3D 打印正在手術(shù)臺上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

3D 打印模型正在廣泛應用于不同的領(lǐng)域。6 月 14 日，一篇發(fā)表在 Cardiology in the Young上的文章介紹了 3D 打印在冠心病中的應用。


由于心臟形態(tài)有多種以及患者之間的個(gè)體差異，冠心病的治療很具有挑戰性。利用 3D 模型，可以直接觀(guān)察患者的心臟解剖結構并進(jìn)行操作，從而預測并發(fā)癥和其它可能的結果。這開(kāi)辟了個(gè)性化治療的新領(lǐng)域，為術(shù)前規劃及提前在患者體外演練整個(gè)手術(shù)過(guò)程提供了可能性。



3D 打印正在手術(shù)臺上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

沒(méi)有任何兩個(gè)人的身體是完全相同的。外科醫生操縱手術(shù)刀和縫合線(xiàn)，在復雜的“人體地形”中精確、快速地進(jìn)行切割和縫合，但由于每個(gè)人的生理情況不同，解剖細節也需要作出相應調整，這讓他們的工作變得更加困難。

醫生們通常使用計算機斷層掃描（CT）或磁共振成像（MRI）的二維圖像來(lái)制定手術(shù)計劃，現在他們越來(lái)越傾向于使用私人定制的真實(shí) 3D 模型。

為了完成 3D 打印，研究人員先將許多連續的 CT 或 MRI 掃描的數字二維“切片”組合成一幅立體的“地形圖”，這就能夠看到器官不同層次的復雜結構。然后，3D 打印機一層一層進(jìn)行打印，這些小滴樹(shù)脂可以通過(guò)紫外線(xiàn)照射或擠壓硬化等方式固定在特定的位置，形成立體結構。

3D 打印技術(shù)研發(fā)于 20 世紀 80 年代，當時(shí)這種打印機價(jià)格昂貴、好壞無(wú)常、制作材料有限。但在過(guò)去的幾年里，這項技術(shù)發(fā)展到甚至普通家庭用戶(hù)都足以負擔。在軟件和打印方法上的改進(jìn)，使得打印高精度顏色和紋理的復雜物體成為現實(shí)，我們可以構建更加精確和真實(shí)的器官模型，用于外科手術(shù)中。

從 2D 到 3D

2012 年，美國克利夫蘭診所的肝臟病學(xué)主任和肝臟移植醫學(xué)主任尼扎爾·澤恩（Nizar Zein）首次萌發(fā)了打印器官模型的想法，他想知道這種方法是否能使活體肝移植更加安全。


3D 打印正在手術(shù)臺上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

澤恩博士表示，對肝移植的需求日益增長(cháng)，同時(shí)來(lái)自尸體的肝臟供應不足，增加了對活體肝移植（LDLT）的需求。

他說(shuō)：“當我們在肝臟上做手術(shù)時(shí)，最大的風(fēng)險之一就是不知道主要血管或膽管的確切位置，而無(wú)意中切斷了其中的一條。”

每個(gè)肝臟都有一個(gè)獨特而復雜的動(dòng)脈、靜脈和膽管網(wǎng)絡(luò )，如果切錯了位置，可能會(huì )導致供體或受體的并發(fā)癥，甚至死亡。因此，澤恩召集了一個(gè)由臨床醫生、影像專(zhuān)家、工程師和軟件設計師組成的團隊，企圖用樹(shù)脂“打印”出一種針對特定病人的肝臟來(lái)指導手術(shù)過(guò)程。

澤恩回憶說(shuō)，第一個(gè)模型非常粗糙，就像一個(gè)玩培樂(lè )多彩泥的孩子隨手捏出來(lái)的那樣。它的大小不到活體肝臟的四分之三，并非完全透明，并且缺乏代表不同組織的顏色編碼。某個(gè)案例中，一名肝臟捐贈者在手術(shù)臺上遭遇了危險的并發(fā)癥，澤恩記得其中一位外科醫生說(shuō)，如果事先有這樣的模型來(lái)練習就可能挽救捐贈者的生命。

澤恩對模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在 2013 年開(kāi)始研究如何利用活體肝臟大小的三維模型來(lái)制定外科醫生的手術(shù)計劃。一項初步的小型研究表明，他們的模型在解剖學(xué)和形狀上都與活體器官相匹配。

目前，澤恩團隊構建出的模型已經(jīng)應用在 20 多個(gè)手術(shù)中了。澤恩說(shuō)，在很多情況下，觀(guān)察研究這個(gè)模型使外科醫生改變了他們切割器官的方式，甚至在某一個(gè)案例中，外科醫生得出結論，某個(gè)供體并不適合移植，這挽救了一樁可能發(fā)生的醫療事故。

他的團隊繼續打印復雜肝臟腫瘤的三維模型，以了解它們是如何在肝臟上生長(cháng)的。澤恩說(shuō)：“我們對病人腫瘤組織的解剖結構了解得越多，手術(shù)的效果就會(huì )越好。”

3D 打印正在手術(shù)臺上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

圖丨3D 打印的身體器官——肝葉，和“有血有肉”的肝葉（來(lái)自捐贈）。這樣的對比觀(guān)察可以幫助醫生計劃和實(shí)行復雜的移植手術(shù)。（來(lái)源：N.N. ZEIN ET AL / LIVER TRANSPLANTATION 2013）


更逼真的模型

美國羅切斯特大學(xué)泌尿科醫生艾哈邁德·加齊（Ahmed Ghazi） 受到澤恩的啟發(fā)，建立了更逼真的腎臟模型，為模擬手術(shù)提供了一種“具有沉浸感”的方法。

他說(shuō)：“我只是想要一個(gè)看起來(lái)像腎一樣，會(huì )流血的東西。”腎臟外科醫生經(jīng)常面臨著(zhù)從布滿(mǎn)血管的器官中取出腫瘤的問(wèn)題，他們可能只有 30 分鐘的時(shí)間來(lái)完成工作，不然腎臟組織會(huì )停止血液循環(huán)，導致死亡。

在經(jīng)過(guò)改良后，這種打印器官具有空間感、解剖準確性和觸覺(jué)反饋，還可以用來(lái)仿真模擬，以培訓新的外科醫生。


3D 打印正在手術(shù)臺上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

圖丨人造器官模型(右圖)可以流血，就像真正的器官在手術(shù)過(guò)程中會(huì )流血一樣(左圖)。圖示手術(shù)是在切除一個(gè)腎腫瘤。


為了建立腎臟模型，加齊團隊在一個(gè)類(lèi)似腹腔的地方模擬了脂肪、腸道和其他組織，就像它們在真正的病人體內一樣。加齊與 5 位專(zhuān)家、 10 位新外科醫生一起，對這個(gè)模擬系統進(jìn)行測試發(fā)現，這個(gè)模型非常逼真，而新手醫生一致認為在手術(shù)前使用這些模型會(huì )有很大幫助。

紐約愛(ài)因斯坦醫學(xué)院的生物醫學(xué)影像專(zhuān)家妮可·韋克也研究了腎臟模型對于手術(shù)計劃的正面影響。在 2017 年的一項研究中，她和同事請 3 位經(jīng)驗豐富的外科醫生回顧了 10 種不同復雜程度的腎臟手術(shù)，包括回憶患者的二維掃描圖像并描述他們的手術(shù)計劃。之后，他們用 3D 模型重復了這個(gè)手術(shù)過(guò)程。在所有的病例中，至少有一名外科醫生改變了他的初始想法，他認為當時(shí)應該有更好進(jìn)入體腔或夾住器官的方式。他們說(shuō)，這種模擬可以使他們自己更好地確認計劃，提高手術(shù)信心。



材料的提升

澤恩說(shuō)，在構建 3D 器官模型時(shí)，材料的選擇取決于它的用途。硬塑料更便宜，也更適合進(jìn)行簡(jiǎn)單的三維可視化，有助于臨床醫生將注意力集中在腫瘤的形狀或血管的彎曲路徑等視覺(jué)特征上。

但更有彈性的海綿狀材料，包括硅酮、軟塑料和水凝膠，則更為逼真。它們的彈性可以模仿活體組織的機械性能，為外科醫生提供了一個(gè)可用于練習的器官，可以切開(kāi)，以測量必要切口的寬度和深度，便于清除腫瘤并指導修復。更柔軟的模型還可以結合其他功能，比如壓力傳感器，讓外科醫生在術(shù)前準備得更加充分。

加齊和同事已經(jīng)構建了一系列組織紋理模型。他們不是直接打印，而是使用 3D 打印機建立一系列模具，然后注入特殊的水凝膠，這些水凝膠由水和其他液體組成，但可以像真實(shí)的肌肉、脂肪或血管一樣對操作產(chǎn)生反應。甚至切割血管或其他導管時(shí)，器官也會(huì )像在實(shí)際手術(shù)中一樣流血或滲液。

美國明尼蘇達大學(xué)的機械工程師邁克爾·麥卡爾平（Michael McAlpine）模仿組織的機械特性，制作了前列腺的器官模型。他的團隊使用從癌癥患者身上取出的前列腺樣品來(lái)測試前列腺的硬度和柔韌性，并通過(guò)調整有機硅打印材料的化學(xué)成分，來(lái)改變聚合物之間的連接，使模型變得更軟或更硬。

他們甚至為前列腺模型配備了 3D 打印的壓敏傳感器。傳感器由水凝膠和橡膠硅膠制成，可以測量?jì)雀Q鏡或手術(shù)剪刀施加的力，在醫生進(jìn)入手術(shù)室之前為他們提供有用的信息。



3D 打印正在手術(shù)臺上進(jìn)化，幾百美元就可制作出器官模型

圖丨配備了壓力傳感器的 3D 打印前列腺，可以讓外科醫生進(jìn)行更逼真的練習。（來(lái)源：K. QIU ET AL / Advanced Materials Technologies 2018）


從現實(shí)到虛擬

擁有 3D 打印設備和專(zhuān)業(yè)知識的醫療中心現在可以自己打印出器官模型，而一個(gè)硬塑料模型的打印成本不超過(guò)幾百美元。像 Lazarus 3D 和 Materialise 這樣的公司現在也提供利用成像數據制作器官模型的服務(wù)。但是保險公司不見(jiàn)得會(huì )為病人的模型支付打印費用。

這可能會(huì )成為通向虛擬計算機模型的敲門(mén)磚。起初，加齊想以這種方式開(kāi)展他的工作，但是他很快就轉向了物理模型——現在還不可能用“虛擬的感覺(jué)”來(lái)切割，也不可能知道一個(gè)器官如果被切到某個(gè)地方會(huì )流多少血，其中有太多的不確定因素。目前，他正在與 VR 公司合作，這些公司可以使用物理模型開(kāi)發(fā)虛擬手術(shù)工具。

麥卡爾平認為，隨著(zhù)時(shí)間的推移，使用 3D 成像實(shí)施手術(shù)可能會(huì )成為常態(tài)，而不是個(gè)例。