用於康復科學的3D列印：到時候了嗎？

2020-11-04 康復小能手

想像一下，如果您有能力製造世界上任何物體，您將首先創造什麼？


如今，通過稱為三維（3D）列印或快速原型製作的技術，可以使您的夢想幾乎已成為現實。該技術的應用極為廣泛多樣，例如，公司可以使用它來製造飛機零件或燒傷受害者的假鼻子。3D列印是指從數字圖像生成物理對象。該過程通常涉及3D印表機的材料層沉澱/固化和多材料融合。


3D印表機的類型很多，但最常見的是材料噴射和粉末床融合。由於其多功能性，材料噴射通常用於醫療模型。它可以使用光敏聚合物進行列印，光敏聚合物是在紫外線下會硬化的樹脂。光敏聚合物可以具有多種特性-剛性或柔性，透明或不透明-允許在一個模型中集成多種顏色和材料特性。粉末床熔融印刷使用細粉一次建立模型，用於使用熱塑性塑料或金屬（例如尼龍或鈦合金）進行3D列印醫療設備和植入物。


3D列印在為接受康復治療的患者量身定製的植入物和個性化假體的設計和開發中特別有用。與傳統方法相比，3D列印的主要優勢在於，在列印最終模型之前，可以使用3D渲染軟體虛擬創建多個模型。這一優勢促進了3D列印在定製以患者為中心的精密醫療保健領域中的作用。


在醫學教育和手術計劃中已經證明了3D列印模型（3DPM）在醫學上的優勢和應用。但是，3DPM在康復科學中的好處和用途尚未得到足夠重視。為了探索這項新技術的未來，我們描述了3D列印方法的基本原理，並強調了3DPM在康復中的巨大潛力。


我可以在自己的車庫中列印3D模型嗎？

絕對可以！3D列印過程的第一步包括可視化模型、選擇適當的材料以及確定適當的3D印表機類型。建立醫療級別的準確模型需要來自各個領域的專業人員的協助。在康複方面，可能需要多學科團隊的意見，包括放射科醫生、技術專家、物理學家、生物醫學工程師，和康復專業人員（例如，物理治療師或職業治療師）。


確定期望的目標，包括表徵目標身體組織（例如，心臟組織與肺組織不同）的材料特性。接下來，將需要選擇最佳的3D列印材料-這一決定很大程度上取決於相關的解剖結構。最後，3D印表機是從眾多商用印表機中選擇的。印表機的選擇取決於各種因素，包括財務、預估的使用量以及最終3DPM的所需解析度。


3D列印過程的第二步是捕獲所需模型的準確圖像。對於解剖模型（例如上肢），圖像必須採用稱為數字成像和醫學通信（DICOM）的格式，其中包含諸如體積、密度和厚度之類的信息。在轉換為3D列印文件之前，可以使用計算機斷層掃描（CT）、磁共振（MR）或超聲來捕獲DICOM格式的圖像。由於其高對比度、信噪比和空間解析度，使用最多的圖像來自CT。這些特性共同改善了結構的差異性，並有利於圖像後處理。


3D列印過程的第三步是將要列印的解剖結構與整個圖像集進行數字還原。使用從CT或MR獲得的圖像，醫學影像技術人員會仔細還原解剖結構。


下圖顯示了使用先進的數字可視化軟體還原的氣管和肺部模型的示例。該模型可用於列印整個或部分氣管。通常，根據結構的複雜程度，從圖像構建虛擬模型的過程需要30分鐘到3個小時不等。


我準備好列印模型了嗎？

幾乎是的！3D列印過程的第四步是清洗並準備最終模型以進行列印。必須執行此步驟以確保以所需的解析度和結構完整性列印模型。該過程包括手動關閉文件中的空白，平滑表面並添加支撐結構。模型完成後，文件將轉換為可讀格式。


以下圖片顯示了3D列印假足所需步驟的快照。在這種情況下，使用3D可視化軟體（即Slicer）來操縱解剖模型。

第五步是該過程的最後一步，是3D列印本身，對於較大的模型可能需要一個小時到24小時以上。當對象在列印床上成型時，3D印表機會根據編程的路徑來構建所選材料的層。圖3顯示了完整的肝臟3DPM（如下圖）。


那麼3D列印在康復科學中具有巨大潛力嗎？

絕對！3D列印在康復科學中最令人興奮的用途之一是使用患者自己的醫學圖像以低成本開發個性化假體。例如，假肢需要花費大約六個小時的列印時間，而使用消費級印表機（3）的成本約為100美元。3D列印假肢的價格相當於星巴克咖啡一個月的價格，與世界各地醫療中心目前使用的傳統模型相比，可以更快、更經濟地為患者提供功能上的顯著改善。


可以受益於3DPM的患者包括因糖尿病或壞疽而需要截肢的患者，以及嚴重的肌肉骨骼損傷或燒傷的患者。例如，Lee及其同事（4）表示，可以使用基於八通道液滴的印表機列印實驗室製造的皮膚模型，該印表機將皮膚細胞和結構細胞插入基質中，從而準確表示真皮（即深層）和表皮（即淺表）皮膚層。在這種情況下，迫在眉睫的挑戰是開發用於在列印組織中輸送營養和氧氣以及清除廢物的血管。


——3D列印在康復科學中最令人興奮的用途之一是使用患者自己的醫學圖像以低成本列印個性化假體。——


3D列印的另一個令人興奮的機會是開發用於物理治療的外骨骼（即穿戴在體外的設備）。這些設備已用於臨床和家庭康復治療中，以解決手部損傷，例如中風、癱瘓或神經肌肉損傷導致的痙攣或肌肉無力。3D列印方法可用於設計和構建可以由用戶控制的解剖學上準確的手部假體。為神經肌肉功能不全的患者創建的其他3D外骨骼設備包括假肢的小腿、手臂、腳和手。


為了進行美學重建，可以使用熔融長絲製造法（即加熱的熱塑性長絲在連續層中堆積）或立體光刻法（即通過計算機控制的雷射束硬化的液態聚合物）來印刷面部，鼻子和耳朵的特定部位。兩種技術都可以創建高度詳細的模具，然後將其澆鑄在矽樹脂中以形成自然外觀（5）。


下肢設備最常見的類型之一是踝足矯形器（AFO）。傳統方法需要矯形師建立腳踝和腳的正模，然後將其用於由熱塑性塑料成型踝足矯形器AFO。整個製造過程通常需要八天。相反，AFO的3D列印可以在兩天內完成。Telfer及其同事（6）成功演示了「可調剛度踝足矯形器AFO」，使用戶可以根據自己的需求修改設備。例如，較硬的裝置適合在平坦的表面上行走，而較軟的裝置則適合用於爬樓梯。


使用3D列印的輔助技術的其他發展包括為視力障礙者開發的觸覺圖顯示。Medola及其同事（7）使用3D列印技術開發了一種新型的輪椅手撥圈，並招募了六名參與者來測試新設計。參與者對3D列印的手撥圈感到滿意，證明其在狹窄空間中的輪椅操作更加容易（7）。

但是還有一些限制，對吧？

對。當前，文獻報導了3DPM在康復科學中的多種應用。主要優點是可以精確開發可定製和精確地解剖模型。但是，沒有評估3DPM性能的標準化措施。因此，使用3DPM進行康復研究的廣度和質量仍然受到限制。


3D列印尚未在康復科學中受到關注的一個原因是，成功的3D列印項目需要研究人員和臨床醫生之間的協作，跨學科的研發往往有很多難度（8）。例如，生物力學工程和醫學成像部門的許多研究人員精通3D列印，但可能不熟悉當前的康復研究和臨床實踐。這些領域的專業人員之間的合作可以為患者帶來巨大的利益。

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