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3D 打印正在手术台上进化,几百美元就可制作出器官模型

北极蚊子 2019-7-1 12:43

3D 打印模型正在广泛应用于不同的领域。6 月 14 日,一篇发表在 Cardiology in the Young 上的文章介绍了 3D 打印在冠心病中的应用。

由于心脏形态有多种以及患者之间的个体差异,冠心病的治疗很具有挑战性。利用 3D 模型,可以直接观察患者的心脏解剖结构并进行操作,从而预测并发症和其它可能的结果开辟了个性化治疗的新领域,为术前规划及提前在患者体外演练整个手术过程提供了可能性

图丨3D 打印的心脏模型

没有任何两个人的身体是完全相同的。外科医生操纵手术刀和缝合线,在复杂的“人体地形”中精确、快速地进行切割和缝合,但由于每个人的生理情况不同,解剖细节也需要作出相应调整,这让他们的工作变得更加困难。

医生们通常使用计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)的二维图像来制定手术计划,现在他们越来越倾向于使用私人定制的真实 3D 模型。

为了完成 3D 打印,研究人员先将许多连续的 CT 或 MRI 扫描的数字二维“切片”组合成一幅立体的“地形图”,这就能够看到器官不同层次的复杂结构。然后,3D 打印机一层一层进行打印,这些小滴树脂可以通过紫外线照射或挤压硬化等方式固定在特定的位置,形成立体结构。

3D 打印技术研发于 20 世纪 80 年代,当时这种打印机价格昂贵、好坏无常、制作材料有限。但在过去的几年里,这项技术发展到甚至普通家庭用户都足以负担。在软件和打印方法上的改进,使得打印高精度颜色和纹理的复杂物体成为现实,我们可以构建更加精确和真实的器官模型,用于外科手术中。

从 2D 到 3D

2012 年,美国克利夫兰诊所的肝脏病学主任和肝脏移植医学主任尼扎尔·泽恩(Nizar Zein)首次萌发了打印器官模型的想法,他想知道这种方法是否能使活体肝移植更加安全。

图丨尼扎尔·泽恩(来源:3dprinterworld.com)

泽恩博士表示,对肝移植的需求日益增长,同时来自尸体的肝脏供应不足,增加了对活体肝移植(LDLT)的需求。

他说:“当我们在肝脏上做手术时,最大的风险之一就是不知道主要血管或胆管的确切位置,而无意中切断了其中的一条。

每个肝脏都有一个独特而复杂的动脉、静脉和胆管网络,如果切错了位置,可能会导致供体或受体的并发症,甚至死亡。因此,泽恩召集了一个由临床医生、影像专家、工程师和软件设计师组成的团队,企图用树脂“打印”出一种针对特定病人的肝脏来指导手术过程。

泽恩回忆说,第一个模型非常粗糙,就像一个玩培乐多彩泥的孩子随手捏出来的那样。它的大小不到活体肝脏的四分之三,并非完全透明,并且缺乏代表不同组织的颜色编码。某个案例中,一名肝脏捐赠者在手术台上遭遇了危险的并发症,泽恩记得其中一位外科医生说,如果事先有这样的模型来练习就可能挽救捐赠者的生命。

泽恩对模型进行了改进,并在 2013 年开始研究如何利用活体肝脏大小的三维模型来制定外科医生的手术计划。一项初步的小型研究表明,他们的模型在解剖学和形状上都与活体器官相匹配。

目前,泽恩团队构建出的模型已经应用在 20 多个手术中了。泽恩说,在很多情况下,观察研究这个模型使外科医生改变了他们切割器官的方式,甚至在某一个案例中,外科医生得出结论,某个供体并不适合移植,这挽救了一桩可能发生的医疗事故。

他的团队继续打印复杂肝脏肿瘤的三维模型,以了解它们是如何在肝脏上生长的。泽恩说:“我们对病人肿瘤组织的解剖结构了解得越多,手术的效果就会越好。

图丨3D 打印的身体器官——肝叶,和“有血有肉”的肝叶(来自捐赠)。这样的对比观察可以帮助医生计划和实行复杂的移植手术。(来源:N.N. ZEIN ET AL / LIVER TRANSPLANTATION 2013)

更逼真的模型

美国罗切斯特大学泌尿科医生艾哈迈德·加齐(Ahmed Ghazi) 受到泽恩的启发,建立了更逼真的肾脏模型,为模拟手术提供了一种“具有沉浸感”的方法

他说:“我只是想要一个看起来像肾一样,会流血的东西。”肾脏外科医生经常面临着从布满血管的器官中取出肿瘤的问题,他们可能只有 30 分钟的时间来完成工作,不然肾脏组织会停止血液循环,导致死亡。

在经过改良后,这种打印器官具有空间感、解剖准确性和触觉反馈,还可以用来仿真模拟,以培训新的外科医生

图丨人造器官模型(右图)可以流血,就像真正的器官在手术过程中会流血一样(左图)。图示手术是在切除一个肾肿瘤。(来源:AHMED GHAZI)

为了建立肾脏模型,加齐团队在一个类似腹腔的地方模拟了脂肪、肠道和其他组织,就像它们在真正的病人体内一样。加齐与 5 位专家、 10 位新外科医生一起,对这个模拟系统进行测试发现,这个模型非常逼真,而新手医生一致认为在手术前使用这些模型会有很大帮助。

在 2017 年的一项研究中,她和同事请 3 位经验丰富的外科医生回顾了 10 种不同复杂程度的肾脏手术,包括回忆患者的二维扫描图像并描述他们的手术计划。之后,他们用 3D 模型重复了这个手术过程。在所有的病例中,至少有一名外科医生改变了他的初始想法,他认为当时应该有更好进入体腔或夹住器官的方式。他们说,这种模拟可以使他们自己更好地确认计划,提高手术信心。

材料的提升

泽恩说,在构建 3D 器官模型时,材料的选择取决于它的用途。硬塑料更便宜,也更适合进行简单的三维可视化,有助于临床医生将注意力集中在肿瘤的形状或血管的弯曲路径等视觉特征上。

但更有弹性的海绵状材料,包括硅酮、软塑料和水凝胶,则更为逼真。它们的弹性可以模仿活体组织的机械性能,为外科医生提供了一个可用于练习的器官,可以切开,以测量必要切口的宽度和深度,便于清除肿瘤并指导修复。更柔软的模型还可以结合其他功能,比如压力传感器,让外科医生在术前准备得更加充分。

加齐和同事已经构建了一系列组织纹理模型他们不是直接打印,而是使用 3D 打印机建立一系列模具,然后注入特殊的水凝胶,这些水凝胶由水和其他液体组成,但可以像真实的肌肉、脂肪或血管一样对操作产生反应

美国明尼苏达大学的机械工程师迈克尔·麦卡尔平(Michael McAlpine)模仿组织的机械特性,制作了前列腺的器官模型。他的团队使用从癌症患者身上取出的前列腺样品来测试前列腺的硬度和柔韧性,并通过调整有机硅打印材料的化学成分,来改变聚合物之间的连接,使模型变得更软或更硬。

他们甚至为前列腺模型配备了 3D 打印的。传感器由水凝胶和橡胶硅胶制成,可以测量内窥镜或手术剪刀施加的力,在医生进入手术室之前为他们提供有用的信息。

图丨配备了压力传感器的 3D 打印前列腺,可以让外科医生进行更逼真的练习。(来源:K. QIU ET AL / Advanced Materials Technologies 2018)

拥有 3D 打印设备和专业知识的医疗中心现在可以自己打印出器官模型,而一个硬塑料模型的打印成本不超过几百美元。像 Lazarus 3D 和 Materialise 这样的公司现在也提供利用成像数据制作器官模型的服务。但是保险公司不见得会为病人的模型支付打印费用

这可能会成为通向虚拟计算机模型的敲门砖。起初,加齐想以这种方式开展他的工作,但是他很快就转向了物理模型——现在还不可能用“虚拟的感觉”来切割,也不可能知道一个器官如果被切到某个地方会流多少血,其中有太多的不确定因素。目前,他正在与 VR 公司合作,这些公司可以使用物理模型开发虚拟手术工具

麦卡尔平认为,随着时间的推移,使用 3D 成像实施手术可能会成为常态,而不是个例

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