3D打印技术已在世界各地医院进入临床实践
分离联体婴儿、辅助肝脏手术、口腔癌重建手术、儿童洗肺手术、钛金属脊椎植入，3D打印技术已在世界各地医院进入临床实践。
作者：allenxu
在制造业背景下，相比于其他热门产业例如航天、汽车等，3D打印的医疗应用是相当独特的。为什么呢？答案显而易见，3D打印所有的医疗卫生应用中都体现着人类元素，与拯救人类生命或者显著提高人类生活质量这样的成功结果相比，花费成了次要的顾虑。
时至今日，虽然不是每一家医院都在积极引进3D打印技术，但是3D打印技术却在影响着世界各地的医院。比如，美国休斯敦德克萨斯儿童医院就使用CT和3D打印帮助医生分离连体婴儿。
我们都知道3D打印技术在医疗领域应用可分为三个层次，离人体越近的应用难度越大，离人体远一点的相对简单，比较容易实现。第一层是人体外应用。例如，利用3D打印机可将CT、MR的二维图像生成三维图像和模型，大夫分析病情时更直观，也能帮助他们术前分析和规划，降低手术风险，而休斯敦德克萨斯儿童医院儿就应用的是这一层。
休斯顿德克萨斯儿童医院放射学研究和心脏成像主任 Rajesh Krishnamurthy医学博士表示，可以3D打印骨架或特定的器官模型，这次手术使用的复杂模型就是其中之一，这是Rajesh Krishnamurthy博士第一次试图使用一个模型代表婴儿的整个解剖学。这个模型包括骨骼、心血管、血管、胃肠道和妇科结构，那么，究竟是什么手术呢？
Krishnamurthy博士在北美放射学会2015年年会一个新闻发布会上描述了手术过程:Knatalye Hope和Adeline Faith Mata是一对双胞胎，在2014年4月11日出生。这两个双胞胎从胸部到骨盆连接在一起，但有互相独立的大脑和心脏。
Krishnamurthy博士开始并没有刻意做惊人的3D打印。但是医生们获取了这对连体婴儿所有的信息，意识到使用3D打印技术整合所有信息是可行的。于是，当双胞胎大约5个月大的时候，研究团队开始模型成像。
放射科医生使用了一种叫做目标模式前向ECG门控技术在图像上固定心脏和肺的运动，研究团队能在低辐射暴露的同时得到心血管解剖结构的详细视图。然后分别给这对连体婴儿静脉注射对比剂，然后让其中一个婴儿口服对比剂。模型可以展示连体婴儿各个器官的血流情况。
整个模型花了3周才完成，其中包括在Dallas公司制作3D模型的一个星期。材料和打印时间的成本约为4000美元。使用不同的颜色和纹理代表骨头、器官和血管。模型完成后，医生可以取出单个部分，观察深层解剖学结构。今年2月17日的时候，12个外科医生、六个麻醉师和八个护士一起完成了这个持续26小时的手术，后来，两名婴儿术后生长良好。
而美国克利夫兰医院作为世界上最繁忙和最具创新性的医疗中心之一，更不会放过3D打印实践的大好机会了，当其他医院还在积极引进的时候，它已经开始大规模实践了，而实践的第一站就是将3D打印肝脏模型。
其实，早在2012年的时候，医院就已经开始研究3D打印医疗实践了。克利夫兰知名肝脏医生Nizar Zein在2012年接触并深入了解了3D打印，之后便开始考虑将这项新技术用在高风险的肝脏手术中。
因为肝脏的结构极其复杂，医生在手术时可能会不小心切断患者的血管等重要组织。即使发达的医疗已经可以让医生在手术前仔细研究电脑里的肝脏三维模型，但是平面感官对于手术还是有很大的局限性，而实实在在的3D打印肝脏模型却不一样了，它允许医生在手术前进行操刀练习，这已经成为外科手术中越来月常见的辅助手段。
不得不承认3D打印技术的发展之快，Nizar Zein讲到2012年，也就是三年前打印一个肝脏模型要需要6个星期左右，而现在只需要48小时左右。不仅时间提高了很多，打印精度也有了质的提升。早期的打印模型比较粗糙，现在的模型就精致很多，还能够将肝脏的血管和胆管清晰的呈现在医生的眼前，不同的部位也可以单独打印。三年来，Nizar已经3D打印了20多件肝脏模型，为许多肝疾病患者带去福音。
一般从3D打印医疗应用程度来看，第二层离人体更近一步，变成了打印一些医疗辅助工具。例如，种牙时为了种得比较准确，可以利用3D打印技术将患者的牙齿模型打印出来，先用计算机模拟种牙的位置、角度和深度，再打印出“导板”,有了“导板”牙齿就能非常准确地植进去。
在未来十年内，3D打印的医疗模型和定制的手术导板很可能成为许多手术的标准流程，包括心脏手术、下颚手术、全膝关节置换术、髋关节置换术、颅内植入、肩关节手术、脊椎手术或者更多其他手术。
而位于海峡另一边的台湾，显然在3D打印医疗实践方面要走的更加匆忙一点，台湾成功大学斗六医院则是这些医院里面3D医疗实践比较出色的一家，它已经成功的使用3D打印辅助工具成功的完成了多起口腔病手术。
斗六成大医院早前完成了一起使用计算机辅助打印下颚骨的口腔癌重建手术，患者是一名78岁的男性，因口腔癌曾于其它医院院内治疗与追踪，后因口腔癌复发，改至斗六成大医院口腔外科求医。
经计算机断层（CT）等检查，牙科医师陈孟延决定进行颚骨截除手术以完整摘除肿瘤，为了完整修复缺损的脸颊，术前替他量身订制3D颚骨模型。
该手术负责人陈孟延表示，3D打印辅助下颚骨重建技术是由成大医院口腔外科主任王东尧与成功大学机械工程研究所教授方晶晶所研发，透过计算机辅助，可为病患量身订做颚骨外型，重建下颚完整性，以恢复口腔功能与外观，已于成功大学总院采行10年，并推广到台湾多家医院。
陈孟延医师在术前利用成功大学本土研发的技术重组下颚骨影像，接着替病患量身订制 3D颚骨模型，把要置放在口腔的钛金属板，利用3D打印技术做出模型。口腔外科准确切除肿瘤，接着做钛金属板的下颚骨重建，整形外科接着进行精密血管与自由皮瓣重建手术，修复缺损的脸颊，不仅缩短20%手术时间，更成功重建了口腔功能。
除了台湾，英国自然也是不甘示弱的，英国的一些医院在3D打印医疗实践上的进展则同样迅速，他们也在不停探索更多更实用的3D打印医学应用。其中，就有英国医生用3D打印辅助进行儿童洗肺手术。
Katie Parke是北爱尔兰的一位可爱的六岁小女孩。但不幸的是她患上了一种被称为肺泡蛋白沉积症（PAP）的罕见疾病。这种疾病会导致由蛋白质和磷脂在患者肺部的肺泡或气囊大量沉积。这种沉积会积抑制患者肺部吸收氧气的能力，甚至导致其呼吸困难。
好在这种病是可以治疗的，但是治疗的过程非常痛苦，光听着就让人不寒而栗——最常用的治疗方法被称为全肺灌洗，也就是用盐溶液去洗肺。这个手术过程非常复杂，需要一个让一个肺叶保持呼吸，然后对另外一个进行清理。由于人体肺部气管的大小非常不同，儿童尤其如此，医生往往被迫尝试不同尺寸的管子以找到最佳组合，这就在手术过程中浪费了宝贵的时间。
为此，伦敦 Great Ormond Street医院的医生们想出了一个解决方案，使小Katie的手术更加安全：他们取来了Katie的CT扫描结构，并用它3D打印出气管的橡胶模型。然后，医疗团队就能够根据该模型在手术之前确定好Katie所需要的各种匹配的工具。由于相应的气管已经提前准备好了，Katie的手术时间被大大缩短。
由于未来Katie还要经历多次这样的手术治疗，而且她又是一位成长中的孩子，因此每次手术她的肺部形状、大小都会有所变化，因此医生每次都需要先打印出准确的气管模型。幸运的是，这种3D打印成本很低，并且可以在数小时内完成。
值得一提的是，在此之前这家医院就已经开展了将3D打印用于高风险手术辅助的研究。目前，他们还打算3D打印一系列的模型用于培训，使医生们可以在进入对人体的实际手术之前得到充分的练习。
3D打印在前两层的应用由于不涉及人体器官的改变，因而相对比较容易，到了第三层，即植入人体内的组织、支架、骨骼和器官等，这一层的应用就需要很高的技术含量，就目前来说距应用还有一定的距离，但仍然有很多医院争当马前卒，为医疗手术未来开启了一扇大门。
位于南半球的澳洲首当其冲，使用3D打印完成了一起3D打印钛金属脊柱植入手术。据悉，这是澳大利亚首次应用3D打印的脊柱植入物，接受该植入物的患者是Amanda Gorvin女士。
由于其第五节腰椎结构异常以及邻近椎间盘的严重退变，Gorvin长期以来一直经受腰痛的折磨。后来她被介绍给了North Gosford&Prince of Wales医院的脊柱外科专家Marc Coughlan博士。
Coughlan认为手术是最好的解决方案，但是有个问题阻碍了这种可能性的实现。因为病人的脊椎形状与众不同，因此Coughlan担心用一个现成的标准植入物不大可能解决病人的病痛。怎么办呢？当然是3D打印。为此医生找到了位于墨尔本的医疗器械公司Anatomics，希望能够合作为Coughlan3D打印一个植入物。
Anatomics公司欣然同意，他们与RMIT大学增材制造中心的Milan Brandt教授及其团队一起，共同为Coughlan设计和开发了一个3D打印的钛合金脊柱植入物。
这个由来自Anatomics和RMIT的科学家和专业人员组成的精英团队对病人的脊柱进行了一次CT扫描，从而为她的脊柱设建立了精准的3D图像，根据这个图像，治疗团队就能够设计出定制的植入物。另外一家医疗设备供应商LifeHealthcare也提供了一些帮助。这个植入物总共花了十小时左右的时间3D打印完成，随后由医生将其置入Gorvin体内。
在植入手术三个月后，Gorvin已经恢复了正常生活，彻底从过去的那种巨大痛苦中解脱。
不只是澳洲，处于欧洲西部的西班牙同样在积极进行3D打印医疗实践，而它的方向，则是胸肋骨植入手术。
一名54岁的西班牙男子患有胸壁肉瘤（chest wall sarcoma），更糟糕的是，这个恶性肿瘤的生长位置比较特殊，与他的胸肋骨部分长到了一起。结果就是，若要彻底切除肿瘤，医生们将不得不同时切掉其骨架的一部分。
由于人体肋条形状差异大且难以复制，通常大家都会选择用钛板来加强肋笼的结构。不过即使这样也不是一个很好的选择，因为它们可能松动并增加并发症的风险。万幸的是，3D打印技术及时地派上了用场。
西班牙萨拉曼卡大学医院的手术小组委托远在澳大利亚墨尔本的Anatomics医疗设备公司，为患者量身打造了一个结构非常复杂的钛金组件，以便能够与患者的胸骨和肋骨结构结合得天衣无缝。
该团队先是通过高分辨率CT扫描患者的胸腔，然后重建了一个包含肿瘤在内的模型，以便外科医生能够准备规划并尽量减少对患者身体的伤害，并让Anatomics后续做出一个完全贴合的胸腔植入构件。
为了最终能打印出这个植入件，Anatomics将文件发送给了澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）旗下的3D打印实验室Lab 22那里，然后用价格高达130万澳元的Arcam金属打印机进行制作。
其原理是通过强大的电子束来熔化金属粉末，然后一层层地堆叠出3D打印物件。CSIRO的Adam Knight在一篇博客文章中说到：“当你等着手术来救命的时候，这绝对就是头等大事”。此前，Lab 22还曾帮助该制造商打造过一个3D打印的钛金根骨（heel-bone）植入件。在3D打印完成后，还需要进行一道抛光精制工序。
完工之后，成品被快递到了萨马拉卡大学医院，并顺利植入了病人的胸部。这场手术已经过去了2周，患者已出院且恢复良好。
过去两年里，涌现出许多成功的3D打印辅助植入手术，尽管植入用3D打印肋骨和脊椎仍只占有整个植入物品市场的极小一部分，却成为3D技术治愈不治之症的又一伟大突破。
报告预计到2020年，3D打印医疗植入体的市场总收入将达到35亿美元。有机构认为常见的3D打印骨科应用已经进行了充分的实验，医疗植入体将实现更加广泛的商业应用。同时3D打印医疗植入应用正迅速扩大到膝盖、脊椎、肩和其他植入物，以弥补传统治疗方法在特殊病例中的不足。
现在，专业医学移植提供者正用工业打印机为病人打造定制的植入物，否则那些病人们很难找到用传统方式植入的办法。随着人口老龄化程度增加，老年人身体机能正在退化，所以不太可能让他们接受两次甚至三次手术。通过3D打印制造专业植入物往往是有希望长效治愈患者的唯一方案。
除了模型，手术导板和植入物等已经证实的实践方法外，世界各地的医生们同样在积极探索更具实验性又有可能改变生活的新的医疗应用。
那么，接下来是什么呢？细胞3D打印！
细胞打印属较为前沿的研究领域，是一种基于微滴沉积的技术——一层热敏胶材料一层细胞逐层打印，热敏胶材料温度经过调控后会降解，形成含有细胞的三维结构体。
细胞打印能够为再生医学、组织工程、干细胞和癌症等生命科学和基础医学研究领域提供新的研究工具，为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术，推动外科修复整形、再生医学和移植医学的发展。可应用于药物筛选技术和药物控释技术，在药物开发领域具有广泛前景。
对于3D打印在医学领域的应用，有人提出了一个“3D打印生命阶梯”的预想，无生命的假肢位于阶梯的底层；中间是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑；而生命阶梯的顶层将是完整的生命单位。
此外，3D打印技术在医疗应用方面的研究还涉及纳米医学、制药乃至器官打印。通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量，因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。打印制造软组织的实验已在进行当中，很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。
医疗卫生是当今引发持续讨论的话题，但医疗卫生并不都和政策有关。治疗和技术的创新正在改革人们的医疗关怀方式，尽管某些方法要么是难以跟上时代，要么是与改善生活或拯救生命的目标相去甚远。现在，随着辅助制造行业的快速发展（这些越来越受欢迎的技术经常指3D打印机），医疗卫生行业的未来正变得越来越清晰。
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