3D打印模型、導板、植入物再到生物組織,關于3D打印應用于醫(yī)療上的諸多美好遐想早就被網(wǎng)上喋喋不休的文字修飾得越發(fā)高大而不可捉摸,如何讓這項技術落地,使患者真切地從中受益?中南大學湘雅醫(yī)院鐘達副教授專注于將3D打印應用于自身的專業(yè)領域——成人DDH(先天性髖關節(jié)發(fā)育不良)髖關節(jié)置換手術中。經(jīng)過不斷地深入鉆研,在過去一年多時間里,借助湖南華曙高科技術有限責任公司(以下簡稱“華曙高科”)3D打印解決方案,將3D打印髖關節(jié)術前模型與3D打印髖關節(jié)截骨導板相結(jié)合,成功實施40多例此類手術,讓原本高度依賴醫(yī)生臨床經(jīng)驗的髖關節(jié)置換術的手術成功率達到了100%,手術精確度更是大大提高,在業(yè)內(nèi)獨樹一幟。
“3D打印在醫(yī)療上的應用是一片廣闊的藍海,里面即使容納十個院士級別的教授也難以窮盡其中的奧妙”,隨著臨床案例的增多,鐘達也愈發(fā)深切地感受到3D打印的魅力所在。
打破老觀念 擁抱新技術
3D打印應工業(yè)之需而誕生,近幾年卻不意在醫(yī)療界變得炙手可熱,頗有點“他山之石可以攻玉”的意思。
作為在骨科圈內(nèi)小有名氣的專家,2015年年中,鐘達副教授初次接觸到3D打印概念時并不看好這項技術,“戴尅戎院士每年年會都會講到3D打印,但都是用于高端復雜的手術,我當時覺得把它常規(guī)化應用還需要很久”,鐘達回憶道,而打印一個簡單的術前參考模型,對于基本功扎實的骨科醫(yī)生來說似乎更加顯得多余。老一輩的專家對于技術有著自己的固執(zhí),他們積累了深厚的功底,通過X光片的明暗表現(xiàn)和CT掃描的斷層就能推斷出很多細節(jié),甚至CT掃描合成的三維圖像他們也認為只是給患者家屬和不懂行的人看的,更遑論需要依賴3D打印出的模型來做手術了。
“后來我慢慢發(fā)現(xiàn),不能說他們的觀念錯了,實際上不是這么回事”,2015年底一個相對失敗的手術讓鐘達開始重新反思:首先,即使自己做了那么多手術,臨床經(jīng)驗足夠豐富,也無法避免失誤;其次,僅僅依靠老一輩的經(jīng)驗方式來培養(yǎng)醫(yī)生,要達到他們的水平需要非常長的時間,如果有了這種三維數(shù)字影像的幫助,培訓時間則可以大大縮短;更重要的是,如果有一個工具能將手術門檻降低,讓廣大的基層醫(yī)生也能開展高難度的手術,不需要把病人都集中到大醫(yī)院來,就可以更好地造福群眾。由此,鐘達對3D打印的看法有了改觀,并開始在骨科胡懿郃主任的支持下進行應用化研究。
而為何鐘情于3D打印導板,鐘達開玩笑說自己是撿了“漏”。他分析道,以戴尅戎院士為代表的前輩們在3D打印植入物材料方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗,現(xiàn)在要起步和他們競爭非常困難,而如果只是簡單地打印一個模型,即使模型做得再精美,在實際手術中也無法使自己更勝一籌。但導板卻是一個別人沒有深入研究的“空檔”,它對技術和材料的要求沒那么高,而且又能依托湘雅醫(yī)院現(xiàn)有的合作伙伴——華曙高科與湖南華翔增量制造股份有限公司(以下簡稱“湖南華翔”)提供技術支持。“即便是戴院士做好了3D打印植入物,要將其安裝到準確的位置,也需要導板和導向的輔助,”鐘達表示。
在參考了國外的經(jīng)驗后,鐘達帶領湘雅骨科團隊開發(fā)出了自己的系統(tǒng),并于2016年3月完成第一例在3D打印導板輔助下的髖關節(jié)置換手術。如今,經(jīng)過幾代的改進,成功的手術案例已達40多個。湘雅骨科團隊圍繞該技術申請了國家發(fā)明專利一項,獲得相關國家實用新型專利授權(quán)一項,憑借對該技術高超的專業(yè)水準和經(jīng)驗積累,鐘達副教授還榮獲2016“金手獎”骨科手術病例邀請賽全國總決賽第一名。
將3D打印導板用于髖關節(jié)置換手術并非鐘達首創(chuàng),為何唯獨湘雅骨科團隊會在國內(nèi)產(chǎn)生這么大的影響?
鐘達表示,在安徽和新疆也有一些老師做髖關節(jié)導向器,但是后來都放棄了,究其原因,他分析:首先,髖關節(jié)的容錯度是比較高的,位置差一點點似乎并不是很要緊,他們認為3D打印的指向器的意義并不大;其次,是因為沒有找很一個很好的方法來指向,髖關節(jié)內(nèi)的結(jié)構(gòu)非常復雜,存在很多軟骨組織,這些軟骨組織在CT上無法顯影,因此如何盡可能避開這些組織獲取準確的數(shù)據(jù),找到精準的定位和定向是比較困難的。
“我看他們的導板設計都是以髖臼窩為基礎來獲取數(shù)據(jù),但髖臼窩中有很多軟骨,這樣會對數(shù)據(jù)的準確性產(chǎn)生影響,而我們則是以髖臼外上緣的骨質(zhì)為基點,這些骨質(zhì)非常干凈清晰,可以作為很好的數(shù)據(jù)來源,從而實現(xiàn)精準的定位和定向,而為此增加的額外創(chuàng)傷并不大,臨床上完全可以接受?!辩娺_解釋。
怎樣尋找到髖臼上緣更好的角度,哪個點、哪個面更適合作為數(shù)據(jù)來源,鐘達對此做了大量的研究工作,這就是該團隊能取得如此成功的關鍵原因。中國工程院戴尅戎院士也曾在媒體采訪時高度評價湖南3D打印醫(yī)療應用成果:“各個省都在做3D(打?。献龅帽容^優(yōu)秀?!?/span>
另外,由于新技術能極大的縮短手術醫(yī)生的培養(yǎng)時間,成為年輕醫(yī)生的成長捷徑。因而開明的科室領導、前輩專家的支持至關重要??梢哉f“沒有骨科主任胡懿郃教授的支持和指導,就沒有新技術的成功!”鐘達副教授深情談到。
常規(guī)手術精確化,特殊手術常規(guī)化
“常規(guī)的手術用常規(guī)的器械就可以滿足,但3D打印最終要為特殊化的手術服務”。
發(fā)育性髖關節(jié)發(fā)育不良(DDH)從全國范圍來講每年的的病例大概有上萬個,在湘雅醫(yī)院這種國內(nèi)頂級醫(yī)院每年的手術大概幾十例,這種數(shù)量并不是太多,而且用傳統(tǒng)方法也能滿足需求的手術病例是否真的需要用到3D打???
對此,鐘達認為,“常規(guī)化手術和特殊化手術不是一成不變的,當你對手術精度要求很高的時候,常規(guī)手術也可以變成特殊手術,如果能用簡便的工具精確定位,特殊手術也可以常規(guī)化。”
在髖關節(jié)置換術中,3D打印導板可以幫助醫(yī)生在手術中可以快速確定髖臼的定位、磨銼的大小、深度、角度以及髖臼螺釘入釘位置、角度、長度等,使得植入假體精確度僅相差一兩毫米,減少了手術損傷、縮短了手術時間、提高了復雜人工髖關節(jié)置換術的成功率。不僅如此,3D打印對醫(yī)生來說也是一個有益的工具,它避免了醫(yī)生長時間地暴露在X光放射源下,保護了醫(yī)生的身體健康。
隨著社會的不斷進步,患者對手術的要求將越來越高,越來越多所謂常規(guī)的手術會進入特殊范疇,因此3D打印技術的應用會越來越廣。
“以前我覺得做模型沒啥意思,導板也只是一個小縫隙,但隨著我的應用越來越多,發(fā)現(xiàn)3D打印其實是個藍海。像戴院士在這個領域耕耘了很多年,也還沒有窮盡其中的奧妙,它涉及到材料、導向、各種臨床應用等,可研發(fā)的內(nèi)容太多了,”鐘達感嘆。
但目前醫(yī)療3D打印也存在著綜合性人才缺口問題,鐘達總結(jié)了目前醫(yī)療3D打印的四大關鍵人才:提供想法和靈感的臨床醫(yī)生;3D打印構(gòu)圖設計師;力學方面的工程師;臨床方面的影像專業(yè)人才。3D打印作為一個綜合性的學科,最終的打印出來東西是否能用,由很多方面的因素決定。
“華曙高科的3D打印技術很高大上,就像他們有一把倚天劍屠龍刀,但這個劍要落到什么地方,可能需要醫(yī)生的引導”。目前,湘雅骨科團隊和湖南華翔的工作模式是以醫(yī)生為核心,醫(yī)生提出想法,再由湖南華翔的工程師制圖,采用華曙高科3D打印解決方案將其制成,再回到臨床上通過醫(yī)生的檢驗,這樣經(jīng)過反復地制圖檢驗,最終達到和諧的地步。
“中間還有很多困難,這些工程師雖然圖制很漂亮,但是他們不懂力學,設計出來的東西經(jīng)不經(jīng)得起力學的考驗還是個很大的問題,”鐘達提到,“另外,來源于醫(yī)院的CT數(shù)據(jù)要怎樣更好地處理,有的CT值信號高,有的信號低,怎么才能精確還原?目前這些都是由做3D打印的工程師進行初步處理,但其制作出來的結(jié)果滿意度往往不夠?!?/span>
鐘達又舉例道,如果有一天能把CT和核磁共振結(jié)合,同時顯示出骨組織和軟組織,就能更好地鑒別軟硬組織,使影像的準確性更高,但這需要一個專業(yè)的影像學專家來做,目前國內(nèi)這些人才都很欠缺。
與其他技術相結(jié)合,3D打印藍海更藍
目前對3D打印持有兩種極端的態(tài)度傾向,一種認為3D打印完全沒用,拒絕它,而另一種則認為只有3D打印技術好,其他技術都不行。而從鐘達身為一個醫(yī)生的立場來看,只要有用的技術都是好的,3D打印能很快速地制作出異形導板,這是其他技術無法比擬的優(yōu)勢,但3D打印也絕不能取代以前的技術,“3D打印一定要和新、老技術結(jié)合才能發(fā)揮更大的效益”,而這也是湘雅大學骨科團隊在努力的方向。
即使3D打印導板可以讓醫(yī)生在髖關節(jié)置換術中如虎添翼,但鐘達也很清楚它還存在一些問題。比方說,這個導板做為一個工具,但手術中占用了一定的空間,如今,經(jīng)過幾代的設計改進,湘雅醫(yī)院骨科團隊已經(jīng)想辦法將其小型化,安裝到手術中不太利用到的位置上,從而達到節(jié)省空間的目的。
沿著這樣的思路,鐘達又提出了新的想法,他希望將3D打印技術和激光制導相結(jié)合。“用激光來指向和定位,這樣就不再需要考慮工具大小的問題了?!?/span>
另外,隨著近年來AR(增強現(xiàn)實)技術的快速發(fā)展,鐘達認為3D打印+AR可以在醫(yī)生的臨床手術中發(fā)揮巨大的作用。
AR技術讓醫(yī)生通過一副眼鏡看到真實手術場景,同時又會在醫(yī)生的視網(wǎng)膜上投射出一個虛擬病灶部位,將骨組織里面的神經(jīng)和血管一清二楚地呈現(xiàn)在醫(yī)生眼前,以此溝通虛擬和現(xiàn)實達到幫助手術的目的。今年威海市中心醫(yī)院通過AR技術順利完成了一例骶骨尾部巨大梭形細胞瘤切除及椎體置換手術,將AR技術應用于骨科在全國來說尚屬首例。
然而,鐘達告訴我們這項技術還存在很多局限,其中數(shù)據(jù)匹配是一個難題。使用AR技術,醫(yī)生首先需要將患者病灶部位的外觀進行掃描獲取數(shù)據(jù),在手術中,眼鏡中事先輸入的數(shù)據(jù)將自動和病灶部位相匹配,從而在醫(yī)生的眼前呈現(xiàn)出虛擬的場景。但實際上,病人的骨頭是沒有辦法剝個精光來供醫(yī)生進行掃描的,因此,3D打印就可以發(fā)揮其作用了。通過3D打印定準骨頭的幾個點,然后對3D打印的部件進行掃描就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準匹配,“未來我們可能會考慮這方面的研究,”鐘達表示。
3D打印是一片很深很大的藍海,而要在這個藍海中找到自己的一片天地,并且能真正地施惠于民,鐘達給出的建議是,找到一個最具有特色且最具發(fā)展方向的一個點深入研究,“我們不是要比做出了多少東西,而是要做出比別人更優(yōu)勝的東西來”。
迄今為止,華曙高科與湖南華翔已將3D打印拓展到全國20多家三甲醫(yī)院,實現(xiàn)了16個臨床科室業(yè)務覆蓋,積累了1500多例3D打印臨床應用案例,涉及到的學科有骨科、肝膽、泌尿、腫瘤、血外、神外、口腔、整形、康復等16個科室應用,其學科應用的廣度、深度及案例數(shù)居全國第一,且無一例病患糾紛,被專家稱為"看得見的精準治療"。
正是以此為前提,湘雅醫(yī)院骨科鐘達副教授的團隊從一個小小的3D打印髖關節(jié)導板出發(fā),真正將3D打印從云端拉到醫(yī)生手術臺前,讓這項高大上的技術變得可親可愛,平易近人,體現(xiàn)出對民眾的人文關懷。
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