張亞茹，陳焱君，陳熙，陳勝華，黃文華，

1.南華大學(xué)醫(yī)學(xué)院應(yīng)用解剖與生殖醫(yī)學(xué)研究所，湖南衡陽421001；2.南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科，廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實驗室，廣東省醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510515；3.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院，廣東省醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化創(chuàng)新平臺，廣東廣州510630

前言

3D打印以其獨(dú)特的設(shè)計、高度的復(fù)雜性和精準(zhǔn)性的制造方法，已成為醫(yī)學(xué)應(yīng)用中廣泛采用的制造技術(shù)。隨著影像學(xué)技術(shù)的成像方法不斷豐富，數(shù)據(jù)采集的時間分辨率和空間分辨率不斷提高，讓我們逐步進(jìn)入了一個全新意義上的數(shù)字醫(yī)學(xué)時代［1］。3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的結(jié)合，為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展打開了一片新的領(lǐng)域，也促進(jìn)了3D打印進(jìn)入一個新的發(fā)展方向。

1 3D打印簡介

3D打印技術(shù)，又稱增材制造、快速成型技術(shù)，作為一種創(chuàng)新技術(shù)，3D打印技術(shù)通過分層鋪設(shè)連續(xù)的液體、粉末或薄板材料層，利用影像學(xué)數(shù)據(jù)和三維計算機(jī)模型重建三維觸覺物理模型，其優(yōu)點(diǎn)是幾乎可以創(chuàng)造出任何復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)［2］。

1.1 打印技術(shù)

目前主流的技術(shù)主要有熔融層積成型技術(shù)、激光照射固化、選擇性激光燒結(jié)、電子束熔融技術(shù)、激光近凈成型技術(shù)、激光成型技術(shù)、選擇性激光熔化等，可以直接或間接進(jìn)行各種滿足需求的材料的加工［3］。

1.2 打印材料

在生物醫(yī)療領(lǐng)域，常用的3D打印材料大概分為4類：一是非金屬材料，常用材料有塑料、陶瓷、橡膠等，其中以熱塑性塑料最為常用，除了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、尼龍等常見的塑料類型，目前聚砜、亞克力等也開始應(yīng)用于3D打印；其二為金屬材料，常用材料有鈷鉻合金、鈦合金、不銹鋼、鋁合金等，目前應(yīng)用較多的為鈦合金打印的個性化假體植入物；其三為高分子材料，目前常用材料有聚四氟乙烯、聚ε-己內(nèi)酯、非聚氯乙烯、聚丙烯腈，以及醫(yī)用硅橡膠等天然高分子，具備良好的加工物理機(jī)械性能和生物相容性的特點(diǎn)，可作為直接接觸人體組織、體液或植入物的打印材料，具有廣闊的應(yīng)用前景；第四為生物復(fù)合材料，如水凝膠材料、活體細(xì)胞-生物墨水、生物組織和細(xì)胞等，其用不同材料組合而成的復(fù)合材料，多用于人工器官、組織修復(fù)等領(lǐng)域，具有良好的生物相容性［4］。

2 醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)在3D打印中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 心血管系統(tǒng)

影像數(shù)據(jù)在心血管領(lǐng)域主要涉及結(jié)構(gòu)重建及對血管解剖的理解。3D打印建模技術(shù)對房間隔缺損、室間隔缺損、法洛四聯(lián)癥等先天性心臟病患者的幫助最大。張文卿等［5］對2例主動脈疾病患者進(jìn)行CT增強(qiáng)掃描，并生成復(fù)雜主脈瘤和主動脈夾層的3D打印模型（圖1），準(zhǔn)確復(fù)制了主動脈瘤和主動脈夾層的解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，可以清晰觀察到真假腔范圍及內(nèi)膜片，所以3D打印模型對主動脈夾層解剖細(xì)節(jié)是可行的；胡立偉等［6］利用磁共振三維穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動序列構(gòu)建的心臟3D模型與對比增強(qiáng)磁共振血管造影序列相比，更能清晰顯示患兒右心房內(nèi)膜增厚及卵圓孔房間隔缺損情況；黃佳等［7］應(yīng)用基于時間空間相關(guān)成像技術(shù)獲取的超聲容積數(shù)據(jù)進(jìn)行胎兒心臟3D打印，可直觀顯示胎兒心臟腔室形態(tài)以及大血管走行。

圖1 主動脈夾層的3D打印模型Fig.1 3D printed models of aortic dissection

2.2 骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)

基于影像數(shù)據(jù)的3D打印模型主要用來呈現(xiàn)復(fù)雜骨折/腫瘤等病變的實體再現(xiàn)以及關(guān)節(jié)模型等。郝玉升等［8］學(xué)者基于CT三維數(shù)字影像的3D打印技術(shù)打印出的1：1的脛骨平臺骨折模型，并在此模型上模擬手術(shù)，縮短了醫(yī)師手術(shù)時間，明顯改善了術(shù)中出血量。但CT電離輻射的潛在風(fēng)險仍然是一個令人擔(dān)憂的問題，最好的替代方法是在可能的情況下使用非電離成像方法。Eley等［9-11］用“黑骨”MRI骨成像序列（圖2）作為CT的非電離的替代，利用小翻轉(zhuǎn)角梯度回波3D容積序列，并抑制水和脂肪的信號，提高骨和其他組織之間的灰度對比（圖2），在13例臨床診斷為顱縫未閉的兒童中，利用“黑骨”MRI序列進(jìn)行掃描，未閉顱縫顯示為信號增強(qiáng)的區(qū)域［10］，結(jié)果與CT診斷一致（圖3a～圖3c）。Eley等［11］在最新研究中開發(fā)了一種全自動顱面骨骼分割算法應(yīng)用于數(shù)據(jù)集，大大節(jié)省了模型生產(chǎn)時間，認(rèn)為其在未來可能代替CT作為診斷顱縫早閉癥、兒童顱骨骨折的手段。

圖2 某一患者的軸位“黑骨”圖像，顯示左下頜骨角化囊腫下緣內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)變薄和缺失（箭頭所示）Fig.2 An axial"black bone"image of a patient,showing thinning and loss of cortical bone at the medial side of the lower margin of the keratocysts of the left mandible(arrow)

圖3 1例伴有右側(cè)滑膜病變的兒童軸位及冠狀面CT（a），軸位及冠狀面“黑骨”MRI（b）、3D CT（c）、使用Mimics的3D“黑骨”成像（d）和Fovia成像（e），縫合處以箭頭表示（矢狀縫=綠色；冠狀縫=黃色；人字縫=藍(lán)色；額骨縫合=紅色）而滑膜病部位用黑箭頭表示Fig.3 The axial and coronal CT(a),axial and coronal"black bone"MRI(b),3D CT(c),3D"black bone"imaging using Mimics(d)and Fovia imaging(e)of a child with right synovial lesion.The suture lines were indicated by arrows(sagittal suture=green;coronal suture=yellow;Herringbone=blue;frontal suture=red)and synovial lesions were shown by black arrows

2.3 神經(jīng)系統(tǒng)

在神經(jīng)外科領(lǐng)域，MRI則提供了更好的組織之間對比度及病灶與軟組織之間的高精確度，除了常規(guī)序列提供的形態(tài)學(xué)信息之外，一些功能成像方法為3D打印建模提供了更加豐富的數(shù)據(jù)來源。Pacione等［12］利用MRI T1增強(qiáng)序列結(jié)合彌散加權(quán)成像（DWI）功能信息，制造了一個81歲女性的3D腦膜瘤模型（圖4），用來術(shù)前評估；Wang等［13］利用彌散張量成像（DTI），以CT或MRI T1加權(quán)序列作為參考，從DTI生成纖維束并導(dǎo)出3D模型（圖5），這個過程使纖維束與顱骨、腦表面、病灶或血管在同一三維模型中結(jié)合起來，可用來局灶性癲癇的術(shù)前計劃，以盡量減少對皮質(zhì)脊髓通路的損害。

圖4 右額葉腦膜瘤Fig.4 Right frontal meningioma

圖5 左枕區(qū)大腦軟化癥Fig.5 Left occipital encephalomalacia

2.4 呼吸系統(tǒng)

3D打印在呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用同樣也有不同的文獻(xiàn)報道。Dong等［14］基于患者的胸部CT數(shù)據(jù)，使用FDM技術(shù)制作了肺3D打印模型，有助于提取病人的解剖細(xì)節(jié)；李冠等［15］用低輻射劑量、低濃度對比劑來獲得相同質(zhì)量肺靜脈3D打印模型（圖6），該血管模型光滑平整，結(jié)構(gòu)清楚，符合臨床需求，并且減少了對患者的輻射傷害，可以幫助臨床醫(yī)生對房顫患者更好地實施射頻消融肺靜脈電隔離術(shù)。

圖6 肺靜脈3D打印模型Fig.6 3D printed models of pulmonary veins

2.5 泌尿生殖系統(tǒng)

在傳統(tǒng)臨床手術(shù)中，外科醫(yī)生主要根據(jù)基本影像數(shù)據(jù)對腎腫瘤評分，從而來制定手術(shù)方案，很難迅速對不同腫瘤產(chǎn)生感性認(rèn)識，而3D打印技術(shù)可以直觀顯示腎腫瘤的位置關(guān)系。Wake等［16］利用CT圖像和脂肪抑制梯度回波T1加權(quán)成像，成功制造出包含腎、腎腫瘤、腎動靜脈和集合系統(tǒng)的腎臟模型，加強(qiáng)外科醫(yī)生術(shù)前對腎臟腫瘤的準(zhǔn)確認(rèn)知定位，增加外科醫(yī)生對手術(shù)入路的熟練程度；Rutkowski等［17］對前列腺癌患者進(jìn)行PETMRI檢查，成功打印出前列腺模型（圖7），此模型被用來判斷特定病人的切割指南。

圖7 軸斜位MRI T2加權(quán)像化學(xué)激素治療后的前列腺Fig.7 Axial oblique MRI T2-weighted image of the prostate after chemo-hormone therapy

2.6 頜面外科系統(tǒng)

3D打印技術(shù)在頜面部領(lǐng)域的應(yīng)用時間較早，主要涉及整形外科，但頜面部修復(fù)重建要求高、難度大，為解決這樣的臨床問題，利用影像數(shù)據(jù)所制作的3D打印模型［18］可以更好地幫助外科醫(yī)生進(jìn)行診斷和治療。湯軼強(qiáng)等［19］通過CT數(shù)據(jù)所制作的一種個體化腔內(nèi)施源器，置入鼻咽腔后可以完全與鼻咽壁完全貼合，并且可以自行固定、重復(fù)使用，有助于鼻咽癌患者的治療；Sirin等［20］發(fā)現(xiàn)依據(jù)錐形束計算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)所制作的3D模型可以為頜面外科醫(yī)生診斷顳骨、眶部骨折提供有效和可靠的診斷鑒別方法。

3 影像技術(shù)和3D打印技術(shù)的不足與展望

基于影像數(shù)據(jù)所制作的3D打印模型在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，但同時也存在不足之處：首先，基于CT和磁共振掃描數(shù)據(jù)，其分辨率并非完全達(dá)到醫(yī)學(xué)建模的要求，需要選擇最佳的成像參數(shù)，因此其質(zhì)量可能會未達(dá)到臨床要求；其次，目前大部分3D建模還是采用單一模態(tài)的影像學(xué)數(shù)據(jù)，而組織器官結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一模態(tài)的數(shù)據(jù)往往難以將組織結(jié)構(gòu)信息完整再現(xiàn)；再次，一個簡單的模型耗時較久，打印機(jī)成本高，不適于作為急診手術(shù)的輔助診斷；最后，缺乏成熟的法律制度來規(guī)范3D打印產(chǎn)品的專利權(quán)及著作權(quán)。

就目前來看，醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)方面的研究成果正如雨后春筍般不斷出現(xiàn)。醫(yī)用3D打印材料，特別是生物高分子材料有很大的發(fā)展前景。據(jù)了解，目前利用高分子材料已經(jīng)成功制作出人造假體、人造皮膚、宮內(nèi)節(jié)育器、人造耳朵等［21］。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)遺傳醫(yī)學(xué)研究所研究人員利用3D打印技術(shù)打印出成型的人體角膜，但其尚未經(jīng)人體試驗，一旦打印出的角膜被證明能用于人體移植，這一技術(shù)將造福于人類［22］?；诔Ｒ?guī)影像技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)，如能譜CT、CT灌注、DWI、磁共振神經(jīng)成像、ASL、PETCT、PET-MRI以及新的圖像分割配準(zhǔn)方法，也在不斷拓展數(shù)據(jù)獲取的途徑和方法。如何選擇最佳的成像方法或參數(shù)和圖像重建后處理技術(shù)關(guān)乎模型的成敗，如何提高成像數(shù)據(jù)采集、圖像后處理以及合理利用各種技術(shù)是以后要關(guān)注的方向。

綜上所述，醫(yī)學(xué)影像、三維建模、3D打印無縫銜接是大勢所趨，鑒于其巨大潛力，3D打印機(jī)和打印材料種類的增加將導(dǎo)致更快速和簡化的軟件分割和更先進(jìn)的計算分析，將會對醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。