手術規(guī)劃和3D打?。何覀儸F在處于什么階段？
魔猴君 知識堂 8小時前
想象一下當X射線、CT掃描和MRI首次問世時發(fā)生了什么。想象一下這項技術帶來的變革，它讓醫(yī)生無需打開身體就能看到病人的身體內部。一個全新的世界，不是嗎？隨著3D打印在手術領域的出現，尤其是手術規(guī)劃領域的出現，也發(fā)生了同樣的轉變。
醫(yī)生和患者不再局限于屏幕上的圖像，而是能夠使用物理3D工具來了解某些數據。如今，多家醫(yī)院定期使用這項技術來可視化復雜或罕見的病例，其效果顯著：手術時間可縮短數小時，手術效果可得到改善，患者可在更好地了解情況的情況下接受手術。
圖片來源：Stratasys
而這僅僅是個開始：在法國，配備3D打印解決方案的醫(yī)院數量不斷增加，并且正在逐年構建真正的網絡。3D打印在外科手術中的應用非常廣泛，從創(chuàng)建手術指南到定制植入物，而且隨著人們對該領域的興趣日益濃厚，必將出現新的應用。
3D打印如何用于手術規(guī)劃？
有不同類型的3D打印工具用于手術規(guī)劃。下面我們介紹三種最常見的工具。由于這項技術仍然相對較新，這些工具通常被稱為不同的名稱，為了清楚起見，我們將列出它們的替代術語。
手術模型
手術模型是患者解剖結構的1:1比例的3D表示，可幫助外科醫(yī)生確定手術方法。手術模型比傳統的CT或MRI掃描更進一步，它是一種翻譯工具，可以突出顯示器官、骨骼或組織之間的空間關系，而不受解剖結構影響。手術模型通常用于了解腫瘤相對于周圍解剖結構的位置，并制定重建策略。這些模型對于醫(yī)生、患者及其家屬都具有指導意義。
腦動脈瘤的3D打印手術模型。（圖片來源：3D4MED）
手術指南
手術導板也稱為患者專用導板(PSG)或切割導板，用于在手術過程中指導外科醫(yī)生。這些一次性工具是專門為患者定制的，并在手術過程中直接應用于身體。它們的作用類似于模板或模版，向外科醫(yī)生展示刀片、螺絲或他們正在使用的任何工具的位置。有時它們可以指示動作的深度和方向。本質上，手術指南有助于確保手術的準確性。它們用于各種外科手術，最常見的是顱頜面外科手術、牙科外科手術、截骨手術和骨科手術。
針對特定患者的骨盆切割指南由內布拉斯加州兒童醫(yī)院Insight Surgery的制造工廠3D打印。（圖片來源：Insight Surgery）
模擬
模擬模型類似于手術解剖模型，但不是用于特定的病人病例，而是用于教育和培訓。它們可以按照與特定案例相同的方式進行設計，但由于它們不用于特定患者的術前規(guī)劃，因此可以在不使用放射成像的情況下進行修改甚至創(chuàng)建它們。它們具有逼真的特征，每個解剖部分都模仿真實的組織。肉的感覺就是肉，骨頭的感覺就是骨頭，器官的感覺就是每個器官的特定密度，使其成為尸體的潛在替代品。外科醫(yī)生可以在這些模型上進行完全模擬的手術。模型是放射學實踐中使用的一種特殊類型的模擬，用于訓練X射線、CT、MRI和超聲波實踐。在這些模擬中，3D打印材料與實際患者組織非常相似，從而可以更好地培訓成像專業(yè)人員并減少患者的輻射劑量（或MRI/超聲波的掃描時間）。
外科醫(yī)生使用3D打印的兒科心臟模型進行手術（圖片來源：Stratasys）
為什么在手術規(guī)劃中使用3D打?。?/span>
3D打印工具并非每個外科手術都需要，那么生產它們的理由是什么？對于手術模型和指南，這通常是獨特或復雜的解剖結構，使用簡單的MRI或CT掃描無法清晰看到。據明尼蘇達州羅切斯特市梅奧診所的腫瘤?？乒强漆t(yī)生彼得·羅斯介紹，這些病例通常位于身體的中央部位。
他解釋道：“例如，如果某人的膝蓋周圍長了腫瘤，這很容易理解……而且你做的切口大多是筆直的切口，你可以在X射線相機的引導下和切割模板的幫助下，或者徒手進行。但當我們的腫瘤位于骨盆內和周圍，或者脊柱內和周圍時，當它們非常復雜且跨越幾個不同的解剖區(qū)域時......[3D打印]是一種非常有趣的使用方法。?
羅斯博士指出，對于癌癥來說，重要的是將病灶完整切除，并以周圍的正常組織作為邊緣。他說：“我們要處理的解剖結構通常不是直線或矩形的?！薄八鼤澢鸵苿?，3D打印讓我們能夠確定切割物體的軌跡。?
骨盆骨（白色）上的腫瘤（黑色和紫色）手術模型，帶有靜脈（藍色）和動脈（紅色）。該患者特定模型用于規(guī)劃盆腔腫瘤的手術切除，以便外科醫(yī)生更好地了解腫塊的形態(tài)、位置和血管化（圖片來源：3D4MED）。
另一方面，可以打印模型和模擬模型，用于一般外科手術訓練或練習特定的病人病例。例如，西雅圖兒童醫(yī)院通過3D打印技術為呼吸困難的患者制作氣管。然后，耳鼻喉外科醫(yī)生可以切割和縫合3D打印模型，在實際手術前進行手術練習。
這個過程是如何進行的？
對于每個3D打印過程，第一步始終是創(chuàng)建3D模型，無論是通過掃描儀還是3D圖紙。由于CT或MRI掃描已經是術前過程的一部分，因此掃描結果可以進行3D打印。利用放射科的這些MRI或CT掃描，3D成像專家可以開發(fā)所需解剖結構的3D模型。當然，3D打印手術器械的過程將根據醫(yī)院是否自行進行3D打印或外包而有所不同。
一旦獲得掃描結果，3D成像專家必須進行分割，即定義所需的結構以實現更好的可視化。分割的主要目的是識別不同部分（例如腫瘤、骨骼、器官和血管）的邊界。通常，此操作必須手動完成3D打印，因為3D打印的案例幾乎總是獨一無二的。不過，一些人工智能解決方案已經融入到這一過程中。
內布拉斯加州兒童醫(yī)院3D部門主任Gabe Linke解釋說：“在某些情況下，[AI]一開始能幫助我們取得一點進展，但之后我們還需要做大量的手工工作……我們很興奮，因為隨著AI越來越好，訓練出好的模型所需的數據可能會越來越少?！?
照片來源：Bastawrous等。
技術和材料
一旦3D文件準備好了，就可以進行打印了，但是您應該使用什么技術和材料呢？該過程需要咨詢醫(yī)生和3D成像專家或工程師——無論如何，都需要專門針對案例需求的人。不同類型的3D打印技術用于手術規(guī)劃工具。
曾任梅奧診所首席工程師、現理光公司高級產品開發(fā)工程師的亞當溫特沃斯（Adam Wentworth）介紹，最常用的3D打印技術是材料擠出（FDM）、大桶光聚合（SLA）和材料噴射（Polyjet）。在較小程度上，也使用尼龍12或聚氨酯的粉末床熔融技術。
根據具體情況，一種技術可能比另一種技術更可取。例如，對于旨在幫助人們形象化情況的3D打印手術規(guī)劃工具，該部件的視覺效果至關重要，這意味著重現顏色、紋理、透明度等非常重要。該團隊可能還會考慮是否希望房間能夠打開，露出里面的結構。
下面，觀察掃描（帶有灰色陰影的平面圖像）和3D打印設備（具有高度對比的顏色和有形特征的物體）之間的區(qū)別。與掃描相比，3D打印更容易看到情況，而沒有接受過醫(yī)學培訓的人則不太容易理解。
左圖為腹部和骨盆掃描圖（照片來源：Mikael H?ggstr?m醫(yī)學博士）；右圖為內布拉斯加州兒童醫(yī)院一名患有復雜腹部腫瘤的患者創(chuàng)建的3D模型。（圖片來源：3Dnatives）
手術前
打印文件后，任何后期處理都將取決于所使用的技術和案例的要求。最后，將在術前簡報會上展示3D打印部件。
羅斯醫(yī)生介紹了情況：“任何手術開始時，在病人進入手術室之前，我們都會進行簡報，主刀醫(yī)生會概述手術計劃、預期需求和潛在陷阱......而3D打印模型位于最顯眼的位置......因為它可以為手術室里的每個人提供指導，從麻醉團隊到放射技師，再到幫助我們操作植入物和器械的人員。每個人都可以直觀地了解手術的目的和性質，這比看CT掃描要好得多?！?/span>
擁有內部3D打印部門的醫(yī)院
一些醫(yī)院正在利用3D打印技術，但擁有內部3D打印部門的醫(yī)院卻很少。相反，許多人選擇外包他們的3D打印工具。有許多公司致力于提供此項服務，其中包括Insight Surgery和MedScan等。
有時使用外部供應商更容易，因為他們已經擁有打印零件的專業(yè)知識、工具和資源。此外，外部3D打印公司可能使用對醫(yī)院來說不實用或不安全的技術，例如能夠打印金屬的機器。
雖然這些3D打印服務可能與客戶保持密切的關系，但使用它們可能會導致更長的交貨時間，這意味著醫(yī)院可能要幾周才能收到零件。羅斯博士解釋了這種動態(tài)：“我們經歷了非自愿的延誤，由于癌癥的進展和延誤，我們無法使用植入物。公司承擔了這些延誤的成本，坦率地說，我們并不需要這些成本......我們與業(yè)界保持著良好的合作關系，但我們嘗試在內部完成大部分工作，因為與自己的員工一起做可以產生內在的協同效應?！?/span>
梅奧診所的部分缸內固化3D打印機（圖片來源：梅奧診所）
優(yōu)勢
這些手術計劃工具最顯著的效果是可以減少手術時間、改善手術結果?！渡镝t(yī)學工程在線》發(fā)表的一篇評論分析了227篇有關外科手術的文章，發(fā)現82%的關于3D打印和術前規(guī)劃的研究表明，使用3D打印模型代替標準術前規(guī)劃可以獲得更好的手術效果，評論中超過50%的研究表明手術時間有所縮短。
這項研究發(fā)表于2016年，但3D打印繼續(xù)產生類似的結果，甚至更好。內布拉斯加州兒童醫(yī)院技術與創(chuàng)新副總裁瑞安·卡梅倫(Ryan Cameron)表示，借助3D技術，“我們始終看到手術時間縮短了20%到50%......這對我們來說很正常?！?/span>
而且手術速度更快不僅意味著節(jié)省時間：還意味著患者接受麻醉的時間更少，術中失血量更少，需要的術前透視檢查也更少。此外，由于3D打印可幫助外科醫(yī)生實現更高的精度，這些工具在某些情況下可以減少多次手術的需要。正如林克所解釋的那樣，預先進行3D打印手術需要更長的時間，“但它可以限制重復手術的風險，因為當我們進入手術室時，我們有更好的手術計劃?！?/span>
內布拉斯加州兒童醫(yī)院創(chuàng)建的患者專用胸部模型，用于模擬和訓練主動脈縮窄手術和方法。（圖片來源：朱莉婭·施泰納）
手術前，這些3D工具還可以使患者及其家人受益。羅斯博士解釋說，通過向他們展示3D模型，“我們可以讓他們成為主動的合作伙伴，并讓他們決定這項手術是否適合他們?！?/span>
當得知病人對自己的手術有了更好的理解后，羅斯醫(yī)生感到更加自信了。他談到癌癥患者時說道：“對于患者和家屬來說，這都是極其艱難的事情?！薄澳軌蚩吹轿赵谑种械哪Ｐ陀兄谒麄兏玫亓私饽[瘤手術的性質。”?
本質上，這些3D工具為人們提供了清晰度。無論是學生在模擬中練習手術，外科醫(yī)生審查手術計劃，還是患者了解自己的情況，這些工具都能提供更清晰的醫(yī)療場景圖像，同時改善手術結果。
應對未來的挑戰(zhàn)
3D打印手術器械面臨的挑戰(zhàn)之一是成本。溫特沃斯先生討論了當前的局限性：“一些增材制造技術仍然需要經驗豐富的技術人員才能可靠地使用。在3D打印應用尚處于起步階段的領域，建立工業(yè)設備、設施的成本以及耗材、軟件和工資的運行成本可能過高，而且投資回報尚不清楚。打印服務可以在經過ISO認證的設施中通過經過驗證的流程提供即時訪問，但在建成護理中心之前，投資回報率和物流方面會稍微差一些。“
然而，隨著技術的不斷進步和更廣泛的應用，創(chuàng)建3D打印手術規(guī)劃工具的當前挑戰(zhàn)也將不斷演變。林克在內布拉斯加州兒童醫(yī)院創(chuàng)建了3D打印實驗室，他解釋說，盡管由于資金支持，醫(yī)院的進入門檻并不高，但“我們根本無法足夠快地雇用和培訓足夠的人員來滿足需求”。如今，醫(yī)院已做好應對指數級增長的準備。
隨著醫(yī)院3D打印基礎設施的改善，技術也在不斷發(fā)展。正如我們所提到的，人工智能已經在分割技術中發(fā)揮著作用。雖然他們并不追求自動化，但卡梅倫表示，有時候“實際上沒有辦法去除人工智能”，因為這項技術會自動集成到某些軟件中。
對心臟圖像進行分割的過程，其中會包含由金屬植入物和動脈鈣化造成的明亮偽影。b部分顯示了自動分割，但由于人工制品的存在，該分割的效果有所減弱。B部分展示了如何使用手動分割來隔離感興趣的區(qū)域。（照片來源：Segaran等人）
但這并不意味著他們讓人工智能掌控一切?？穫惤忉屨f：“我們并不真正關心醫(yī)生或護理人員自行做出的任何決定?！?他們反而關注決策支持系統，這些系統可以幫助他們提高效率，但永遠無法幫助他們做出決策?？穫愌a充道：“我們對承諾軟件自主性的人工智能產品非常謹慎和留心，我們有意避開這個領域。”
除了軟件改進之外，打印技術也在不斷進步，打印機能夠比以前更快、更精確地生產出更逼真的多材料打印件。溫特沃斯先生表示，“其他應用也將達到更高級的成熟階段，并因其已公布和已證實的影響而證明投資的合理性。”我的愿景是，這些目前孤立的舉措將蓬勃發(fā)展，并激勵其他人去追求可能的事情，盡管在實踐中，報銷可能是采用的驅動力?！?/span>
事實上，成本在醫(yī)院如何利用這項技術方面發(fā)揮著重要作用。每個機構的情況都不同，但對于內布拉斯加州兒童醫(yī)院來說，3D打印的發(fā)展主要由醫(yī)院支付費用，而醫(yī)院只能依靠社區(qū)的支持才能負擔得起。
隨著所有這些進步，使用3D打印工具進行手術規(guī)劃正在成為現代醫(yī)療保健的重要組成部分。技術每天都在存在并且不斷進步；剩下的就是找到所需的人力和資金，以最大限度地發(fā)揮影響并確保最好的護理。
編譯整理：3dnatives
