医学影像技术的3D打印临床应用及其突破

医学影像技术的3D打印临床应用及其突破

廖庆

彭州市人民医院放射科  四川成都  611930

摘要：医学3D打印属于快速成型技术，同时也是影像技术实体化的延伸，主要基于影像数据实施三维重建，采用聚合物、金属以及光敏树脂等原材料通过逐层堆积的方式进行实体构建。不同成像原理的影像技术结合3D打印能够满足临床进行病情诊治以及预后评估的需求，具有非常重要的现实意义。本文特就医学影响技术的3D打印临床应用情况以及突破进行综述，现分析如下：

关键词：3D打印；医学影像技术；临床应用与突破

3D打印适用于制造结构复杂的零部件，具有成型速度快、材料利用率高、模型精度高和个性化程度高等特点，在骨科以及口腔科中有着较为广泛的应用[1]。现阶段，3D打印技术与现代医学影像技术结合主要基于CT与MRI影像数据三维重建后实施3D打印。当前CT采集的骨性结构数据基本能够满足精准医疗过程且逐渐成为重要的辅助工具。现阶段，随着图像采集技术的不断发展以及应用领域不断拓展，除了CT与MRI外，数字减影血管造影、超声检查等也可用作3D打印原始数据源[2]。核医学科及放疗科等多利用3D打印技进行体模制作，可充分体现3D打印技术程高本低及效率高的优势。

1.3D打印在医学领域中的应用情况分析

3D打印以数字文件作为基础并利用塑料、金属等黏合材料经过逐层堆积

的方式进行实体构建，常规流程主要包括以下方面：通过成像手段获得扫描数据；对图像实施分割并处理；对图像格式进行转换并使之成为STL格式；选择合适的打印机成型。

在医学领域中的应用情况如下：（1）骨科  包括骨盆缺损匹配假体、膝关节系统、3D打印人工椎体、髓内钉及骨钉、肋骨假体、膝部专用夹具、终板匹配颈椎间融合器、脊柱侧弯矫形支具、椎弓根置钉导向器、矫形器及手术导板等。（2）口腔科  包括钛金属多根牙种植体、一体式全颞下颌关节假体、耳郭模具、下颌骨截骨导板、口腔颌面部模型等。（3）心脏外科  包括血管外支架、先天性心脏病胎儿模型、冠状动脉模型、主动脉弓模型以及心脏模型等。（4）泌尿外科 包括生殖道畸形模型、输尿管软镜训练模型及结石肾模型等。（5）肿瘤外科  乳腺缺损填充物、乳腺癌定位器、动脉瘤模型、舌癌口腔支架、下颌骨肿瘤改良导板、肝癌病变模型、骨肿瘤骨导板等；（6）其他科室 胸外科人工气管支架、气管模型、肺结节模型，神经科经皮穿刺导航系统等，肝胆外科肝脏模型及结石肝胆管模型等。

2. 分析3D打印技术常见成像方式优缺点

（1）超声  优点：经济实惠，无创，操作简单方便且可重复，能够对心脏、胆囊及大血管动态脏器情况进行实时观察；缺点：对操作者主观经验依赖较高，不适合骨骼成像或者含气成像，整体分辨率不高。（2）CT   优点：价格低廉，扫描效率及图像分辨率均较高，体素存在各向同性特点，易转换为STL格式，钙化及骨性结构可得到清晰显示，能够进行定量分析；缺点：无法任意方向成像，存在电离辐射，导致应用人群受限，密度分辨率较低，骨性伪影可导致周围软组织结构无法得到清晰显示。（3）MRI  具有较高的软组织分辨率且无电离辐射及骨性伪影，能够多方位、多序列及多参数成像，大血管无需对比剂即可天然对比，缺点：价格较高，对金属以及运动伪影敏感度较高，所需扫描时间较长，肺组织及骨等质子成分少的组织显示相对模糊，定量分析较为复杂。（4）数字减影血管造影  优点：具有较高的血管图像分辨率切尔能够使血流不同时期得到清晰显示，可对狭窄血管进行定位测量；缺点：有创，仅能够显示血管与其分支，骨骼及神经等无法得到清晰显示，存在电离辐射危害，无法对血管中钙化及斑块等情况进行直接识别，对操作者主观经验依赖性较大，不适合骨骼及含气成像，整体分辨率相对不高。

    每种成像方式均具有可行性，同时也存在一定的局限性，实际应用过程中必须根据实际应用领域选择适宜的成像方法，如CT、X射线片适用于骨结构或者口腔组织钙化以及完整性等检出，MRI适用于半月板软组织及韧带显像等，采集多种图像源并通过空间匹配融合的方式能够取得优势互补的效果，有助于复杂3D打印模型的形成。如超声能够较为准确地显示心脏瓣膜，而CT则能够清晰显示心脏腔室结构。接受放疗手术治疗的肿瘤患者，与单纯CT组相比，基于CT-MRI融合图像引导的术后剂量分布与术前相比剂量差异不显著，但是CT-MRI融合组靶区覆盖指数明显更高，表明给予CT-MRI融合图像的3D打印模板应用于放射性粒子植入治疗中定位与剂量分布准确度均更高[3]。不同成像方式相同空间图像匹配融合能够获取更多疾病信息，有助于为临床诊疗提供发参考和指导。

结语：

    当前，3D打印机与打印材料仍处于不断完善过程中，经三维建模后医学图像可向实体模型转化，3D打印软件也广泛融入于影像设备中，从而使得患者的个体化诊疗成为可能。现阶段，3D打印模型多应用于医学教育、术前模拟与规划以及术中导航等领域，存在打印过程繁琐及打印精度不高等缺点，保证患者应用安全性以及提高打印速度、成型精度以及成像质量等问题亟待解决

[4]。3D打印应用于临床仍然存在诸多挑战，因此，必须加大投资及支持力度，使科研成果及时转化为临床应用，使更多患者从中受益。

参考文献：

[1]石磊,栗向东,李小康,等.新型3D打印个体化人工椎体在脊柱重建中的初步研究[J].中华骨科杂志,2020,40(6):335-343.

[2]高水超,田皞,喻建军,等.CT血管造影血管定位联合精细化三维打印指导复杂口腔癌切除与修复的效果[J].中华肿瘤杂志,2019,41(7):496-500.

[3]Bu S,Wang H,Wang C,et al.Dosimetry verification of 3D-printed inpidual template based on CT-MRI fusion for radioactive I-125 seed implantation in recurrent high-grade gliomas[J].J Contemp Brachytherapy,2019,11(3):235-242.

[4]齐鑫,杨智,李冬果.基于超分辨率重构技术的医学超声波图像增强方法研究[J].生物医学工程研究,2019,38(1):59-62.