0120-02

被称为第三次工业革命的3D打印技术[1]又称3D快速成型技术。随着3D打印技术在各领域的广泛应用，3D打印医学模型制造成为在医学领域应用的范例。该文在查阅大量文献的基础上，分别从3D打印技术制作模型的过程、在医疗诊断领域的实例应用等方面进行介绍，以3D打印为出发点，介绍3D打印技术在医疗诊断领域的发展状况，并结合3D打印医学模型的认识和存在的问题，展望3D打印技术在医学诊断领域的未来前景与发展趋势。

1 3D技术制作模型的过程

通过CT扫描得到DICOM图片，采用高性能图形处理服务器和三维软件进行数据处理、三维重建，高清晰度放大，再通过工业级的3D打印机采用ABS材料，精确3D打印制作，得到等比例的三维模型。

2 3D技术在医疗诊断领域的实例应用

自1990年3D打印技术开始应用于医学领域后，该技术在医学领域也有了很多成功的范例。在骨科领域，Won等[2]、Sciberras等[3]成功将该技术应用于疑难髋关节手术治疗中，根据实际情况制定出适合每位患者的个性化手术方案，甚至为特殊患者制备有针对性的假体[4]，提高了诊断的准确率与手术的精确度，使本来难度较大的髋关节治疗手术变得更简单；在骨科领域中，3D打印技术在骨组织修复重建、骨科个性化治疗等方面也取得了较广泛的应用[5]，并且一些骨科钛合金打印体已经应用于临床并取得了较好的治疗效果。目前，笔者所在团队已为多家有影响力的医院提供3D打印服务，打印的模型包括骨科、脊柱外科、肿瘤科等方面。

2.1 骨科诊断领域

2.1.1 副拇指畸形

虽然副拇指畸形矫正手术并不算是个高难度的手术，但当患者是成年人时，如何跟患者解释手术过程显得格外重要。3D打印手术模型可以方便地帮助医生向患者展示他的畸形指骨，了解手术过程。术后医生也可以作为教学模型与其他医生分享交流，可让参与医生更直观地了解病人术前状况。

2.1.2 髋骨损伤

对于骨科医生而言，手术治疗髋臼骨折是一项巨大的挑战。经典的髋臼内固定操作需要对骨盆深部结构进行广泛的显露，这种外科显露可以产生明确相关的并发症。为了减少手术创伤，降低手术相关并发症，通过三维重建髋臼骨折部位，再用3D打印骨折部位的髋臼骨模型，手术医生可以直观观察到骨折部位的解剖结构，可以提前研究手术方案并进行预演，提高了手术的质量和安全性。

2.1.3 脊柱侧凸畸形

由于脊椎手术本身特点及脊柱的结构复杂，脊柱手术难度和危险性高。许多手术技术需要进行复杂的立体操作，这些操作在非可视的情况下进入脊柱的腹地，会进一步增加手术的风险性。因此，更可靠、更安全、更易于实现的3D打印脊柱模型对脊柱手术的术前评估起着重要的作用。

2.2 肿瘤科

2.2.1 脑部肿瘤

脑肿瘤手术中易损伤病灶周围正常组织。精确定位肿瘤所在位置及清楚周边情况，对脑肿瘤切除手术至关重要。3D打印技术可重建肿瘤部位及整个颅腔的情况，医生可清楚地了解肿瘤的情况，为手术做好准备。

2.2.2 骨肿瘤

骨肿瘤的手术治疗包括肿瘤切除和骨缺损结构重建两部分，前者术前应用解剖影像学（如CT、MRI）和功能影像学（如ECT、PET）等确定肿瘤范围，利用三维重建、血管造影等了解肿瘤所在部位的解剖特点。以往，术者依据丰富的临床经验建立肿瘤的三维构象来实施肿瘤切除手术；但对于复杂部位或微小肿瘤，切多少往往是术者顾虑的地方。3D打印医学模型可帮助术者对手术部位进行术前规划，可降低术中风险及提高手术质量，给骨肿瘤患带来肿瘤精确切除的福音，同时给予外科医生更强的自信。

3 存在的问题

最近几年，关于使用3D打印技术制作医学模型的报道很多。制作的模型类型单一，精细程度不够已经成为这些医学模型的通病，这些也是制约3D打印医学模型广泛应用的主要原因。目前使用最多的3D打印医学模型为单一器官1～2种组织的打印，如打印肿瘤生长的膝关节，目前只打印出膝关节骨头及肿瘤的大概情况，并没有在模型上体现膝关节肿瘤附近神经、肌腱、血管等复杂的分布状况等细节情况。因此，此类模型更多用于跟病患进行术前沟通，医生简单判断手术情况。

直到目前3D打印技术仍受限于造价高、速度慢、打印材料种类少等因素，导致其在临床使用缺乏普遍性和深入性。如果可以像影像学片子可以当天取片，3D打印也可以当天制作完成，医学模型的应用范围会更廣泛。

4 应用前景及展望

去年年初，日本厚生劳动省下属的中央社会保险医疗理事会已正式宣布将用于辅助医疗和手术的3D打印器官模型的费用纳入标准医疗保险支付范围。通过将3D打印器官模型费用纳入保险支付范围，日本的医疗系统能够帮助无数患者获得他们所需要的这种先进医疗服务。虽然具体的支付细节可能会根据疾病的不同有不同的要求，但是毫无疑问，对于日本的医疗3D打印行业来说，这是向前迈出的一大步，将使3D打印医疗模型成为日本医院中一个常用的辅助医疗工具。

日本的例子很好地启示我国3D打印医学模型的应用思路。在不提高或轻微提高医疗成本的前提下，引入3D打印医学模型作为辅助医疗工具，医患双方对病情有精确的了解及更深入的沟通，在目前中国国情的医疗条件下，这是一种缓解医患双方矛盾的有效方式。所以相关政策应支持或鼓励将3D打印器官模型费用纳入保险支付或医保范围。

同时，3D打印医疗器械暂未有成熟的技术服务指导或行业标准，3D打印医学模型的产品标准应如何规定，这些问题在3D打印医学模型成为常规产品前亟待解决。

5 结语

医学模型3D打印技术对术前诊断有着重要的意义，但在国内仍为受到广泛应用。相比计算机辅助手术、手术导航及手术机器人而言，3D打印医学模型的术前诊断虽然显得粗糙，但却是性价比较高的选择。随着国内3D打印机的不断研发及打印材料的成本降低，相信3D打印医学模型将会被广泛应用。

参考文献

[1] Aaron Council， Michael Petch.3D Printing： Rise of the Third Industrial Revolution[M].Gyges 3D Presents，2014：1-5.

[2] Won SH，Lee Y，Ha YC，et al. Improving pre-operative planning for complex total hip replacement with a Rapid Prototype model enabling surgical simulation[J].Bone Joint J，2013，95-B（11）：1458-1463.

[3] Sciberras N，Frame M，Bharadwaj R，et al.A novel technique for preoperative planning of severe acetabular defects during revision hip arthroplasty[J].Bone Joint J， 2013，95-B（30）：63.

[4] Benum P，Aamodt A，Nordsletten L.Customised femoral stems in osteopetrosis and the development of a guiding system for the preparation of an intramedullary cavity a report of two cases[J].J Bone Joint Surg（Br），2010，92（9）：1303-1305.

[5] 易超然，羅婕姝，王文军，等.3D 打印技术在骨组织修复个体化治疗中的应用进展[J].中南医学科学杂志，2015（43）：330-333.