卫计委3D打印专家廖胜辉：三维数字化医疗与3D打印的深入结合
7月26日晚，火石创造邀请了卫计委3D打印医学应用专委会唯一软件专家廖胜辉教授，为大家分享“三维数字化医疗与3D打印技术”。廖教授在演讲中介绍了3D打印技术在医疗行业中的具体应用情况和医用3D打印设备和打印材料的相关进展，并分享了课题组対三维数字化医疗建模与设计软件研发的情况和相关思考。
在开始前，小编节选了一段录音，分享给大家。
分享环节
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」▎3D打印技术在医疗行业的应用情况
医疗3D打印的主要应用包括手术规划模型、辅助教学模型、手术导板、康复器械、植入修复体、生物3D打印、药物3D打印等。
术前规划
对于难度大、风险高的手术或新开展的手术，术前规划非常重要。
通过3D打印机将三维模型打印出来，既可辅助医生进行精准的手术规划、提升手术的成功率，又方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通。除了原始的组织模型，还可以在手术规划时设计并打印出手术导板，起到精确定位和手术导航的作用。
3D打印植入物
这方面，已经比较接近成熟的还是硬组织（骨科）相关的植入，采用金属3D打印技术进行制造。
3D打印技术植入物具有以下几个优点：
1、个性化定制的假体可以缩短患者的适应阶段，也使手术操作难度减小。
2、可以模仿仿生原理的复杂结构，这是通过传统的制造方法无法制造出来的。
3、能减少传统的制作步骤。如具有多孔结构和粗糙的表面，不需要进一步的喷涂或表面纹理化后期处理。
4、更快的植入物生产速度，更贴合的尺寸加快手术的恢复期。
3D打印弹性薄膜植入物
MHOX 3D打印眼球允许人工眼和wifi连接
3D打印神经引导导管引导神经系统自我修复
除此之外，康复医疗器械同样具有小批量、定制化的需求，并且设计具备复杂性，传统数控机床受到加工角度等因素的限制往往难以实现。
▎医用3D打印设备和打印材料的相关进展
生物3D打印
生物3D打印目前主要的进展还是打印血管、软骨组织、气管、这类比较单一的活体组织。
• 荷兰阿姆斯特丹VU医学中心将提供3D打印鼻、耳软骨服务；
• 瑞士科学家基于生物聚合物的3D打印软骨用于鼻子修复；
• 美国匹兹堡大学在3D打印软骨；
• 澳洲科学家用于培养软骨组织的三维支架；
• 俄国科学家在甲状腺等器官生物3D打印方面取得的进展，利用干细胞作为打印材料；
• 国内外多家研究机构报道开发出一种3D打印血管。合成血管具有多层结构，但目前血管功能还比较有限，并不能完全代替人体原生的血管；
• 美国北岸医疗集团打印出了一个定制的气管支架，该支架能够与活细胞结合生成活的人体气管；
• 西京医院成功完成可生物降解的3D打印人工骨动物实验；
• 生物3D打印公司Organovo和杭州捷诺飞的肝单元、肾脏单元的3D打印；
• 美国WFIRM的科学家3D打印出能跳动的心脏细胞。
3D打印与制药
1、 药物缓释
3D打印可以实现多种材料精确成形和局部微细控制，得到具有复杂内部结构的装置；释药特征与所设想的复杂释药行为一致。通过3D打印成形技术，将粉末材料粘结成形，可以方便地实现医学应用中常需要的具有复杂型腔的多孔结构，对于药物释放有着重要意义。
2、 定制化药物
通过调整打印参数，可以改变药剂中含量、辅料成分和组成，从而改变药物释放速率和释放量，使具体的生产过程灵活而简单，通过CAD（计算机辅助设计）为单个患者设计理想化的治疗方式成为可能。
医用3D打印设备
NanoScribe的技术三维激光直写系统
通过超短的激光脉冲曝光，类似于光固化快速成型技术，这是一种“纳米光学”3D打印法。这种基于选择性固化液体物质的3D打印技术是双光子聚合技术，通过实用“飞秒脉冲激光”选择性逐层固化感光性树脂，打印机分辨率达到0.0001毫米，打印出来的东西比细菌还小。
主要应用领域在于微流道技术、生命科学、细胞生物学等领域。NanoScribe的技术不但可以精确高效地将药物送至到身体的目标区域，而且可以制作极小的手术工具，作为显微外科手术所需的纳米工具。
3D打印材料
• 山特维克Osprey用于增材制造的金属粉末；
• 美国牛津性能材料公司(OPM)研发可承重的聚合物骨科植入物材料；
• 荷兰格罗宁根大学研发口腔高分子抗菌材料；
• 悉尼大学研发具有生物活性的骨科3D打印陶瓷材料；
• 美国西北大学研发的石墨烯3D打印材料。
▎研发的情况和相关思考
总的来说，国内开发三维数字医疗软件的机构不是太多，整体研究水平不是很强，主要进行三维可视化和初步的三维建模开发，进行后续复杂模型设计的研发工作比较少，而进一步利用生物力学分析优化模型设计的研究更少。同时，在将建模、设计(CAD)、分析(CAE)、和制造(CAM) 进行无缝集成的研究方面，尚处于空白。
课题组：3D打印个体化植入假体的软件开发和集成
优化现有医学影像处理和建模软件，集成特征参数化和数字化自由编辑技术，建立高效模型编辑模块；
基于云平台大数据库模型和案例对比分析，建立智能化设计模块；
基于生物力学分析，建立植入器械功能优化模块；
集成上述模块，开发用于个性化植入器械的快速建模、设计和分析的统一平台软件。
（1）提供方便的图像预处理、精细化三维重建、三维可视化分析功能。
（2）提供方便的外科手术规划和个性化植入物、介入器械、手术导板的设计功能，对手术进行模拟操作，如组织切割、移动牵引、虚拟装配、修正复位、组织重建等处理。
（3）对于典型个性化植入器械的设计，进一步提供专科专用的功能模块，将每一类植入器械设计的具体流程和设计要点进行标准化，同时利用大数据库模型和案例对比，进行基于实例学习的智能化设计。
（4）集成方便的生物力学有限元建模功能与分析功能，直接利用生物力学功能分析结果进行反向驱动设计，优化设计目标的结构设计、外形设计、微孔设计、力学功能设计、固定安置设计等。
（5）提供云平台数据管理接口，集成典型的正常组织器官模型、病变模型与诊疗方案、标准植介入器械模型的大数据库，基于大数据分析，提供方便的模型特征分析、特征查询检索、对比分析等功能。同时提供远程协同设计接口，方便不同科室、和医工协同设计，提高建模与设计的效率。
（6）研究新的E-STL接口标准文件和3D打印切片接口，能导出相关几何参数、力学参数、材料参数、功能参数等，与3D打印(CAM)无缝集成。
问答环节
Q&A
」3D打印与传统牙种植，有哪些需要后续科技发展克服的核心劣势？
廖 胜 辉
3D打印缺点：3D打印在种植牙方面的应用，目前来说有许多被质疑的地方。比如：基本的强度和稳定性能否和传统种植牙相比、打印的过程中是否会引入污染物质等。
3D打印可以打印出植入物的的仿生微孔结构，但同时因为这些内部细微结构，后期做清理和杀菌，甚至做活性处理时，肯定比传统的医疗器械要难处理很多。
传统的种植牙进行产品组合，有标准的组件构建已设计好的优势。而3D打印要处理这些很复杂的打印，或者多种植入材料同时打印，需要进一步的技术发展才能解决。
耐高疲劳的材料近期能否打印，比如心脏瓣膜？
廖 胜 辉
耐高疲劳的材料除了金属以外，近期打印有点困难。上面说的例子，它并不是打印心脏膜瓣的材料，只是表面上一层薄膜，上面有传感器。目前，一些软材料在疲劳测试上还没有特别的报道，所以这个方向还比较难实现。
在工艺流程、力学性能、输送性、生物相容性等方面，基于3D技术打印成型的介入器械与常规的接入器械的对比效果怎样？
廖 胜 辉
在工艺流程上面，我个人认为3D打印具有一定的优势，毕竟它比传统的铸造和加工方式方便一些，在力学性能上面能够和传统的铸造甚至是锻造相媲美。生物相容性上没有太多的问题，大家用的都是钛合金和镍洛合金。
目前，传统的接入器械的生产管理已经有很成熟的管理规范，但是3D打印方面还没有成熟的政策管理，我们希望国家政策层面能出台相关政策进行规范。
请问3D打印软件在医疗领域应用是否存在技术瓶颈，与打印材料是否有较大关系？
廖 胜 辉
目前的3D建模软件确实存在一些技术瓶颈。比如说有了医学影像数据，那么建模的边界的精度到底和实际的边界是不是很吻合？这个问题很难解决，因为不同的影像设备有不同的参数，不同的设计软件和人为操作可能会使边界存在1毫米以上的误差。
同时，我们目前的建模和设计软件受到打印设备和打印材料的制约。比如很多的模型和设计，可以进行数字化的建模和设计，却打印不出来。简单的多材料打印都是比较普遍的困扰我们的问题。虽然已经有专业的打印设备，但却非常昂贵。目前还是更多地选择在普通的打印上进行手工的涂色，这是一个实惠的解决方案。
比如植入物，虽然我们可以设计出微孔的结构和复杂的形态，但是经过3D打印后，打印的材料是不是能很好地进行后处理，这是大家所怀疑的问题。同时，能不能把植入物内腔深处的粉末清理干净，进行消毒，也是大家存在疑虑的地方。
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