喻唯唯 俞晨杰 ,2,3 高下 ,2,3
1南京醫(yī)科大學(xué)附屬鼓樓臨床醫(yī)學(xué)院耳鼻咽喉頭頸外科(南京210008)
2南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科,江蘇省醫(yī)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科(南京210008)
3南京鼓樓醫(yī)院耳鼻咽喉研究所(南京210008)
3D打?。═hree-Dimensional Printing,3DP)技術(shù)又稱“添加制造”(Additive Manufacturing)技術(shù),是一種與傳統(tǒng)的“減材制造”技術(shù)相反,基于三維數(shù)字模型,采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝[1]。美國《時(shí)代》周刊將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。3D打印的概念最早提出于20世紀(jì)80年代,1994年美國麻省理工學(xué)院發(fā)明了3D打印技術(shù)并申請(qǐng)專利,標(biāo)志著3D打印技術(shù)的正式問世。但是早期的3D打印技術(shù)由于打印材料限制、價(jià)格高昂、效率低下等原因難以普及應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、高效設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)、新型材料的問世等,3D打印技術(shù)以“靈活塑形”、“快速成型”等優(yōu)勢越來越多的被應(yīng)用于包括生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。本文就3D打印技術(shù)在耳科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用作一綜述。
3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基本原理是:利用醫(yī)學(xué)影像學(xué)檢查例如CT、MRI、PET-CT(Posi?tron emission tomography,正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像)以及光學(xué)掃描等技術(shù)獲得全面、清晰的個(gè)體信息資料,再通過計(jì)算機(jī)三維重建軟件(如MIMICS,F(xiàn)itMe等)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,繪制模型數(shù)據(jù),然后將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)能讀的G代碼文件,最后導(dǎo)入3D打印機(jī)自下而上地完成打印[2-4]。根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)及成形方法,3D打印技術(shù)可以分為熔融沉積成形(Fused Deposition Mod?eling,FDM)、光固化立體成形(Stereolithography Ap?paratus,SLA)、分層實(shí)體制造(Laminated Object Man?u facturing,LOM)、電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Melting,EBM)、激光選區(qū)熔化(Selective Laser Sinter?ing,SLS)、金屬激光熔融沉積(Laser Direct Melting Deposition,LDMD)、電子柬熔絲沉積成形(Electron Beam Freeform Fabrication,EBF)[5]。
2.1 顳骨3D打印模型的教學(xué)應(yīng)用:顳骨是人體中最為復(fù)雜、精密的骨性結(jié)構(gòu)之一,屬于側(cè)顱底的一部分,不僅有腦神經(jīng)、頸內(nèi)動(dòng)靜脈等重要的神經(jīng)、血管穿行其中,與聽覺、平衡覺相關(guān)的重要終末器官也暗含在內(nèi),且腔隙狹窄、位置較深、容易發(fā)生解剖變異?;谏鲜鎏攸c(diǎn),傳統(tǒng)二維圖像的教學(xué)具有很大局限性,隨著3D打印技術(shù)的問世及發(fā)展,醫(yī)學(xué)教學(xué)迎來了“新氣象”。Suzuki等[6-8]采用3D打印技術(shù)分別制造出了雙倍尺寸的顳骨模型和三倍尺寸的內(nèi)耳模型,清晰的還原了骨迷路、聽骨鏈等結(jié)構(gòu),把此模型與教學(xué)視頻相結(jié)合,學(xué)生們能夠更加直觀的掌握解剖定位。此外,利用3D打印模型這一媒介,可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典病例及罕見病例的復(fù)制還原,突破了標(biāo)準(zhǔn)化顳骨模具無法實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的局限性,將解剖變異帶入臨床教學(xué),幫助學(xué)生們更好地理解。
2.2 顳骨3D打印模型的解剖訓(xùn)練應(yīng)用:對(duì)于耳鼻咽喉科醫(yī)師,尤其是耳顯微外科和側(cè)顱底外科醫(yī)師,熟練掌握顳骨解剖結(jié)構(gòu)并與CT顯像結(jié)合形成顳骨重要解剖結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象概念至關(guān)重要。傳統(tǒng)的顳骨解剖訓(xùn)練以尸頭為主,但是解剖材料(尸頭)相當(dāng)匱乏,價(jià)格昂貴,嚴(yán)重制約了顳骨實(shí)體解剖訓(xùn)練、影響耳科醫(yī)師臨床技能的提高。有文獻(xiàn)報(bào)道,綿羊的顳骨可用于人工耳蝸植入術(shù)和鐙骨切除術(shù)的技能訓(xùn)練,但考慮到兩者的耳蝸長度、螺旋神經(jīng)元的平均直徑、電刺激等方面都存在差異,綿羊顳骨在解剖訓(xùn)練方面的作用十分有限[9-10]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)的發(fā)展,許多國家開發(fā)出了基于力反饋技術(shù)的計(jì)算機(jī)虛擬顳骨模型,打破了傳統(tǒng)解剖訓(xùn)練的時(shí)間、空間、次數(shù)限制,且虛擬的手術(shù)系統(tǒng)還可以評(píng)估操作者的手術(shù)水平[11-13]。但VR技術(shù)尚不完全具備真實(shí)的三維性,仿真度欠佳,操作者不能使用真實(shí)的手術(shù)器械,無法體會(huì)真實(shí)的鉆磨觸感,因而尚未獲廣泛應(yīng)用。3D打印顳骨模型的問世很大程度上解決了這些問題。Hoch?man等[14]利用3D打印技術(shù)制造的顳骨模型,可用來練習(xí)乳突切除術(shù)、后鼓室切開術(shù)等,模型中模擬面神經(jīng)的導(dǎo)線為表里雙色,練習(xí)過程中如果面神經(jīng)受損操作者能立即知曉。Bakhos等[15]制造的3D模型可用于中耳假體植入術(shù)的訓(xùn)練。Roosli等[16]制造的顳骨模型展現(xiàn)了人工耳蝸植入術(shù)必不可少的解剖細(xì)節(jié),包括耳蝸管腔結(jié)構(gòu)和延展的顳骨鱗部等結(jié)構(gòu),此模型被認(rèn)為在人工耳蝸植入術(shù)的解剖訓(xùn)練方面不遜色于尸體顳骨。
對(duì)于3D打印顳骨模型優(yōu)劣的評(píng)價(jià),我們通常使用表面效度和內(nèi)容效度這兩個(gè)方面:①如果該模型具有原型的外觀、聲音、感覺等特征,那么該模型就具有良好的表面效度[17]。模型的硬度、深度感觸、解剖結(jié)構(gòu)的完整度、細(xì)微結(jié)構(gòu)的辨識(shí)度、以及操作過程中操作者的鉆磨觸感、聽覺反饋、骨粉和沖洗液混合物的仿真度等都能作為3D打印顳骨模型表面效度的評(píng)價(jià)內(nèi)容[18]。②相類似地,如若該顳骨模型有益于相應(yīng)的臨床教學(xué)和解剖技能培訓(xùn),則其擁有滿意的內(nèi)容效度[19]。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括模型能否提升學(xué)員的解剖技能、提高眼-手的協(xié)調(diào)性、是否為有效的訓(xùn)練工具等方面。不足的是表面效度和內(nèi)容效度的測評(píng)都具有一定的主觀性,測評(píng)內(nèi)容難以實(shí)現(xiàn)簡單量化,需要進(jìn)一步探索建立一套客觀統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法。
3D打印顳骨模型所用的打印材料種類很多,如:丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acryloni?trile-butadi?ene-styrene,ABS)塑料、液態(tài)光敏樹脂、各種熱塑性材料等等[18]。但目前使用較多的是石膏粉末,基于微噴射原理,通過改變粘合劑濃度、類型,再借助不同顏色的染料,利用分層打印再組裝的技術(shù)制造出3D模型,后期再采用壓縮空氣法將殘留在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的多余材料清除,如此制作出的顳骨模型可以再現(xiàn)頸內(nèi)動(dòng)脈、乙狀竇、前庭等重要結(jié)構(gòu)[16],而且廉價(jià)的打印材料有利于技術(shù)的普及。
雖然3D打印顳骨模型優(yōu)點(diǎn)頗多,但其發(fā)展仍受很多因素的限制。例如:①新型打印材料的缺乏:目前最常見的石膏3D打印顳骨模型質(zhì)地偏軟,硬度不如尸體顳骨[20-21]。而且國內(nèi)缺乏關(guān)于3D打印材料的標(biāo)準(zhǔn),大多依賴于進(jìn)口。②打印技術(shù)不夠精準(zhǔn):由于顳骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)含許多細(xì)小結(jié)構(gòu),目前的3D打印技術(shù)容易導(dǎo)致聽小骨塑形不全或互相融合固定[19,21],細(xì)微結(jié)構(gòu)如鐙骨、鼓索等難以再現(xiàn)或無法辨認(rèn)等[16,19]。③打印成本高昂:不僅打印材料價(jià)格昂貴,而且相應(yīng)配套的3D打印設(shè)備價(jià)格更是從數(shù)萬元到數(shù)千萬元人民幣不等。④工作效率低下:目前的技術(shù)模型設(shè)計(jì)和制作時(shí)間較長,平均需要3天左右,耗時(shí)太長[22]。
3D打印技術(shù)應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬時(shí),即手術(shù)前的“帶妝彩排”[23],可以為復(fù)雜病變患者提供個(gè)性化的手術(shù)治療方案?;贑T、MRI等所得影像學(xué)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件、利用3D打印技術(shù)所制作的3D打印模型不僅能提供可視化立體結(jié)構(gòu),真實(shí)地再現(xiàn)了病灶部位及周圍毗鄰關(guān)系,而且可以在模型上反復(fù)進(jìn)行模擬手術(shù),預(yù)判術(shù)中可能出現(xiàn)的問題,個(gè)性化定制手術(shù)方案,規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)、縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)質(zhì)量、減輕病人痛苦[4,18]。同時(shí)利用3D打印模型可以更好地與患者及其家屬做好術(shù)前溝通。
基于顳骨解剖結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性,顳骨部位的手術(shù)對(duì)耳科醫(yī)師臨床技能的要求極高,利用3D打印顳骨模型,術(shù)前在模型上進(jìn)行手術(shù)模擬,不僅可以讓手術(shù)醫(yī)師做到“心中有丘壑”,而且個(gè)性化的治療方案更能提高手術(shù)的安全性。國內(nèi)外均已有專家將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜顳骨病變患者的術(shù)前規(guī)劃與模擬手術(shù)。Suzuki團(tuán)隊(duì)[24]曾將兩例先天性外耳道閉鎖患兒的顳骨CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,再利用3D打印技術(shù)制作出顳骨及內(nèi)耳模型。在其中一名患兒的顳骨模型上進(jìn)行模擬手術(shù),不僅證實(shí)了CT片上發(fā)育不良的中耳裂,且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了異位的卵圓窗、前置的面神經(jīng)垂直段、以及后半規(guī)管發(fā)育畸形,模型提示手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高,為醫(yī)生的臨床決策提供依據(jù)。同樣在另一名患兒的3D模型上進(jìn)行手術(shù)模擬,預(yù)示手術(shù)效果良好,患兒術(shù)后聽力有提高,證實(shí)了術(shù)前的判斷。楊靜雅等[25]在術(shù)前利用3D打印技術(shù)制備了2例慢性中耳炎患者的顳骨模型并進(jìn)行了模擬手術(shù),其中1例模型可見膽脂瘤緊貼硬腦膜,提醒術(shù)中清除病變組織時(shí)要注意避免損傷硬腦膜。另1例顳骨模型顯示病變范圍局限且聽骨鏈完整,提示手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)比較低。
近年來3D打印技術(shù)聯(lián)合數(shù)字建模在外科領(lǐng)域尤其是骨科、頜面外科的應(yīng)用越來越成熟,為組織與器官缺損的修復(fù)重建提供了重要的技術(shù)支持[26-28]。而其在耳鼻咽喉頭頸外科的應(yīng)用也逐漸嶄露頭角。
耳廓是個(gè)包括很多亞單位結(jié)構(gòu)的器官,先天性小耳郭畸形耳再造術(shù)需在一期手術(shù)時(shí)就塑造出外耳輪、對(duì)耳輪、舟狀窩、三角窩、耳甲腔、耳屏、對(duì)耳屏、耳屏間切跡等亞單位結(jié)構(gòu),再加上不同患者耳廓的個(gè)體差異性很大,這就為術(shù)者雕刻肋軟骨、塑造耳支架帶來了很大困難[29]。梁久龍等[29-31]在術(shù)前對(duì)患者的肋軟骨和健側(cè)耳進(jìn)行三維CT掃描,將影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理再利用3D打印技術(shù)得到個(gè)體化的同側(cè)肋軟骨、健側(cè)耳軟骨及健側(cè)耳的3D模型,這樣一期手術(shù)時(shí)術(shù)者不僅可以依據(jù)肋軟骨模型選取肋軟骨的位置、設(shè)計(jì)需取出的肋軟骨長度,而且在進(jìn)行肋軟骨雕刻和耳支架塑形時(shí)有了具體參照物,避免了傳統(tǒng)手術(shù)方法的盲目性和隨意性,提高了手術(shù)效率。此外,“量身定制”的3D模型可提高與健側(cè)耳的對(duì)稱性和相似度。對(duì)于二期手術(shù),依據(jù)鏡像耳模型和一期手術(shù)再造的耳模型厚度,再次模擬出再造耳二期手術(shù)中所需支架的外形和厚度,從而使再造的耳廓顱耳角與健側(cè)一致。Roberto等[32]術(shù)前采集患者健側(cè)耳的影像學(xué)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)字化處理、倒置后形成對(duì)側(cè)的模型,通過加深舟狀窩、三角窩等結(jié)構(gòu)來凸顯模型的輪廓感,再將其進(jìn)行數(shù)字解構(gòu)、分離出單獨(dú)的耳廓成分進(jìn)行重建最后得到對(duì)側(cè)3D耳廓模型,可直接作為“指南”引導(dǎo)術(shù)者進(jìn)行塑形。此外,Kozin等[33]指出應(yīng)用3D打印技術(shù),分別以聚二甲硅氧烷、聚乳酸、聚己酸內(nèi)酯為原料構(gòu)建鼓膜支架,后再以纖維蛋白-膠原復(fù)合水凝膠進(jìn)行填充,此方法制造的鼓膜移植后較顳淺筋膜具有更強(qiáng)的抗變性,且無需另行采集皮瓣,避免了額外的手術(shù)切口。
目前,基于影像學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確還原使3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)、解剖訓(xùn)練以及術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬方面的應(yīng)用得以迅速發(fā)展。將來如果能將VR技術(shù)與3D打印模型相結(jié)合,以3D打印模型來解決虛擬技術(shù)缺乏三維性和仿真感的問題,用虛擬技術(shù)來彌補(bǔ)3D打印模型細(xì)微結(jié)構(gòu)難以再現(xiàn)或無法辨認(rèn)的不足。相信通過兩者的互補(bǔ),3D打印技術(shù)定能更好地應(yīng)用于解剖訓(xùn)練以及模擬手術(shù)等方面。再者,對(duì)于器官打印,最大障礙就是如何制作一個(gè)輸送氧氣、清除代謝廢物的血管網(wǎng)絡(luò)[34]。隨著新型材料的研發(fā),可以利用3D打印技術(shù)以生物材料構(gòu)建血管結(jié)構(gòu)[35-36],再將生物相容性支架材料、甚至細(xì)胞或生長因子等按照計(jì)算機(jī)指令逐層打印、組裝[37],構(gòu)造出有生理功能的可植入物(如個(gè)性化的聽骨鏈、耳蝸等),用以修復(fù)人體受損組織或器官,有望實(shí)現(xiàn)有生命的人體組織的原位修復(fù)。另外,如若能再與克隆技術(shù)相結(jié)合,不僅有望解決移植過程出現(xiàn)的排異反應(yīng),而且能夠在不違背醫(yī)學(xué)倫理原則的情況下,為新藥研制提供生物標(biāo)本,從而獲得準(zhǔn)確、詳細(xì)的研究數(shù)據(jù)。有理由相信,全面融合材料學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和組織工程學(xué)的3D打印技術(shù),在不遠(yuǎn)的將來必會(huì)給醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來更多的沖擊,而其在耳科領(lǐng)域的應(yīng)用也必將更加深入、多元化,其潛在價(jià)值待有志之士進(jìn)一步挖掘。
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