3D打印与医学图像数据结合的医疗模拟产品设计研究——以膝关节模拟器为例

蔡伯鸿 吴丹婷 易佳慧

（四川美术学院,重庆 400000）

随着3D打印技术的广泛使用，其优势也在各个行业中凸显出来。由于3D打印是一种理想的定制制造方法，在医用产品的设计与研发中也具有广阔的发展潜力。在医疗领域，3D打印已经惠及许多方面，如微创手术、癌症治疗、出生缺陷治疗和功能修复等。文章从3D打印技术和医学图像数据的结合应用出发，运用交叉学科知识探索医疗模拟产品设计的新路径。

一、3D打印与医学图像数据

1.3D打印技术

3D打印又被称为增材制造技术，是以三维数字化模型为基础，运用逐层制造方式，将3D数字模型转换成立体实物模型的数字化制造技术。3D打印作为一种新型的工业制造技术，因为其精确性、便捷性、广泛性，被应用于各个领域并取得了显著成效。随着3D打印设备与材料不断更新，该技术的应用逐步拓展到了设计、医疗、航天等各个领域。在医疗健康领域，3D打印被应用于医疗器械的设计和生产，个性化生物植入体、个性化诊疗器械和医疗模拟产品的设计研发。这项技术不仅缩短了研发周期，提高了研发效率，还合理控制材料成本，提高了医疗行业的社会效益和经济效益。可见，3D打印技术在医疗领域具有很大的应用潜能和发展空间。

2.医学图像数据

在医疗模拟产品的设计中，为了针对不同的患者病情和特征制作医疗设备，需要获取其准确的解剖数据。目前，生物体解剖数据来源主要有3D扫描和医学图像数据两类。其中，医学图像数据是个性化医疗模拟产品的主要数据来源，常用的数据有：电脑断层扫描(Computerized tomography，CT)、核磁共振成像(Nuclear magnetic resonance imaging，NMRI)以及医学超声波检查(Medical ultrasonography)。医学图像数据通过非侵入方式获取人体某个部位的准确图像。研究人员可以通过医学图像软件辅以数字化建模工具逆向重建人体的真实3D结构模型。根据此模型，医生可以进一步诊断病情、优化手术治疗方案和规划手术路径，设计师则可以进行个性化医疗器械的设计。

3.3D打印与医学图像数据的结合应用

3D打印和医学图像数据是医疗模拟产品开发的关键要素。通过将3D打印与医学图像数据相结合，可以准确地复制人体的生理结构和病变部位的实体三维模型，使医疗专业人员可以全面了解患者的具体生理状况，更有效地进行个性化医疗设计。在医疗器械方面，可以根据模型为病患定制个性化手术器械，提供手术器械的适配性。在关节植入体的应用中，根据患者的个性化模型定制生物植入体，可以很好地解决了关节匹配的问题，极大地改善了其治疗效果。在术前模拟中，与普通的医疗影像资料相比，3D医疗模拟产品提供了更准确的病理信息，清晰展示病损部位状况，可以排除其他混杂因素的影响，直接分析特定现象。因此，将3D打印与医学图像数据结合应用来进行医疗模拟产品的设计研发，将有利于探索出一种促进设计发展和临床研究的创新路径。

二、医疗模拟产品概述

医疗模拟产品是医学研究中的重要道具。在医学研究中，实践是十分重要的部分。医疗模拟可以有效地训练临床技能，并且对于医疗教学与培训有很重要的作用。在医疗模拟中通过医疗模拟产品仿真制作出病变部位，配合病患的具体情况可以模拟出医护真实现场，有效地缓解在医疗培训中因为道具所带来的误差。在医疗教学中，可以使用医疗模拟产品还原特定的医疗场景，利用最真实的场景来激发学生的积极性，提高自主学习的能力。医疗专业人员利用医疗模拟产品进行反复的模拟训练，可以提高他们的实践能力、判断能力以及临床决策能力。

三、3D打印与医学图像数据结合的医疗模拟产品设计路径

1.医学专家与设计师的协同设计

由于医疗模拟产品的特殊性，其设计路径将由设计师和医学专家共同构建。设计师与医学专家共同参与设计的全过程，在每个设计阶段分别负责不同面向的内容。在设计筹备阶段，设计师需要学习相关的医疗知识，熟悉医疗诊断流程，查阅医疗器械相关标准，确保后续医疗产品设计的顺利开展；医学专家阐述遇到的问题以及需求，并由设计师将其转换为设计需求。在设计开展阶段，需要医学专家提供影像数据，设计师制作3D模型。在设计调试阶段，设计师根据医学专家的测试反馈调整设计内容，最后在设计应用中对产品进行不断地迭代更新，持续完善设计成果。

2.3D打印与医学图像数据结合的医疗模拟产品设计流程

医疗模拟产品的研发是设计学与医学的交叉学科研究，其过程是由设计师主导，医学专家辅助，相互配合完成。在利用医学图像和3D打印进行医疗模拟设计时，其过程可分为五个主要阶段，包括医学图像数据采集及处理、医学图像数据3D重建、功能设计、3D打印以及实践应用。

首先在获取医疗数据阶段，设计师与医学专家需要明确设计目标，对相关的人体解剖部位进行高精度扫描，以再现病变部位的准确特征。在此阶段，医学专家需要确定采用何种医学成像技术对相关数据进行有效收集。

在第二阶段，设计师使用医学图像软件，将医学扫描生成的二维图像进行三维重构，然后导出为数字化3D文件(.STL)。之后设计师需要在3D软件（如Artec Studios等）中对三维数据进行进一步的处理，包括分割、消噪、表面平滑等。这一阶段主要是移除与设计目标无关的解剖结构，并修补优化待设计的3D模型。

在功能设计阶段，设计师根据医学专家所提出的设计需求，以三维重构得到的3D模型为基础开展设计工作，赋予模拟产品合理的功能性。此阶段需要设计师和医学专家进行密切沟通，针对所设计的功能和表现形式进行反复论证和实验。

最后，设计师根据产品的功能需求选取适宜的材料通过3D打印机制造模拟产品。然后，将功能性的医疗模拟产品用于医疗教育或研究的实践应用当中。在此阶段，设计师应当与医学专家共同商讨，设计合理且完善的应用方式和场景。

四、3D打印与医学图像数据结合的膝关节医疗模拟产品设计实践

1.设计目的即满足解剖学医疗模拟需求

前后十字交叉韧带（Anterior and Posterior Cruciate Ligaments）是人类膝关节的重要组成部分。它们防止股骨在运动过程中向前或向后滑动，从而为运动中的膝关节提供重要的稳定性。在运动员群体中，十字韧带损伤极为常见，前十字韧带发生损伤的频率更高。运动量较大的青年患者在接受韧带重建的治疗后再次受伤的概率很高，这将导致生活质量下降，运动能力受限，甚至可能成为运动员职业生涯终结的主要原因。因此更好地了解十字韧带的工作原理，可以帮助医疗专业人员在创伤预防、优化治疗以及康复训练等方面提供重要参考。许多研究人员试图通过采用不同的研究方法来阐明十字韧带在膝关节运动过程中的工作机制，例如使用膝关节解剖标本、计算机模拟、成像分析和在膝关节植入传感器等方法。然而，这类对十字韧带的研究要么收集到的是间接数据，受到许多混杂因素的影响，例如周围软组织施加的张力或个体的步态差异将导致结果的偏差；或是需要借助介入性手术，对受试者身体造成损害，无法大规模采集数据样本。因此，目前对于膝关节十字韧带工作机制的研究结论尚未得到医学界的一致认可。

为了研究不同解剖结构之间复杂的关系，有必要采用一种创新的方法来开发功能性医学模拟器对膝关节十字韧带的工作机制进行详细的阐释。将医学图像与3D打印相结合设计研发的模拟器可以准确地模拟不同解剖结构之间的空间关系和相互作用，这对研究膝关节十字韧带的工作机制有着十分重要的作用。在文章中，为了专注于膝关节十字韧带的工作机制研究，模拟器设计仅包含了膝关节运动过程中最重要的组件：股骨、胫骨、腓骨、前后十字韧带和内外侧副韧带。

2.医学图像数据收集与3D模型建立

医学图像数据是一种二维信息，通过许多横截面图像来完善人体的目标区域。为了利用这些二维信息来改进三维设计，第一步是将其从二维切片转换为三维数据。在本文章中，医学图像数据主要用来增强膝关节模拟器的设计。在医学图像数据的选择中，CT数据更有利于反映骨骼结构，因此选择CT扫描作为影像采集的来源。本次研究使用健康男性志愿者的膝关节CT数据作为模拟器设计的基础样本。通过CT扫描，获得骨骼、肌肉、脂肪和皮肤等组织的结构。CT扫描数据被导出为dicom格式，并在医学图像软件（InVesalius）中转化为三维数据。经过3D软件（Artec Studios）的分割和处理步骤后，将3D模型的STL格式导入3D建模软件（Rhino）中进行设计编辑。为了确保转换后的三维医疗模型的准确性，在数据处理过程中设计师与经验丰富的医疗专家紧密协作。

3.医疗模拟产品开发与测试

在前期数据收集和处理的基础上，根据医学专家的反馈，确定了对膝关节模拟器的设计重点集中在股骨头部位的几何化上。设计师在医学专家的指导下，根据膝关节解剖学机构原理，对股骨与胫骨结合部位进行了重新设计，使其解剖结构更为清晰和明确。从而使模拟器能够准确实现膝关节的弯曲-伸展以及锁止运动，与真实的人体膝关节运动轨迹保持一致。为确保膝关节模拟器在运动过程中不受人为因素的干扰，特别设计了枢轴运动支架用以带动模拟器完成运动。模拟器顶部的指示板用以展示膝关节模拟器在锁止运动过程中的内旋角度。

模拟器采用SLS 3D打印技术制造，主体包含9个由燕尾型接头连接各独立部件。模拟器的下部设计有拉力感应器，可以分别连接到两个模拟十字韧带。为了准确地复制膝关节运动，使用了两种绳索材料来模拟膝关节韧带。通过实验确定了最适合交叉韧带和侧副韧带的材料分别是尼龙绳和弹性绳。在本设计中，每条韧带都可以单独工作，允许对模拟器的不同部位施加适当的应变力，从而确保模拟器具有与真实膝关节相似的运动学特征。

为了测量十字韧带上的拉力值，本文章中使用了市售拉力感应器。通过模拟器和拉力感应器的协作可以实时测量膝关节运动过程中十字韧带上的拉力值变化。在实验测量过程中，膝关节模拟器在枢轴运动支架的带动下完全伸展和完全弯曲之间做往复运动，同时记录每10度运动幅度下拉力感应器数值的变化情况。为确保测试的客观有效性，此运动过程重复5次，并对测试所得拉力数值进行统计分析。

4.医疗模拟产品设计成果

在文章中，研发团队成功开发了一种基于医学图像和3D打印的功能性膝关节模拟器来研究前后十字韧带的工作机制。目前3D打印医学模型的应用大多是静态人体解剖模型，无法准确说明不同解剖结构之间的动态空间关系，缺少实时解剖运动的具体信息。本文章所设计的膝关节模拟器可以准确地复制正常的胫股骨运动。在伸展运动时关节呈现内旋锁定，在屈曲运动时关节呈现外旋解锁，这一现象充分说明该模拟器与真实的人体膝关节运动呈现相同轨迹。膝关节模拟器可以直接测量运动过程中前后十字韧带的拉力值，揭示了膝关节十字韧带在运动过程中所受拉力的变化趋势。

总结

文章研究了将3D打印与医学图像数据结合使用的医疗模拟产品设计新模式。先对3D打印和医学图像数据的结合应用进行了分析，再通过协同设计探索了医疗模拟产品的设计路径。然后以膝关节模拟器为例，进行了数据采集及处理、医学图像数据3D重建、功能设计、3D打印、以及实践应用等流程。利用设计实践来验证了医疗模拟产品设计路径的可行性。本课题作为跨学科研究项目，将医疗模拟从概念化、经验化转向为具象化、精准化方向发展。3D打印与医学图像数据的结合也可以看作是跨学科设计的新探索。跨学科研究也将成为推动设计发展、模式创新的关键要素。