3D 打印被公認(rèn)為是推進(jìn)第三次工業(yè)革命的技術(shù)之一。盡管它源自工業(yè)制造，但一開始就受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。我們在上世紀(jì)90 年代開展個體化骨科植入物CAD/CAM技術(shù)研究中及時引入3D打印技術(shù)，并在2004 年獲得國家科技進(jìn)步獎二等獎。

和工業(yè)3D打印不同，醫(yī)學(xué)3D打印有其自身的技術(shù)體系。隨著今天這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，很多關(guān)鍵技術(shù)被賦予了新的內(nèi)容，并處于進(jìn)一步發(fā)展之中。

二、醫(yī)學(xué)影像生成、處理與三維重建技術(shù)

醫(yī)學(xué)影像是醫(yī)學(xué)3D打印的數(shù)據(jù)源。

上世紀(jì)90 年代，各著名品牌醫(yī)學(xué)影像設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)格式很不統(tǒng)一，這給我們開展3D打印帶來很多困難，當(dāng)時不得不研究與各種設(shè)備的接口軟件，以獲取影像設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)。今天，所有影像設(shè)備都統(tǒng)一為DICOM格式，為3D打印的推廣應(yīng)用帶來了很大的便利。

目前，骨骼CT 數(shù)據(jù)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(biāo)組織分割和建模工作最先取得突破，開發(fā)出很多骨骼CT 數(shù)據(jù)處理與建模軟件。很長一段時間國內(nèi)外廣泛運(yùn)用Materialise 公司Mimics 軟件，而今我國已經(jīng)開發(fā)出很多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件。

隨著3D 打印在醫(yī)學(xué)中的推廣應(yīng)用，很多涉及軟組織的外科領(lǐng)域也開始運(yùn)用3D打印技術(shù)，這對圖像處理和建模技術(shù)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(shù)據(jù)困難。更重要的是，為了將有些軟組織在影像中清晰地顯現(xiàn)，必須對MRI設(shè)備進(jìn)行專門的參數(shù)調(diào)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(shè)備來獲取，這就涉及到多模圖像配準(zhǔn)與融合技術(shù)，對于軟組織目前還是一個研究項(xiàng)目。因此，為滿足軟組織3D打印，我們須要和影像學(xué)專家合作開展如下技術(shù)攻關(guān)工作：

1. 清晰的影像數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。首先須要將涉及肝、膽、脾、胰、腎，心臟和肺的影像生成技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地研究，針對不同的影像設(shè)備，提出最佳的調(diào)整參數(shù)，形成一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使得后續(xù)工作獲得很好的影像數(shù)據(jù)條件。

2. 目標(biāo)軟組織自動分割技術(shù)。圖像中具有很多非相關(guān)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(xué)知識建立一個專家系統(tǒng)，用來自動( 至少半自動) 處理，才能使這項(xiàng)工作成為臨床可應(yīng)用技術(shù)。

3. 多模圖像配準(zhǔn)和融合技術(shù)。由于軟組織醫(yī)學(xué)影像常常來自多種影像設(shè)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。

繼X 光、CT/MRI 發(fā)明后，3D打印模型是在臨床醫(yī)學(xué)中具有第三個里程碑意義的技術(shù)。當(dāng)前兩者提供的影像數(shù)據(jù)不能滿足醫(yī)生手術(shù)規(guī)劃需求時，今天可通過1:1 精準(zhǔn)的打印模型直觀地觀察人體目標(biāo)組織，從而做出診斷和手術(shù)規(guī)劃。

圖1 是港大深圳醫(yī)院的案例。一位六歲患者下肢嚴(yán)重畸形( 圖1a)，依據(jù)傳統(tǒng)的X光和CT數(shù)據(jù)醫(yī)生無法做出完美的手術(shù)規(guī)劃。通過打印模型( 圖1b)，醫(yī)生不僅看清患者畸形的狀態(tài)，而且術(shù)前做出了精準(zhǔn)的手術(shù)規(guī)劃，保證了手術(shù)的完美進(jìn)行( 圖1c )。該兒童通過后續(xù)康復(fù)治療恢復(fù)了行走能力( 圖1d)。

圖1 3D打印模型支撐小兒下肢嚴(yán)重畸形矯形手術(shù)案例

圖2 是上海復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院2016 年連體嬰兒手術(shù)案例。通過3D 打印模型可以觀察到會陰部骨骼長合的狀態(tài)，從而做出精準(zhǔn)的手術(shù)規(guī)劃和術(shù)前準(zhǔn)備工作。

圖2 3D打印模型支撐連體嬰兒分離手術(shù)案例

中華醫(yī)學(xué)會數(shù)字醫(yī)學(xué)分會數(shù)字骨科學(xué)組將發(fā)表一個專家共識，列出建議用模型來指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃的適應(yīng)癥，醫(yī)生可以參照開展有關(guān)工作。這里須要關(guān)注如下問題：

1. 模型的精度。根據(jù)我們用牛骨通過CT 拍攝和建模打印，最后得出結(jié)論：只要設(shè)備調(diào)整到位，模型和實(shí)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(jiān)信打印模型將成為醫(yī)院的常規(guī)技術(shù)，醫(yī)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(tài)。這就需要打印的速度盡量快，做到醫(yī)生當(dāng)天就能獲得模型和患者進(jìn)行溝通。

3. 打印件的強(qiáng)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(qiáng)度不夠，造成局部缺失，影響醫(yī)生的診斷和手術(shù)規(guī)劃。一般來說選擇性激光燒結(jié)(SLS)、和光固化(SLA) 等技術(shù)打印的模型強(qiáng)度和細(xì)微度較高。

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