【深度好文】醫學3D打印中的關鍵技術
一、前言
3D 打印被公認為是推進第三次工業革命的技術之一。盡管它源自工業制造，但一開始就受到醫學界的關注。我們在上世紀90 年代開展個體化骨科植入物CAD/CAM技術研究中及時引入3D打印技術，并在2004 年獲得國家科技進步獎二等獎。
和工業3D打印不同，醫學3D打印有其自身的技術體系。隨著今天這項技術在醫學領域廣泛應用，很多關鍵技術被賦予了新的內容，并處于進一步發展之中。
二、醫學影像生成、處理與三維重建技術
醫學影像是醫學3D打印的數據源。
上世紀90 年代，各著名品牌醫學影像設備輸出的數據格式很不統一，這給我們開展3D打印帶來很多困難，當時不得不研究與各種設備的接口軟件，以獲取影像設備輸出的數據。今天，所有影像設備都統一為DICOM格式，為3D打印的推廣應用帶來了很大的便利。
目前，骨骼CT 數據的處理和建模工作已非常成熟。由于在CT 圖像中骨骼和周邊其他組織之間的灰度值差異比較清晰，因此，目標組織分割和建模工作最先取得突破，開發出很多骨骼CT 數據處理與建模軟件。很長一段時間國內外廣泛運用Materialise 公司Mimics 軟件，而今我國已經開發出很多具有自主知識產權的軟件。
隨著3D 打印在醫學中的推廣應用，很多涉及軟組織的外科領域也開始運用3D打印技術，這對圖像處理和建模技術提出了新的要求。如果骨骼周圍的血管在造影時添加了對比劑 ( Contrast Agent )，可獲得邊界清晰的圖像，它的建模工作和骨骼幾乎一樣方便。但是，軟組織的影像主要來自于MRI，它的處理比CT 數據困難。更重要的是，為了將有些軟組織在影像中清晰地顯現，必須對MRI設備進行專門的參數調整，這給臨床使用帶來很多麻煩。此外，有些軟組織的影像必須通過各種其他影像設備來獲取，這就涉及到多模圖像配準與融合技術，對于軟組織目前還是一個研究項目。因此，為滿足軟組織3D打印，我們須要和影像學專家合作開展如下技術攻關工作：
1. 清晰的影像數據獲取技術。首先須要將涉及肝、膽、脾、胰、腎，心臟和肺的影像生成技術進行系統地研究，針對不同的影像設備，提出最佳的調整參數，形成一套標準規范，使得后續工作獲得很好的影像數據條件。
2. 目標軟組織自動分割技術。圖像中具有很多非相關的組織，目前只能通過手工予以擦除，這在臨床中無法推廣使用。因此，必須基于解剖學知識建立一個專家系統，用來自動( 至少半自動) 處理，才能使這項工作成為臨床可應用技術。
3. 多模圖像配準和融合技術。由于軟組織醫學影像常常來自多種影像設備，這是繞不過去的研究課題。
軟組織外科3D 打印要做到像骨科那樣快速方便尚有待時日。
三、人體目標組織3D模型打印與臨床應用技術
繼X 光、CT/MRI 發明后，3D打印模型是在臨床醫學中具有第三個里程碑意義的技術。當前兩者提供的影像數據不能滿足醫生手術規劃需求時，今天可通過1:1 精準的打印模型直觀地觀察人體目標組織，從而做出診斷和手術規劃。
圖1 是港大深圳醫院的案例。一位六歲患者下肢嚴重畸形( 圖1a)，依據傳統的X光和CT數據醫生無法做出完美的手術規劃。通過打印模型( 圖1b)，醫生不僅看清患者畸形的狀態，而且術前做出了精準的手術規劃，保證了手術的完美進行( 圖1c )。該兒童通過后續康復治療恢復了行走能力( 圖1d)。
圖1 3D打印模型支撐小兒下肢嚴重畸形矯形手術案例
圖2 是上海復旦大學附屬兒科醫院2016 年連體嬰兒手術案例。通過3D 打印模型可以觀察到會陰部骨骼長合的狀態，從而做出精準的手術規劃和術前準備工作。
圖2 3D打印模型支撐連體嬰兒分離手術案例
中華醫學會數字醫學分會數字骨科學組將發表一個專家共識，列出建議用模型來指導手術規劃的適應癥，醫生可以參照開展有關工作。這里須要關注如下問題：
1. 模型的精度。根據我們用牛骨通過CT 拍攝和建模打印，最后得出結論：只要設備調整到位，模型和實物之間的誤差可以控制在0.2mm以下，完全滿足臨床需求。
2. 打印速度。我們堅信打印模型將成為醫院的常規技術，醫生讓患者去影像科打印模型，就像讓患者拍X 光或CT一樣，成為常態。這就需要打印的速度盡量快，做到醫生當天就能獲得模型和患者進行溝通。
3. 打印件的強度。如眼科，其框底骨組織厚度很薄，尺寸微小，有些打印工藝的模型強度不夠，造成局部缺失，影響醫生的診斷和手術規劃。一般來說選擇性激光燒結(SLS)、和光固化(SLA) 等技術打印的模型強度和細微度較高。
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