3D打印技术在外科手术中的教学与应用

孙爱军

【摘要】本文基于3D打印技术的特点，介绍了3D打印技术的基本原理以及3D打印的局限性和优势性，阐述了3D打印技术在外科手术临床与教学中的现状与发展。3D打印技术的立体建模有助于学员在最短的时间内掌握疾病的内部结构及分型特点，并对手术方案及具体难点有提前了解，对手术部位进行1：1复制，进行仿真手术，从而达到精准手术要求。

【关键词】3D打印  外科手术  仿真

【中图分类号】R687.3;TP391.73  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）50-0162-02

1.引言

3D打印技术（Three Dimensionall Printing，3DP）是属于增材制造的一种，它最早诞生于20世纪90年代，主要应用在制造业、航天航空业以及军事领域。随着3D打印的材料和控制技术的发展，人们不再满足这种先进的技术只局限在原型制造和模型生产上，开始向更多的领域拓展。尤其在医学领域的外科手术中，作为目前先进的3D打印技术已经不断的与医疗行业紧密融合，3D打印技术已然成为了外科手术临床与教学不可或缺的重要组成部分，也为精准医疗的实现和发展提供了新的思路与保障。

2.3D打印基本原理

3D打印技术可根据模型的三维数据信息，可以快速、准确地制造出三维实体的，一种基于离散/堆积成型思想的快速成型技术。其属于快速成形技术的一种，其以数字模型为基础，运用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层堆叠的方式来构造物体。过去常在建筑、军事、医疗等领域中应用。目前，3D打印技术日趋成熟，逐渐用于一些产品的直接制造。这就意味着“3D打印”这项技术正在不断普及。目前，在医疗领域3D打印技术已被逐渐应用，并且已经成为全世界较为前沿的研究领域。

3.3D打印在外科手术上的应用

随着CT（Computer Tomography）、MRI（Magnetic Reson？鄄ance？鄄imaging）、PET（Position Emission Computed Tomography）等技术和数字化医疗技术的快速发展，医生简单而又快速准确地获取病人的三维数據信息，在建模及数据处理后，立体模型就会被快速构建完成。医生可根据医疗模型诊断病情，制定更加具体详细的手术方案，研究术式及模拟手术过程。医疗模型的应用将使得手术更加精准，手术时间缩短且可提前练习，在提高高难度手术成功率的同时也大大降低了并发症的发生率。在医学领域中对于3D打印工艺和精度要求的对比如表1所示。

表1  3D打印比较表

如今在医疗领域中，所使用的3D打印技术主要有以下几种：光固化（Stereo Lithography Apparatus， SLA），多喷头喷射（Multi？鄄jet，MU），数字光固化（Digital Light Processing， DLP），选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS），熔融沉积（Fused Deposition modeling，FDM），叠层实体（Laminated Object Manu？鄄facturing，LOM），电子束熔融（Clectron Beam Melting. EBM）等。同时能够被3D打印技术所利用的医疗领域材料也较多，主要有金属粉末、热塑性塑料、石营粉末、陶瓷粉末、钛合金、光敏聚合物、铝箔、塑料等。2015年9月11日，3D打印技术在医学界再次获得重大突破，西班牙成功施行首例3D打印钛合金胸肋骨植入手术。2014年8月28日，西安市周至县的胡伟（化名）在盖房时不幸被电弧击中头部，由3层楼房高空处坠落，被送到医院紧急手术后虽然保住了性命，但还是导致头盖骨缺失，毁容严重。第四军医大学西京医院采用3D打印技术来辅助，成功实施手术，使其成功恢复外观。

目前在国内，用于医疗的三维模型已被用于骨科、口腔颌面外科等科室的诊断、术前评估及术式的确定。3D打印技术在外科手术中主要用于：（1）诊断与预判;（2）手术模拟;（3）术中导航。在与传统方法相比，医疗影像是难以了解人体内部关节组织的破损状况，而3D打印可以建立有效的三维物理模型，利用医生的经验结合医学影像和三维仿生模型可以直观的了解患者的病情。在外科手术中对于一些青年医师来说，没有丰富的经验一场手术的风险率往往较高，而有了3D打印技术的辅助我们就可以模拟出逼真的模拟环境，可以调整手术方式优化手术方案。总的来说，3D打印技术能非常直观地显示人体内外结构，而医疗信息的获取也更加丰富，在具体应用中有很好的发展前景。目前3D打印在外科手术中成功实现的案列有很多：

（1）如复旦大学附属中山医院利用三维技术呈现的医疗模型）为一例主动脉瓣重度狭窄合并关闭不完全患者实施了主动脉瓣置换手术（TAVI）规划与导航，在医疗模型的帮助下，TAVI手术成功进行。

（2）沈阳军区总院利用生物3D打印技术构建的肾盂成形术模型、肾部分切除术模型、肾根治切除术模型被应用到青年医师教学中，教学效果良好。IGAMI等生物3D打印出的人体肝脏模型，此模型被用于肝脏小肿瘤切除手术上，模型的使用提高了手术的成功率。

3.1 3D打印在骨骼外科手术中的应用

3D打印技术可以将虚拟的计算机辅助设计矢量模型快速的转化为“三维实物模型”，由于3D打印实物模型具有很强的立体直观性，所以目前已经广泛应用在不同领域。目前3D打印技术主要是在复杂的肿瘤切除、脊柱畸形及损伤、整形、口腔下领骨修复、骨缺损和假体制作等领域中有着广泛的应用。

它是通过提取CT、MRI扫描数据，在经过专业软件处理，重建三维模型，并通过3D打印技术制作出实物模型，更加准确地发现传统影像资料隐藏的解剖信息，并且还可以直接在打印的物模型上进行预判诊断、制定手术方案、模拟手术操作，还可根据患者需要设计、制造个性化器械从而提高疾病的诊断精准率，增加手术的安全性。

3.2 3D打印在医学领域的未来

随着医学水平的发展外科手术的要求越来越高，3D打印技术的优势也越来越明显，相信在外科手术的应用上也会越来越成熟。不足之处也会随着技术的发展得到解决，在临床中与教学中将更加广泛。未来3D打印技术必将极力推进人类医疗事业的蓬勃发展。

4.结论

3D打印技术在人才培养、技术创新等方面具有很多教学手段难以替代的优点，是未来临床教学发展的必然趋势。3D打印模型虽然在一定程度上弥补了学员对疾病的感性认识，但3D打印的实物模型仍存在以下不足：（1）3D打印技术在手术上的应用还在探索阶段，需要不断地完善与积累;（2）3D打印模型在多种材料同时打印甚至包括生物材料打印方面还不够完善，只能较为真实地再现肌肉、血管和神经的走形和分布;（3）3D打印模型模拟手术的截骨及植入等操作与实际人体内的操作过程相比，达不到理想状态。

参考文献：

[1]李曙明，李萌，杨益民等.3D打印及计算机辅助技术在骨科临床教学中的应用探讨——以复杂脊柱畸形治疗为例[J].中国医学教育技术，2015（2）：191-194

[2]孔金海，钟南哲，王君成等.3D打印模型在临床八年制情景教学中的应用[J].基础医学教育，2015（10）：924-926.

[3]贺卫卫，贾文鹏，刘海彦等.快速成形技术在金属多孔材料制备中的应用研究现状[J].稀有金属快报，2008（8）：45-49.