3D打印技术在耳科的运用

发布者:匿名 2018-07-17 浏览量:159

1、3D打印技术应用于医学领域的基本原理

3D打印技术应用于医学领域的基本原理是:利用医学影像学检查例如CT、MRI、PET-CT(Positron emission tomography,正电子发射计算机断层显像)以及光学扫描等技术获得全面、清晰的个体信息资料,再通过计算机三维重建软件(如MIMICS,FitMe等)对数据进行转换处理,绘制模型数据,然后将模型数据转化为3D打印机能读的G代码文件,最后导入3D打印机自下而上地完成打印。根据3D打印所用材料的状态及成形方法,3D打印技术可以分为熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling, FDM)、光固化立体成形(Stereolithography Apparatus, SLA)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)、电子束选区熔化(Electron Beam Melting,EBM)、激光选区熔化(Selective Laser Sintering, SLS)、金属激光熔融沉积(Laser Direct Melting Deposition,LDMD)、电子柬熔丝沉积成形(ElectronBeam Freeform Fabrication,EBF) 。


2、3D打印技术在耳科教学与解剖训练方面的应用
2.1 颞骨3D打印模型的教学应用:颞骨是人体中最为复杂、精密的骨性结构之一,属于侧颅底的一部分,不仅有脑神经、颈内动静脉等重要的神经、血管穿行其中,与听觉、平衡觉相关的重要终末器官也暗含在内,且腔隙狭窄、位置较深、容易发生解剖变异。基于上述特点,传统二维图像的教学具有很大局限性,随着3D打印技术的问世及发展,医学教学迎来了“新气象”。Suzuki等[采用3D打印技术分别制造出了双倍尺寸的颞骨模型和三倍尺寸的内耳模型,清晰的还原了骨迷路、听骨链等结构,把此模型与教学视频相结合,学生们能够更加直观的掌握解剖定位。此外,利用3D打印模型这一媒介,可以实现经典病例及罕见病例的复制还原,突破了标准化颞骨模具无法实现个体化的局限性,将解剖变异带入临床教学,帮助学生们更好地理解。

2.2 颞骨3D打印模型的解剖训练应用:对于耳鼻咽喉科医师,尤其是耳显微外科和侧颅底外科医师,熟练掌握颞骨解剖结构并与CT显像结合形成颞骨重要解剖结构的空间构象概念至关重要。传统的颞骨解剖训练以尸头为主,但是解剖材料(尸头)相当匮乏,价格昂贵,严重制约了颞骨实体解剖训练、影响耳科医师临床技能的提高。有文献报道,绵羊的颞骨可用于人工耳蜗植入术和镫骨切除术的技能训练,但考虑到两者的耳蜗长度、螺旋神经元的平均直径、电刺激等方面都存在差异,绵羊颞骨在解剖训练方面的作用十分有限。




随着虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术的发展,许多国家开发出了基于力反馈技术的计算机虚拟颞骨模型,打破了传统解剖训练的时间、空间、次数限制,且虚拟的手术系统还可以评估操作者的手术水平。但VR技术尚不完全具备真实的三维性,仿真度欠佳,操作者不能使用真实的手术器械,无法体会真实的钻磨触感,因而尚未获广泛应用。3D打印颞骨模型的问世很大程度上解决了这些问题。Hochman等利用3D打印技术制造的颞骨模型,可用来练习乳突切除术、后鼓室切开术等,模型中模拟面神经的导线为表里双色,练习过程中如果面神经受损操作者能立即知晓。Bakhos等制造的3D模型可用于中耳假体植入术的训练。Roosli等[制造的颞骨模型展现了人工耳蜗植入术必不可少的解剖细节,包括耳蜗管腔结构和延展的颞骨鳞部等结构,此模型被认为在人工耳蜗植入术的解剖训练方面不逊色于尸体颞骨。

对于3D打印颞骨模型优劣的评价,我们通常使用表面效度和内容效度这两个方面:如果该模型具有原型的外观、声音、感觉等特征,那么该模型就具有良好的表面效度。模型的硬度、深度感触、解剖结构的完整度、细微结构的辨识度、以及操作过程中操作者的钻磨触感、听觉反馈、骨粉和冲洗液混合物的仿真度等都能作为3D打印颞骨模型表面效度的评价内容。相类似地,如若该颞骨模型有益于相应的临床教学和解剖技能培训,则其拥有满意的内容效度。评价内容包括模型能否提升学员的解剖技能、提高眼-手的协调性、是否为有效的训练工具等方面。不足的是表面效度和内容效度的测评都具有一定的主观性,测评内容难以实现简单量化,需要进一步探索建立一套客观统一的评价方法。

3D打印颞骨模型所用的打印材料种类很多,如:丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile-butadi-ene-styrene, ABS)塑料、液态光敏树脂、各种热塑性材料等。但目前使用较多的是石膏粉末,基于微喷射原理,通过改变粘合剂浓度、类型,再借助不同颜色的染料,利用分层打印再组装的技术制造出3D模型,后期再采用压缩空气法将残留在空腔结构内的多余材料清除,如此制作出的颞骨模型可以再现颈内动脉、乙状窦、前庭等重要结构,而且廉价的打印材料有利于技术的普及。

虽然3D打印颞骨模型优点颇多,但其发展仍受很多因素的限制。例如:新型打印材料的缺乏:目前最常见的石膏3D打印颞骨模型质地偏软,硬度不如尸体颞骨。而且国内缺乏关于3D打印材料的标准,大多依赖于进口。打印技术不够精准:由于颞骨解剖结构复杂,内含许多细小结构,目前的3D打印技术容易导致听小骨塑形不全或互相融合固定,细微结构如镫骨、鼓索等难以再现或无法辨认等。打印成本高昂:不仅打印材料价格昂贵,而且相应配套的3D打印设备价格更是从数万元到数千万元人民币不等。工作效率低下:目前的技术模型设计和制作时间较长,平均需要3天左右,耗时太长。

3、3D打印技术在耳科术前规划与手术模拟方面的应用
3D打印技术应用于术前规划和手术模拟时,即手术前的“带妆彩排”,可以为复杂病变患者提供个性化的手术治疗方案。基于CT、MRI等所得影像学数据和计算机设计软件、利用3D打印技术所制作的3D打印模型不仅能提供可视化立体结构,真实地再现了病灶部位及周围毗邻关系,而且可以在模型上反复进行模拟手术,预判术中可能出现的问题,个性化定制手术方案,规避潜在风险、缩短手术时间、提高手术质量、减轻病人痛苦[。同时利用3D打印模型可以更好地与患者及其家属做好术前沟通。

基于颞骨解剖结构和功能的复杂性,颞骨部位的手术对耳科医师临床技能的要求极高,利用3D打印颞骨模型,术前在模型上进行手术模拟,不仅可以让手术医师做到“心中有丘壑”,而且个性化的治疗方案更能提高手术的安全性。国内外均已有专家将3D打印技术应用于复杂颞骨病变患者的术前规划与模拟手术。Suzuki团队曾将两例先天性外耳道闭锁患儿的颞骨CT扫描数据进行三维重建,再利用3D打印技术制作出颞骨及内耳模型。

在其中一名患儿的颞骨模型上进行模拟手术,不仅证实了CT片上发育不良的中耳裂,且进一步发现了异位的卵圆窗、前置的面神经垂直段、以及后半规管发育畸形,模型提示手术风险较高,为医生的临床决策提供依据。同样在另一名患儿的3D模型上进行手术模拟,预示手术效果良好,患儿术后听力有提高,证实了术前的判断。杨静雅等在术前利用3D打印技术制备了2例慢性中耳炎患者的颞骨模型并进行了模拟手术,其中1例模型可见胆脂瘤紧贴硬脑膜,提醒术中清除病变组织时要注意避免损伤硬脑膜。另1例颞骨模型显示病变范围局限且听骨链完整,提示手术风险比较低。

4、3D打印技术在耳科修复重建方面的应用



近年来3D打印技术联合数字建模在外科领域尤其是骨科、颌面外科的应用越来越成熟,为组织与器官缺损的修复重建提供了重要的技术支持。而其在耳鼻咽喉头颈外科的应用也逐渐崭露头角。

耳廓是个包括很多亚单位结构的器官,先天性小耳郭畸形耳再造术需在一期手术时就塑造出外耳轮、对耳轮、舟状窝、三角窝、耳甲腔、耳屏、对耳屏、耳屏间切迹等亚单位结构,再加上不同患者耳廓的个体差异性很大,这就为术者雕刻肋软骨、塑造耳支架带来了很大困难。梁久龙等]在术前对患者的肋软骨和健侧耳进行三维CT扫描,将影像学数据进行转换处理再利用3D打印技术得到个体化的同侧肋软骨、健侧耳软骨及健侧耳的3D模型,这样一期手术时术者不仅可以依据肋软骨模型选取肋软骨的位置、设计需取出的肋软骨长度,而且在进行肋软骨雕刻和耳支架塑形时有了具体参照物,避免了传统手术方法的盲目性和随意性,提高了手术效率。此外,“量身定制”的3D模型可提高与健侧耳的对称性和相似度。

对于二期手术,依据镜像耳模型和一期手术再造的耳模型厚度,再次模拟出再造耳二期手术中所需支架的外形和厚度,从而使再造的耳廓颅耳角与健侧一致。Roberto等术前采集患者健侧耳的影像学数据,进行数字化处理、倒置后形成对侧的模型,通过加深舟状窝、三角窝等结构来凸显模型的轮廓感,再将其进行数字解构、分离出单独的耳廓成分进行重建最后得到对侧3D耳廓模型,可直接作为“指南”引导术者进行塑形。此外,Kozin等指出应用3D打印技术,分别以聚二甲硅氧烷、聚乳酸、聚己酸内酯为原料构建鼓膜支架,后再以纤维蛋白-胶原复合水凝胶进行填充,此方法制造的鼓膜移植后较颞浅筋膜具有更强的抗变性,且无需另行采集皮瓣,避免了额外的手术切口。

5、展望
目前,基于影像学数据对内部结构的精确还原使3D打印技术在医学教学、解剖训练以及术前规划、手术模拟方面的应用得以迅速发展。将来如果能将VR技术与3D打印模型相结合,以3D打印模型来解决虚拟技术缺乏三维性和仿真感的问题,用虚拟技术来弥补3D打印模型细微结构难以再现或无法辨认的不足。相信通过两者的互补,3D打印技术定能更好地应用于解剖训练以及模拟手术等方面。再者,对于器官打印,最大障碍就是如何制作一个输送氧气、清除代谢废物的血管网络。

随着新型材料的研发,可以利用3D打印技术以生物材料构建血管结构,再将生物相容性支架材料、甚至细胞或生长因子等按照计算机指令逐层打印、组装,构造出有生理功能的可植入物(如个性化的听骨链、耳蜗等),用以修复人体受损组织或器官,有望实现有生命的人体组织的原位修复。另外,如若能再与克隆技术相结合,不仅有望解决移植过程出现的排异反应,而且能够在不违背医学伦理原则的情况下,为新药研制提供生物标本,从而获得准确、详细的研究数据。有理由相信,全面融合材料学、计算机软件设计和组织工程学的3D打印技术,在不远的将来必会给医学领域带来更多的冲击,而其在耳科领域的应用也必将更加深入、多元化,其潜在价值待有志之士进一步挖掘。


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