3D打印技术在临床医学中的应用

徐鑫佳 周正皓 罗芳 张翠 杨伟业

摘要：3D打印技术，即在通过计算机技术堆砌出数字模型后，将该数字模型作为原始数据，快速构建与模型相同形状的物体的技术。在本文中，通过文献资料的搜集，对于3D打印技术在医学中的运用进行概述，通过对过去3D打印技术在医学领域内运用的发展情况进行总结，对未来3D打印技术的发展做出趋势性预测。

关键词：3D打印技术;临床医学;模型;临床应用

【中图分类号】 R4    【文献标识码】 A      【文章編号】2107-2306（2022）03--01

在医学临床领域，3D打印技术的应用范围也非常广泛，例如，可以将一些较为罕见案例中患者患病的特定部位的数据通过计算机技术进行处理，堆砌出原始模型，通过3D打印技术可以做出一模一样的模型道具，用于医学生的学习或是医生的术前研讨，有助于提高医学手术的精确度和成功度。此外，包括患者的假肢，体内植入物，外科手术夹具等，均可以通过3D打印技术制造。在本文中，通过文献资料的搜集，对于3D打印技术在医学中的已有的运用进行概述，通过对过去3D打印技术在医学领域内运用的发展情况进行总结，对未来3D打印技术的发展做出趋势性预测。

1、3D打印技术在脑外科的应用

3D打印技术应用于颅骨修补、颅骨损伤、脑血管、脑肿瘤等各种方面，但在颅骨修复方面更加广泛。在颅骨修复手术中合理的加入颅骨修复材料，不仅可以有助于颅骨形状的复原，而且可以大大促进大脑功能恢复。近年来，颅骨修复的材料也历经多次变化，从最初的自体骨头到如今的硅胶和橡胶等材料，随着新的技术手段的出现，材料的弊端会渐渐显现出来，为了顺应技术与时代发展的需要，材料的发展必须与时俱进。目前来看，在颅骨修复材料领域的研究中，专家对于钛合金与聚醚醚酮的研究最为成熟[1]。3D打印技术的发展立足于影响数据技术的发展，在计算机原始模型的加持下，通过降陶瓷粉末或金属粉末等原材料进行层层打印叠放，精准堆砌，可以根据计算机模型的变化，打印出任何形状的物品，随着技术的迭代与更新，临床医学领域早已离不开3D打印技术[2]。

脑CT血管成像已成为脑肿瘤、脑血管瘤等相关疾病的重要检查方法之一。然而，由于脑CTA一直是在二维胶片上成像，尽管在处理工作站上可见三维重建图像，但仍欠缺直观的实物模型展示。随着3D打印技术在医学领域中的扩展，以最初的CTA数据作为基本，实现脑动脉及其邻近组织结构的3D打印，对于颅内占位性病变的诊治，提供了新的视觉、新的手段。脑动脉3D打印可按1：1比例大小模拟脑内血管结构，明确病灶的位置、大小范围及邻近组织结构关系，为术前手术方案的制定，模拟手术过程提供帮助;同时对避开重要神经功能区，减少术后并发症具有重要意义[3]。

2、3D打印技术在骨科的应用

（1）打印实物模型。通过X线等影像资料，在临床实际工作中，特别是在骨科方面，是在骨科手术之前进行术前分析和术前讨论的一项常规检查和操作，但是这些传统的图像资料，对于缺乏经验、空间感的医生来说比较抽象，如果运用3D打印技术，就可以对患者进行模型制作，将骨折形态通过具体的3D模型展示出来，使得医务人员可以清楚的了解病变的位置、严重程度以及提供更为准确、逼真的解剖学结构。目前，3D打印技术在尸体标本和临床实验中应用取得令人了满意的效果，成功制作出了骨科实物模型，成为进行骨科手术术前模拟、方案设计、术中辅助手术操作等方面的有效工具[4]。

（2）打印手术导向的模板。随着我国互联网信息技术与数字化信息技术的快速发展，将数字化技术运用在临床医学领域中的模式早已存在多年，进而在手术中，通过3D打印技术产生的手术导向模板的应用数量也在逐年攀升，这种通过3D打印技术产生的手术导向模板与传统手术模板存在诸多差异，相比较而言，其具有以下几个优点：①有助于提高定位螺钉打入的准确性与精确度，大大提高人体关节手术的成功概率;②简化手术操作，即使是三维空间及方向感较差的医师也可以灵活适应，使负复杂难搞的手术的变得现对简单、容易;③X线透视次数减少，患者及术者放射线辐射量也得到减少;④进行个体化治疗，如果能对术中骨性异常部位及生理骨骼解剖标志准确的找到定位点，就能实现个性化治疗，一对一治疗。⑤节省了空间，降低了感染率，减少了操做复杂程度，这是传统的计算机辅助导航技术不开相比的[5]。

（3）打印内植物。在骨科疾病中，由于骨组织损伤，骨关节的相应功能也会受损。而骨组织损伤的情况往往较为复杂，所需的骨内置物形态不一，功能也不同。传统的支架及内置物形态、款式、功能较为固定和单一，都是按照型号来定制。应对常规的骨折损伤也行能应对，但对于稍微复杂的骨组织损伤，就较难很好的应用于临床，也不能较好的满足患者的需求。但如果采用3D打印的技术，不仅符合患者自身体质，而且做3D打印的个体化定制的植入骨科内植物具有复杂形状、层次和结构，不仅起支撑作用，还具有较强的生物活性，且制作所需时间相对较短、操作现对简便，为实现个性化定制提供了更多的可能性。就连类似于骨小梁的微孔结构，3D技术也可以轻松应对[6]。

（4）打印骨科康复器械。传统方法制作的骨科康复器具很难满足患者个体化的需求，影响佩戴的舒适度甚至康复效果。通过3D打印技术，运用不同材料例如金属、塑料、陶瓷等打印出不同材质的产品，可根据不同病症、不同要求、不同尺寸康复器进行个性化定制，使打印出的器械精确接近解剖结构，更贴合于人体。使用3D打印，对于正在生长发育的儿童来说，能使成本大幅较低，相比于传统骨科康复器材的频繁跟换，3D打印是非常实惠的[7]

3、3D打印技术在器官上的应用

在临床应用中，3D打印技术也可广泛应用于定位器官，比如在肝脏手术过程中。目前，在外科手术领域，一般患者发现患有恶性肿瘤疾病后，为了最大程度的有效抑制后续病情的继续恶化，所以医生大多建议患者通过外科切除手术进行治疗。虽然外科切除手术的对病情的作用显著，但由于其内在结构复杂，生理构成具有特殊性，所以在进行手术操作过程中，难度系数较大，一旦出现意外操作，很可能对患者产生巨大危害[8]。该类疾病能否成功痊愈极度依赖手术切除过程中，主刀医生对切除精度的把握，例如，对肿瘤定位的精准掌握与肝脏内部结构的精准掌握等[10]。在治疗过程中，通过将CT数据导入到专业的软件平台，可以通过三维技术对患者患病器官的内在结构进行数字化构建，包括平面构建、立体构建、局部及整体构建，满足医生对于病情的研究需要。此外，还可以对患病器官进行动画模拟切割操作，模拟手术过程，提高医生制定手术预案的效率，大大提高手术成功的概率。最后，将该平台的模拟数据链接保存到3D打印机中，在选择合适的打印材料过后，可以进行3D仿真打印，进行可触摸式的手术模拟，并进一步对手术预案进行完善[9、10]。

4、3D打印技术在牙科的应用

在口腔医学领域，假牙是必不可少的，从最开始的制作金属牙到现如今的陶瓷牙，技术在不断的进步。通过实验的深入研究，我们可以渐渐发现医用合成金属之间存在的差异与联系，在合金的制造过程中，通過工艺材料的改良，可以有效加强合金密度，进而提高其表面的粗糙程度，提升金属与瓷之间的融合度。在陶瓷牙齿的制作过程中，通过激光对其表面进行加工，可以在短时间内产生大量的热量，提高牙齿表面的温度，但该热量会在较短的时间里散发，牙齿表面在淬火后可以快速形成一层氧化膜，改善陶瓷牙齿的整体性能，提高其耐磨性和使用周期。3D打印技术所具有的激光加工功效，可以促进颗粒感的产生，所以3D打印技术可以产生比铸造合金更高的强度[11]。

以目前的技术来说，3D打印技术结合光固化成型技术与牙科陶瓷的应用会越来越广泛，并且为了满足人们日益增长的需求，会更加的追求精致，因此牙科陶瓷具有非常广泛的发展前景。

5、讨论

本文对临床医学领域内3D打印技术的广泛运用进行了细致介绍。从目前的情况来看，我们可以发现3D打印技术现如今在我国临床医学领域内深受喜爱，无论是术前诊断还是手术中的辅助工具，3D打印技术都对临床医学的发展起到了不可替代的重要作用。虽然3D打印技术的应用广泛，但是其实我国3D打印技术的发展仍处于研究阶段，只有一部分技术投入到了实际运用中，在未来的技术研发过程中，对于打印的精准度与打印材料的研究将会成为重点研究对象。此外，随着打印技术的升级，打印设备的高昂成本也是急需解决的问题之一，对于优化打印设备成本方面还有很长的路要走。我相信，随着社会需求的发展与科学技术的完善，3D打印技术在临床医学领域内的运用程度将会进一步扩大，其机器造价过高的问题也会找到合适的解决方案。

参考文献：

[1]卢磊，陈旭义，李一鹏，刚琳，涂悦.颅骨修补材料研究现状及3D打印技术应用前影[J].中国组织工程研究， 2016，20（52）：7885- 7890.

[2]李冠，王金宝，陈欣桐，黄伟，刘文源，曹东兵，邹明字.低辐射剂量CT扫描技术在脑动脉3D打印中的应用研究[J].重庆医科大学学报，2019.

[3]樊继军，马彦.3D打印技术在创建个性化颅骨病损模型实现可视化手术规划中的应用[J].宁夏医科大学学报，2016.

[4]韩国嵩，马广文，黄斐，吴云峰，廖法学，尹宗生. 3D 打印技术在骨科中的研究进展[J].安徽医药，2015，19（12）：2259-2262

[5]吴帆，王立军，崔慧先.3D 打印技术在创伤骨科中的应用进展[J].临床误诊误治，2015，28（10）：113-116

[6]刘忠军.金属 3D 打印骨科内植物的应用现状与发展趋势浅析[J]. 骨科临床与研究杂志 ，2017，2 （ 2）：65-67

[7]李慧英，杜立龙 .3D打印技术在骨科中的应用进展[J].天津医药，2018，46（9）：1023-1026

[8]焦作义，俞泽元.原发性肝癌外科治疗进展[J].中华肝脏外科手术学电子杂志，2016，10（5）：281-284

[9]马进，耿小平.三维可视化技术在复杂型原发性肝癌术前规划中的应用[J].中华肝脏外科手术学电子杂志，2016，5（2）：72-76.

通讯作者：杨伟业，男，研究生，讲师，研究方向：光学工程。

基金项目：遵义医科大学大学生创新创业训练计划。

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