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            三維打印技術的臨床應用

            2017.08.11

            三維(three-dimentional,3D)打印技術也叫增材制造技術,是一種在計算機上利用斷層掃描圖像模擬立體形態,最終完成重建的新興技術,被視為帶動第三次工業革命的主要技術之一。1983年Chuck Hull發明了世界首臺3D打印機,1986年他在美國加利福尼亞州成立了3D Systems公司,標志著3D打印技術的誕生。經過30多年的發展,3D打印技術已經廣泛應用于汽車制造等工業領域。近年來,其在醫學中的應用也逐步展開。目前,3D打印技術在醫學教育培訓、假體植入等方面已經發揮了重要作用。在未來,3D打印技術甚至可能徹底改變醫療領域,引發現代外科醫學的革新[1]。


            一、3D打印技術在臨床中的應用


            3D打印技術在臨床中主要應用于構建醫學模型、制造外科器械和植入物、研發藥物等[2]。目前,3D打印模型可大致分為三類:(1)非植入性3D打印模具,包括醫療解剖模型、康復輔具等,可用于臨床研究、手術規劃。(2)植入性3D打印模具:①具有良好的物理形態但無生理功能的模具:打印材料主要為鈦合金、生物陶瓷和高分子聚合物等,通過外科手術將模具植入體內,如骨科3D人工定制器官,可植入體內替代被切除的病變組織。②具有良好的物理形態和生理功能的模具:目前大多處于研究階段。(3)生物3D打?。翰捎眉毎?墨水"等打印出具有活性的器官結構,通過在體內或體外培育完成,是最具價值的3D打印技術,目前正在研究初級階段。


            (一)3D打印技術在骨科的應用


            恢復人體缺失的骨骼一直是臨床醫師追求的目標,3D打印技術可以實現這一愿景。手術切除有腫瘤的下頜骨后,可導致頜面部畸形、咬合錯位,通過計算機輔助設計建模和3D打印模具進行下頜骨重建,比傳統重建的匹配更精確,可使下頜骨外觀輪廓更好[3]。采用個體化定制的外科手術器械進行單側膝關節置換術,與傳統手術器械相比,植入位置更精確、膝關節使用時間更長,可減少患者術后的不良體驗。第四軍醫大學西京醫院郭征團隊采用金屬3D打印技術制備出與患者鎖骨和肩胛骨一致的鈦合金假體,并成功植入骨腫瘤患者體內,是世界上首個將3D打印技術應用于肩胛帶不定型骨重建的報告[4]。與傳統手術相比,3D打印的個體化鈦合金假體優勢明顯:(1)3D打印模型大小、形狀等與腫瘤切除后骨缺損情況完全匹配。(2)表面多孔設計使軟組織更加帖服,骨長入率大幅提高。(3)假體制作成本降低,原材料消耗減少。2015年7月,北京大學第三醫院張克、劉忠軍團隊研發的3D打印人工髖關節技術獲國家食品藥品監督管理總局批準,為3D打印技術在骨科的應用翻開了新的篇章。3D打印技術有潛力成為骨科個體化治療的有力工具,滿足不同性別、人種和職業的個體化需要,實現決策與治療技術的優化[5]。 


            (二)3D打印技術在肝膽外科的應用


            目前在肝膽外科,主要是運用3D打印技術制作忠于患者真實情況的肝臟、血管、腫瘤物理模型。3D打印技術可以輔助術者對術中的復雜解剖結構或變異進行空間對比認知;明確解剖間隙,防止重要管道的損傷;預見肝門部三級肝管的離斷位置及斷端數目;實時、有效導航圍肝門解剖和肝管離斷。2015年,上海市第一人民醫院彭志海團隊采用3D打印技術成功地打印出捐獻肝臟者的肝臟仿真模型,順利完成了1例復雜的小體積移植物原位肝移植[6]。董家鴻團隊為10例肝門部膽管癌患者的目標病灶及肝門區脈管結構制作出個體化等比例3D模型,并將3D模型消毒(環氧乙烷)后置入術野,與術中結構進行實時比對,指導肝門部管道系統解剖,結合距離測算數據,實時導航肝管離斷。在3D模型輔助指導下,10例肝門部膽管癌根治術均成功完成,無圍手術期死亡[7]。方馳華等[8]將三維可視化、3D打印及3D腹腔鏡技術聯合應用于22例肝臟腫瘤的外科診治中,通過三維可視化技術可清晰辨認腫瘤位置、肝臟脈管結構,以及其立體空間關系。


            3D打印技術實現了三維圖像向實體三維物理模型的跨越式轉變。進行腹腔鏡肝切除時,將3D打印模型帶入手術室與術中實時手術進行比對,通過調整3D打印模型并置于最佳解剖位置,可為手術關鍵步驟提供直觀的實時導航,有利于關鍵部位的快速識別和定位。3D打印技術使外科醫師跳出了"憑空想象"的窘境,為術前規劃和實際手術的精準實施提供了保障。


            一般認為,3D打印不適合用于解剖結構相對簡單的常規手術,尤其對有經驗的外科醫師。3D模型不能替代或削弱外科技能訓練、術中風險控制意識和能力的培養。但個體化3D模型可輔助術者制定手術規劃和進行術前討論,以預見術中風險,提高肝臟手術的確定性。


            (三)3D打印技術在其他臨床學科的應用


            1.3D打印技術在神經外科開展比較緩慢。2015年加拿大薩斯喀徹溫大學Ivar Mendez將3D打印大腦模型用于術前規劃。此外,還可以利用3D打印技術輔助腦血管硬化診斷、腦動脈瘤的測量,采用3D打印個體化顱骨植入物修復顱骨缺損。


            2.在心胸外科,可以通過3D打印生物可降解夾板并植入體內治療氣管軟化癥,避免主支氣管的塌陷[9]。


            3.在血管外科,3D打印技術可以用于個體化血管模型、血管支架和人工血管的構建。3D打印技術的應用可將影像學圖像轉變為模擬的真實血管條件,從而利于醫師進行評估并進行預手術模擬手術過程;3D快速血管支架制造系統可以自行調節參數選擇支架大小,通過改變支架結構使其具有更好的支撐力。其制作過程僅需幾分鐘,相對于傳統的金屬切割制作工藝更能節省材料。


            4.在口腔頜面外科,可以按照醫師的要求制作出各種復雜的個體化托槽,打印出個體化的隱形義齒、頜面部骨骼等。3D打印為口腔頜面外科帶來的益處主要有:(1)輔助手術設計和實施,完成高性能修復。(2)研制新型頜骨修復體,節約材料,在獲得同樣性能或更高性能的前提下,顯著減輕金屬修復體質量[10]。


            (四)3D生物打印的初步探究


            生物打印是3D打印技術研究中最前沿的領域。如仿生耳的3D打印是將具有功能的電子元件與生物組織細胞通過3D打印交織在一起,并在體外進行培育而形成,具有感知接收無線電波的功能[11]。Lee等[12]利用細胞和生物材料并采用開放電極導管與3D技術結合制作出了一種新型的人工血管,這種血管具有一定的生理功能。2013年4月26日,美國Organovo公司成功打印出一個深度為0.5 mm、寬度為4.0 mm、具備真實肝臟多種功能的微型肝臟。一旦生物器官3D打印獲得實質性突破,將會引起醫學史上的又一次飛躍。


            二、3D打印臨床應用的不足與展望


            目前來說,3D打印技術在各個學科領域的發展參差不齊,面臨的問題主要包括:(1)費用昂貴,包括硬、軟件設備的購置及人員培訓,費用從數千美元至百萬美元。(2)處理耗時,一般打印一個模具需要5 h以上,有些甚至超過24 h,使其無法應用于大量生產,也不適合急診手術,尚不能在臨床大范圍推廣。(3)打印材料的種類和性能受限。(4)生物打印尚處于實驗室研究階段,仍需攻克許多技術難題。雖然在一定時間內,3D打印技術的臨床應用仍然面臨著許多挑戰和難題,但其蘊含著巨大的市場應用前景。一旦取得技術上的突破,將會是人類醫學史上的重大突破,價值是無法估量的。因此,有必要投入更多的資金與技術進行深入研究,解決關鍵技術問題。

            轉載自網絡

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