协同创新背景下以3D打印为基础的个性化医疗产品设计

蔡伯鸿 吴丹婷

（四川美术学院,重庆 400000）

一、协同创新背景

（一）协同创新概述

在设计学视域中，协同式创新也被称之为“体验式协同设计”（Experienced-Based Co-Design），最早由英国伦敦国王学院Sara Donetto博士的研究团队提出。Sara博士认为，协同式创新能够通过将设计活动各受益方统合为一个整体，对设计方法、设计策略以及设计决策进行推动，从而更好地解决设计活动中对设计需求的定义并构建出更贴合最终使用者行为方式的解决方案。这一理念确保了设计活动能够更为直接且高效地服务于设计活动的各相关方。

（二）协同创新对医疗领域的影响

协同创新的核心是用户参与的体验式设计，该设计模式对医疗领域的影响尤其显著。医疗设计的最终服务人群中包括有专业技术极为特殊的医护群体和因受伤或生病而需要医疗救助的病人群体。由于这两类人群的特殊性和敏感性，导致医疗设计处于一个复杂且多变的环境之中。在医疗设计中设计师作为设计活动的直接参与和推动者，需要综合医生和病人的需求，并提出创新性的解决方案，解决实际的医学诊疗难题。由于协同设计可以综合设计活动各利益方的需求，这一设计方法在急救医疗、癌症护理、康复诊疗、心理诊断等方面都发挥了重要的作用。在以“体验”为核心的设计思想和设计流程中，设计师可采用诸如触点、情感映射和体验反馈等具体方式进行设计的理念创新和实践突破。协同式设计也将医生和病人的个体意见纳入设计决策当中，通过创新设计反应相关群体的真实需求，从而缓解日益增长的医患矛盾。

（三）在医疗产品设计中协同创新的工作方法

在医疗产品设计中的协同创新主要是设计师和医学专家的协同工作。由于个性化医疗产品的特殊性，所以在设计时应该将患者的意见纳入思考范围，因此协同设计创新是在设计师、医学专家、患者三方紧密合作的基础上开展的协作和创新。这一过程主要可分为三个阶段：需求定义、互动式设计、临床应用。（1）协同式需求定义：在这一阶段中，有别于传统的单线式设计调研，设计需求仅来自设计师的独立探索或直接采纳有医疗方（医学专家或患者）提出的问题要素，设计师将需要对医疗方所提出的现有问题进行深度调研。设计师通常需要深入医学诊疗一线进行学习和观察，并通过实际概念模型测试的方式，对项目所涉及的医学知识和设计痛点进行测试并获得来自医疗方的反馈。因此在协同式需求定义阶段，引入模型测试的环节，以确保设计方向的正确性。（2）互动式设计阶段：这一阶段将是设计方案从概念到功能化演变的重要环节。在此过程中，医疗方的一手临床经验将对设计方案的发展起到至关重要的作用。同时，医学临床经验在促进设计方案逐渐成熟的过程中，也将对设计的实施起到具体的限定作用，以确保设计方案的推进始终处于服务一线医疗需求的框架之下。因此，在此阶段需要设计师和医疗方进行更为紧密的协同，针对设计原型进行多轮次的反复测验和修正。最佳的原型测试环境是医疗一线的真实使用场景。（3）设计方案的临床应用：这一阶段代表设计项目已经取得阶段性的成果，可以开始应用于临床一线的诊疗环节。但这并不代表设计项目的终解，相反，由于临床应用的复杂性和多变性，设计方案能够在这一阶段得到彻底地检验，从而为设计方案的进一步改进提供的方向和空间。这一阶段也可视为新一轮设计的需求定义。

二、3D打印在医疗设计中的应用

3D打印作为一种工业制造手段，因其增材式制造的加工特点，使其拥有传统制造方式所不具备灵活性和极高的成本效能。借助3D打印技术可使设计构想得到快速成型并实现设计方案的快速测试和迭代。在医疗设计领域，3D打印技术获得了极大的发挥空间。由于医学诊疗当中将面临各式各样的患者和病情，其治疗方案也不尽相同。但在传统的医学诊疗的过程中，医护人员仅能根据患者情况的不同，在有限型号的医疗产品及设备中选用相对适宜的一款对患者进行诊治。这导致诊疗器械不能完全符合患者的个体需求，使诊疗效果受到极大的限制。

但借助3D打印技术，医护人员完全可以根据患者的个性化需求，为其量身定做相应的诊断和治疗器械及工具。近年来，3D打印的个性化关节产品就在骨科诊疗得到了良好的应用。医学专家根据患者的个体解剖学结构和病情特征，为其定制需要替换的人造关节，再将个性化的关节植入患者体内。这类个性化医疗设计很好地解决了人造关节与患者自身情况不匹配的问题，使治疗效果、术后恢复以及患者的长期使用情况都得到了极大的改善。

（一）3D打印的发展

从基本工作逻辑而言，3D打印的工作方式与2D平面打印并无本质区别，都是将数字化信号进行物理性打印的过程，区别在于3D打印是叠加式的2D打印，通过层层累积的方式加工出模型的立体构造。在3D打印技术的发展过程中，除了制造工艺越加丰富和精细之外，主要的发展重点在于材料学的突破。纵观3D打印技术的发展历程，不难发现其应用的广度与可使用材料的多样性密不可分。从最早期的塑料线卷材料发展到如今的高强度金属材料、生物相容性材料、和复合材料等。3D打印也从最早期仅可用于样品模型制造发展到了如今涵盖设计、医疗、生活、交通运输、航空航天等领域，几乎实现全行业覆盖的规模。因此，3D打印技术的发展也可看作是材料科学的不断进步。设计师在应用3D打印辅助设计工作的过程中，也是对适宜材料的选择过程。在医疗健康领域，用于3D打印的材料多为耐高温或生物相容性材料，以保证所打印的产品在使用时能进行消毒和清理，同时在制作可植入装置时，避免引发过敏或免疫排斥反应。

（二）个性化医疗3D打印的数据来源

在医疗3D打印领域，用于打印加工的数字化模型是实现个性化医疗的关键。为了针对患者个体情况及病情特点进行设计制作个性化医疗设备，首先需要获取患者的个性化解剖数据。目前，在生物体解剖数据获取方面主要包含3D扫描和医学图像数据两大类别。3D扫描的技术特点主要是对物体表面被动或主动的光波进行捕捉进行数字化成像。基于此特点，3D扫描主要是帮助技术人员获取人体体表形态特征，这类数据在义肢制作和口腔医疗等非介入性领域得到了较为广泛的应用。通常设计师采用此类数据设计制作与目标患者的体表结构相匹配的个性化穿戴式设备，提高此类设备的匹配程度和穿戴舒适性。

在很多个性化介入性治疗当中，由于需要根据人体骨骼和器官的形态进行个性化设计和制作，仅能获得生物体体表数据的3D扫描手段就无法满足需求。在此情景下，通常采用医疗图像数据作为个性化设计的基础。在这里所使用的医疗图像数据包含有计算机断层扫描（CT）、核磁共振扫描（MRI）以及超声扫描数据。医学图像数据通过断层扫描的原理，对人体内部的骨骼、肌肉、器官等生理结构进行准确的成像，医生可以通过对各断层扫描数据的平面图像对病人的病情进行诊断。在医疗3D打印领域，设计师可以借助医学图像软件，对多分层的断层扫描数据进行逆向还原，从而获得反映人体真实解剖结构的数字化3D模型。以此模型为基础，设计师将可进行有针对性的个性化医疗设计。

三、个性化医疗设计案例

本文介绍的个性化医疗设计案例是与新加坡野生动物救助中心合作，以拯救罹患癌症的大犀鸟为目标而进行的个性化医疗设计。由于此次项目的目标患者较为特殊，野生动物无法像人类一样与医生和设计师进行交流，这为设计的开展和实施提出了更高的要求，需要设计师更为谨慎地审视设计方案，并与医生进行更为密切的交流和讨论，以确保设计的最终目标得以实现。

（一）项目背景

大犀鸟是一种主要分布于印度和东南亚的大型鸟类生物，其主要特征是头部长有形态独特并且色彩鲜艳的盔体和喙。特殊的外形使这种鸟类受到人们的喜爱，但同时也使他们成了盗猎者的目标。由于猖獗的盗猎行为，近年来野生大犀鸟的种群数量急剧下降，已被联合国列入了珍贵动物的保护名录，其栖息地所在的各国也积极采取措施保护大犀鸟。威胁大犀鸟生命的不仅有盗猎者的猎枪，还有罕见的疾病。盔体鳞状细胞瘤是大犀鸟的易发疾病。由于发病位置多靠近大脑，导致常规的治疗手段效果极为有限。在近几年中，仅新加坡飞禽动物园就已出现过多例大犀鸟因罹患癌症而去世的情况。因此当本项目的患者Jary再次被确诊之后，新加坡野生动物救助中心的医疗专家们决定尝试以手术切除肿瘤的方式进行治疗。

本次患病的Jary发病时为23岁，根据这种鸟类通常40岁以上的寿命来看，它还处于壮年阶段，专家预测Jary将有机会在手术后快速恢复。但由于飞禽类生物的生命力相较大型哺乳类动物更为脆弱，手术中的失血以及术后创口的感染都极有可能造成致命后果。基于这些问题，动物医学专家向设计师寻求解决方案。

（二）设计解决

根据动物医学专家所提出的设计需求：（1）实现在手术中的精准切除肿瘤，尽可减少失血和神经损伤；（2）在术后对手术创口进行有效保护，防止开放式创口感染；（3）为减少大犀鸟在术后出现的不适，解决方案应尽可能减少对大犀鸟日常生活的影响，手术植入体应尽可能与原生盔体接近。根据以上需求，设计师与动物医学专家共同决定从个性化医疗的角度出发，为Jary设计开发一套专属的手术工具和仿生外骨骼。

1.手术工具设计

由于Jary患有肿瘤的部位极为靠近脑部，如果进行大范围组织切除，将可能导致动脉和脑神经损伤，为手术带来极大的风险；但若不能对肿瘤体做到完整切除，后期亦有肿瘤复发的可能。因此，为了准确掌握Jary的患病情况，便于手术工具的准确设计，动物医学专家对Jary的头部进行了高精度的CT扫描。通过CT数据，医学团队可以准确判断肿瘤的生长位置和形态。设计师将CT扫描所获得的DICOM数据导入到医学图像软件中，对2D的CT数据进行三维重构，获得了Jary头部及患病肿瘤部位的准确3D模型。该模型准确反映了大犀鸟头部的生理结构和物理尺寸，是后期进行个性化医疗设计的基础。

2.仿生盔体设计

由于本次手术是针对大犀鸟的盔体和喙进行切除，该部分为鸟类生物的角质组织，且内部为空心结构。在完成手术切除后很长时间内，被切除部位的角质层都无法愈合，会形成长时间的开放式创口，将角质层内的神经组织和脑组织暴露在空气当中，具有极高的感染风险。为了避免在漫长的恢复期中大犀鸟的手术创口发生感染，研究团队决定为其设计一款个性化的仿生盔体用于保护手术创口，确保大犀鸟在术后恢复期的正常生活。

对于仿生盔体的设计，首要考虑的是密闭性和植入的可靠性。因此，仿生盔体采用覆盖式设计，对手术创口进行完整的包裹，避免大犀鸟在恢复过程中，伤口出现异物感染的情况。本方案所设计的盔体下沿与手术的切除路径完全重合，同时在内侧设计了固定槽，使盔体能够被固定到预设部位。在固定植入体方面，根据动物医学专家的建议，本次手术采用为大犀鸟植入外科固定钉的方式对仿生盔体进行半永久式的固定。为此，设计师在仿生盔体的下端设计了8个固定钉孔位，并对固定孔位进行内斜式的造型处理，确保外科固定钉在植入之后其顶端被仿生外骨骼所包裹。这样的设计可以避免大犀鸟在日常活动中，因外科固定钉与环境异物的碰撞而造成二次伤害。

（三）项目后记

患病的大犀鸟的手术极为成功，在术后1个月左右身体情况完全稳定，并开始根据其习性利用身体的油脂为新的仿生盔体染色，使其从原本的白色变为更趋近天然盔体的黄色。动物专家指出这代表Jary完全接受了新的人造盔体，认可其为身体的一部分，如图4。术后Jary的手术创口并未出现严重的感染，肿瘤也无复发迹象。从术后至今3年多时间，Jary一直作为明星动物健康生活在新加坡飞禽动物园，在术后第二年中，Jary的植入仿生盔体就已自然脱落，手术造成的创口已完全愈合。

总结

该项目作为世界首例成功通过个性化医疗方式救助罹患癌症的飞禽类动物，成功展示了通过“艺医”协同化创新为医疗服务带来的全新突破，进而从设计师的视角阐释了科技与自然、人与自然之间的关系。通过3D打印技术实现了医疗产品的个性化定制与快速成型，提高了个性化手术的精确性，“艺医”协同式创新模式也为个性化医疗产品设计提供了新的研究路径和模式。