唐都醫院曹鐵生:3D打印在外科手術中的應用

3D打印人物
2019
10/09
10:51
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2019年9月19-21日,IAME中國(西安)國際3D打印博覽會暨高峰論壇在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技創新的開放合作共享交流平臺,匯聚全球頂尖的增材制造(3D打印)領域成果及人才,促進行業各環節、產業鏈的銜接融合。南極熊作為戰略合作媒體,到西安現場全程報道。


2019年9月19 日,大會開幕的第一天,來自國內外的11位院士、專家做了專題報告,空軍軍醫大學唐都醫院3D打印研究室主任曹鐵生做了主題是《3D打印在外科手術中的應用與展望》的報告。

下午好,我今天主要為大家匯報3D打印在臨床醫學研究方面的應用。

我畢業于空軍軍醫大學(原第四軍醫大學),畢業之后主要從事心臟病臨床工作。我們為什么搞3D打印?當時我主要研究的課題是“無創傷心內壓測定”,實驗需要用到大量的硅膠膜,這個硅膠膜當時在市場上買不到,我們只有自己制作模具,利用模具做硅膠膜。而模具的制作需要有3D打印機,因此我們決定自己動手制作3D打印機。最終,我們利用自主研發制作的3D打印機打印出了模具,制作出了理想的硅膠膜,完成了研究課題。



2015年5月,唐都醫院胸外科接診了一個患胸骨腫瘤的病人,胸骨腫瘤切除之后以后沒有替代物替換已經拿掉的胸骨。患者提出利用3D打印工藝為其打印一個胸骨替代物。當時查閱文獻沒有找到相關案例,這就成了第一例,我們琢磨能不能承擔起這個責任。經討論分析,我們決定使用作為植入物材料應用已十分成熟的鈦合金材料。后經過唐都醫院醫院倫理委員會討論,決定實施這個方案。我們與西北工業大學鉑力特合作,利用患者的CT數據,為其量身定制了3D打印鈦合金胸骨植入物,這是我們的第一例臨床應用案例,也是世界首例。這也見證了我們空軍軍醫大學3D打印研究中心與西工大黃教授領導的團隊,還有鉑力特公司,我們的第一次合作,在這之后我們在好多領域合作做了很多工作,也將長期合作下去。



我們做的第二例手術是3D打印鈦合金胸肋骨。由于患者的腫瘤長到了胸骨和肋骨上,所以必須大面積切除胸肋骨,一次性換了5根肋骨。 做了這些手術以后我們很快就把文章發表了,因為是世界首例,所以美國權威的胸科雜志不僅權威發表了我們的論文,還專門撰寫了評論文章。在評價第四軍醫大學現唐都醫院3D打印鈦合金肋骨植入手術他是這么說的,“這是醫學的一小步,但是是人類的一大步。“


漏斗胸是先天性的畸形,傳統的手術過程復雜且耗時長。有了3D打印技術以后,根據病人胸廓的CT數據,打印真實胸廓模型,利用模型制作矯形鋼板,精準又省時。對于正在生長發育期的兒童,我們制作可伸縮的矯形鋼板,避免了二次手術,減少了病人的痛苦。


鈦合金胸肋骨因其材料是金屬,在患者術后的日常生活中會帶來一些麻煩,比如在通過安檢的時候系統會報警,在做核磁共振和CT的時候有陰影遮擋。因此,我們考慮是否可以用復合材料替代金屬材料。我們與西安交通大學合作做了一些研究,決定使用聚醚醚酮(PEEK)材料。 PEEK材料無毒,具有生物親和性,且也是一種較為成熟的植入物材料,滿足臨床需要。


接下來,我們對胸肋骨的置換進行了優化。胸骨與肋骨的連接有一部分是軟肋骨,它對于胸肋骨的彈性有著重要意義。前面兩代肋骨材料無法滿足患者胸式呼吸的需求,因此我們思考如何能夠讓其有一定彈性。我們想了一個辦法,把肋軟骨部分打成扁彈簧的結構,和肋骨形狀一樣,植入在人身上以后,特殊的彈簧結構能夠仿生微動關節結構,滿足患者的日常生活需求。這是我們的又一大創新。

3D打印技術在臨床中的另一大應用是解決胡桃夾綜合征。胡桃夾綜合征,是一種伴有左腎靜脈血流速度下降、受壓遠端靜脈擴張,并引起血尿、蛋白尿和左腰痛等一系列癥狀的較為罕見的臨床癥候群。通常情況下,左腎靜脈受壓迫有兩種情況:一種是左腎靜脈回流入下腔靜脈過程中在穿經由腹主動脈和腸系膜上動脈形成的夾角時受到壓迫(前胡桃夾綜合征);另一種是其在穿經腹主動脈與脊柱之間的間隙內時受到擠壓(后胡桃夾綜合征),十分罕見。

傳統的手術治療方式,如左腎靜脈下移-下腔靜脈端側吻合術、自體腎移植和腸系膜上動脈切斷再植術等,創傷大、手術過程復雜,且患者術后恢復緩慢。而介入治療,如左腎靜脈擴張、血管內支架植入術等,容易出現術后支架移位導致并發癥,且患者需長期服用抗凝藥物。



有了3D打印技術,我們想到可以3D打印一個“小籠子”,也就是血管外支架,把左腎靜脈保護起來,把動脈撐開,這樣就把病人問題解決了,而且是微創的,不用切開腹腔,利用腹腔鏡實施手術就可以。一開始我們3D打印了鈦合金血管外支架;后來,我們嘗試用使用更輕便且無影像偽影的PEEK材料,都取得了成功。

由于個體差異性,每個人的血管的形態都不同,因此,要想實現血管外支架的個性化定制,3D打印技術就顯得尤為關鍵。

3D打印血管外支架治療胡桃夾綜合征的文章很快發表以后,美國和歐洲一些國家的教授主動跟我們聯系,向我們取經,有一些患者主動要求來我們這里治療。

我們還做了3D打印可降解材料,相當于4D打印,包括氣管支架,用來解決氣管狹窄的問題。另外一個典型的案例是3D打印可降解的陰道支架,這也是世界首例。對于患有先天性的陰道閉鎖的孩子,我們使用可降解的材料,利用3D打印工藝,為其量身定做陰道支架。隨著時間的推移,支架被降解吸收代謝。

在3D打印技術成功應用的胸外科和泌尿外科之后,我們開始尋找其它的應用點,比如顱底骨修補,是否也可以通過3D打印技術實現,事實證明是可以的。再比如,我們與神經外科合作,實現了世界首例保留神經功能的3D打印腰骶聯合置換術,手術非常成功,術后患者康復的很好。

之前我們所做的工作都是基于CT或者MRI數據進行建模的,我們知道,超聲檢查也具有其獨特的優勢,因此我們考慮能不能用超聲數據建立3D打印模型。我們決定從胎兒心臟這個方面入手,進行探索。

一開始,我們利用多普勒血流動態容積圖像,直接輸出STL格式打印。但是我們發現這樣打印出來的模型可觀性不強,于是,我們利用STIC模式采集的容積圖像,在Mimics軟件中重新進行三維建模,再進行3D打印。下面兩幅分別是正常胎兒心臟和法洛四聯癥胎兒心臟的模型,可以看到四腔、動脈弓、導管等結構非常完整。


我們的3D打印團隊在校院領導,空軍軍醫大學和唐都醫院支持下,從無到有,自2016年1月26日經校黨委批準成立空軍軍醫大學3D打印中心以來,先后與西北工業大學,西安交通大學國家增材制造研究院和鉑力特成型有限公司,西北有色金屬研究院,上海九院,比利時的Materialise軟件公司,美國Stratasys公司等合作,做了一些創新性的工作,包括鈦合金胸骨置換21例,鈦合金肋骨置換10例,治療胡桃夾的血管外支架置百余例,另外實驗儀器、手術器械以及手術導板、醫學模型等打印一共500多例。我們建立的這個平臺是把各個學科、各個模塊組織起來,這是新的模塊,新的組裝,這是非常有用的,四醫大的黨委能夠把這個平臺建立起來,對于3D打印在醫學上的應用有重要的意義。

時間關系特別抱歉沒有準備英文版本講解資料,如果大家需要了解更多的內容,會后我們再進行溝通,我的演講到此為止,謝謝大家。



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