唐都医院曹铁生:3D打印在外科手术中的应用

3D打印人物
2019
10/09
10:51
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2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体,到西安现场全程报道。
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2019年9月19 日,大会开幕的第一天,来自国内外的11位院士、专家做了专题报告,空军军医大学唐都医院3D打印研究室主任曹铁生做了主题是《3D打印在外科手术中的应用与展望》的报告。

下午好,我今天主要为大家汇报3D打印在临床医学研究方面的应用。

我毕业于空军军医大学(原第四军医大学),毕业之后主要从事心脏病临床工作。我们为什么搞3D打印?当时我主要研究的课题是“无创伤心内压测定”,实验需要用到大量的硅胶膜,这个硅胶膜当时在市场上买不到,我们只有自己制作模具,利用模具做硅胶膜。而模具的制作需要有3D打印机,因此我们决定自己动手制作3D打印机。最终,我们利用自主研发制作的3D打印机打印出了模具,制作出了理想的硅胶膜,完成了研究课题。

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2015年5月,唐都医院胸外科接诊了一个患胸骨肿瘤的病人,胸骨肿瘤切除之后以后没有替代物替换已经拿掉的胸骨。患者提出利用3D打印工艺为其打印一个胸骨替代物。当时查阅文献没有找到相关案例,这就成了第一例,我们琢磨能不能承担起这个责任。经讨论分析,我们决定使用作为植入物材料应用已十分成熟的钛合金材料。后经过唐都医院医院伦理委员会讨论,决定实施这个方案。我们与西北工业大学铂力特合作,利用患者的CT数据,为其量身定制了3D打印钛合金胸骨植入物,这是我们的第一例临床应用案例,也是世界首例。这也见证了我们空军军医大学3D打印研究中心与西工大黄教授领导的团队,还有铂力特公司,我们的第一次合作,在这之后我们在好多领域合作做了很多工作,也将长期合作下去。

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我们做的第二例手术是3D打印钛合金胸肋骨。由于患者的肿瘤长到了胸骨和肋骨上,所以必须大面积切除胸肋骨,一次性换了5根肋骨。 做了这些手术以后我们很快就把文章发表了,因为是世界首例,所以美国权威的胸科杂志不仅权威发表了我们的论文,还专门撰写了评论文章。在评价第四军医大学现唐都医院3D打印钛合金肋骨植入手术他是这么说的,“这是医学的一小步,但是是人类的一大步。“
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漏斗胸是先天性的畸形,传统的手术过程复杂且耗时长。有了3D打印技术以后,根据病人胸廓的CT数据,打印真实胸廓模型,利用模型制作矫形钢板,精准又省时。对于正在生长发育期的儿童,我们制作可伸缩的矫形钢板,避免了二次手术,减少了病人的痛苦。
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钛合金胸肋骨因其材料是金属,在患者术后的日常生活中会带来一些麻烦,比如在通过安检的时候系统会报警,在做核磁共振和CT的时候有阴影遮挡。因此,我们考虑是否可以用复合材料替代金属材料。我们与西安交通大学合作做了一些研究,决定使用聚醚醚酮(PEEK)材料。 PEEK材料无毒,具有生物亲和性,且也是一种较为成熟的植入物材料,满足临床需要。
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接下来,我们对胸肋骨的置换进行了优化。胸骨与肋骨的连接有一部分是软肋骨,它对于胸肋骨的弹性有着重要意义。前面两代肋骨材料无法满足患者胸式呼吸的需求,因此我们思考如何能够让其有一定弹性。我们想了一个办法,把肋软骨部分打成扁弹簧的结构,和肋骨形状一样,植入在人身上以后,特殊的弹簧结构能够仿生微动关节结构,满足患者的日常生活需求。这是我们的又一大创新。

3D打印技术在临床中的另一大应用是解决胡桃夹综合征。胡桃夹综合征,是一种伴有左肾静脉血流速度下降、受压远端静脉扩张,并引起血尿、蛋白尿和左腰痛等一系列症状的较为罕见的临床症候群。通常情况下,左肾静脉受压迫有两种情况:一种是左肾静脉回流入下腔静脉过程中在穿经由腹主动脉和肠系膜上动脉形成的夹角时受到压迫(前胡桃夹综合征);另一种是其在穿经腹主动脉与脊柱之间的间隙内时受到挤压(后胡桃夹综合征),十分罕见。

传统的手术治疗方式,如左肾静脉下移-下腔静脉端侧吻合术、自体肾移植和肠系膜上动脉切断再植术等,创伤大、手术过程复杂,且患者术后恢复缓慢。而介入治疗,如左肾静脉扩张、血管内支架植入术等,容易出现术后支架移位导致并发症,且患者需长期服用抗凝药物。

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有了3D打印技术,我们想到可以3D打印一个“小笼子”,也就是血管外支架,把左肾静脉保护起来,把动脉撑开,这样就把病人问题解决了,而且是微创的,不用切开腹腔,利用腹腔镜实施手术就可以。一开始我们3D打印了钛合金血管外支架;后来,我们尝试用使用更轻便且无影像伪影的PEEK材料,都取得了成功。

由于个体差异性,每个人的血管的形态都不同,因此,要想实现血管外支架的个性化定制,3D打印技术就显得尤为关键。
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3D打印血管外支架治疗胡桃夹综合征的文章很快发表以后,美国和欧洲一些国家的教授主动跟我们联系,向我们取经,有一些患者主动要求来我们这里治疗。

我们还做了3D打印可降解材料,相当于4D打印,包括气管支架,用来解决气管狭窄的问题。另外一个典型的案例是3D打印可降解的阴道支架,这也是世界首例。对于患有先天性的阴道闭锁的孩子,我们使用可降解的材料,利用3D打印工艺,为其量身定做阴道支架。随着时间的推移,支架被降解吸收代谢。

在3D打印技术成功应用的胸外科和泌尿外科之后,我们开始寻找其它的应用点,比如颅底骨修补,是否也可以通过3D打印技术实现,事实证明是可以的。再比如,我们与神经外科合作,实现了世界首例保留神经功能的3D打印腰骶联合置换术,手术非常成功,术后患者康复的很好。

之前我们所做的工作都是基于CT或者MRI数据进行建模的,我们知道,超声检查也具有其独特的优势,因此我们考虑能不能用超声数据建立3D打印模型。我们决定从胎儿心脏这个方面入手,进行探索。

一开始,我们利用多普勒血流动态容积图像,直接输出STL格式打印。但是我们发现这样打印出来的模型可观性不强,于是,我们利用STIC模式采集的容积图像,在Mimics软件中重新进行三维建模,再进行3D打印。下面两幅分别是正常胎儿心脏和法洛四联症胎儿心脏的模型,可以看到四腔、动脉弓、导管等结构非常完整。
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我们的3D打印团队在校院领导,空军军医大学和唐都医院支持下,从无到有,自2016年1月26日经校党委批准成立空军军医大学3D打印中心以来,先后与西北工业大学,西安交通大学国家增材制造研究院和铂力特成型有限公司,西北有色金属研究院,上海九院,比利时的Materialise软件公司,美国Stratasys公司等合作,做了一些创新性的工作,包括钛合金胸骨置换21例,钛合金肋骨置换10例,治疗胡桃夹的血管外支架置百余例,另外实验仪器、手术器械以及手术导板、医学模型等打印一共500多例。我们建立的这个平台是把各个学科、各个模块组织起来,这是新的模块,新的组装,这是非常有用的,四医大的党委能够把这个平台建立起来,对于3D打印在医学上的应用有重要的意义。

时间关系特别抱歉没有准备英文版本讲解资料,如果大家需要了解更多的内容,会后我们再进行沟通,我的演讲到此为止,谢谢大家。



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