武漢*打印——醫療*D打印應用

武漢易成三維是國內領(lǐng)先的*D打印、三維掃描儀綜合方案供應商，始終專(zhuān)注于制造、教育、科研、軍工等領(lǐng)域，迄今為止已為約600所著(zhù)名高校、科研院所、約10000個(gè)企業(yè)機構提供專(zhuān)業(yè)的*D打印設備、服務(wù)及平臺化數字智造應用方案。

介紹

在快速增長(cháng)的速度下，醫療行業(yè)繼續認識到增材制造（AM或*D打?。┰诟鞣N醫療應用中的附加值。AM現在用于開(kāi)發(fā)新的外科切割和鉆孔導軌，骨科植入物和假肢，以及創(chuàng )建患者特定的骨骼，器官和血管復制品。

Wohlers在201*年的一項研究顯示，所有*D打印收入的1*%來(lái)自與醫療行業(yè)相關(guān)的公司。從顱骨植入物到美國食品和藥物管理局（FDA）批準的髖關(guān)節，膝蓋和脊柱植入物，20多種不同的植入物均采用各種AM技術(shù)生產(chǎn)。此外，迄今為止，已經(jīng)通過(guò)AM生產(chǎn)了超過(guò)100，000個(gè)髖臼（髖關(guān)節杯）植入物，其中約*0，000個(gè)植入患者體內。

所有這些里程碑繼續加強增材制造現在在醫療行業(yè)中的重要作用，在醫療行業(yè)中，可以制造為每個(gè)人量身定制的定制產(chǎn)品。這提高了醫療專(zhuān)業(yè)人員對患者的理解（ 外科學(xué)習工具），并通過(guò)允許與專(zhuān)門(mén)為其解剖結構設計的產(chǎn)品進(jìn)行交互來(lái)提高患者的舒適度。

本文將討論醫療行業(yè)內的要求，這些要求使增材制造成為許多應用的理想選擇技術(shù)，并介紹用于生產(chǎn)*D醫療模型的最常用數據生成方法。還將討論常見(jiàn)的醫療行業(yè)應用以及AM必須克服的局限性和限制，以進(jìn)一步影響該行業(yè)。最后，將介紹一系列在醫療行業(yè)中使用AM的案例研究。

醫療行業(yè)要求

定制

醫療保健的個(gè)性化性質(zhì)意味著(zhù)增材制造是醫療行業(yè)的理想解決方案。AM不是制造數千個(gè)相同的組件，而是能夠創(chuàng )建針對患者特定解剖結構量身定制的假肢和矯形器，從而提高其有效性。

復雜性

過(guò)去，傳統制造業(yè)可能難以創(chuàng )造復雜的有機形狀，而AM技術(shù)現在能夠打印的設計可能是無(wú)限的。完美遵循骨骼或多孔金屬部件輪廓的薄支架易于制造，為許多以前不可能的應用和設計（包括面部骨骼，橈骨和尺骨）打開(kāi)了大門(mén)。

提前期

無(wú)論是內部還是外包，創(chuàng )建模具的交貨時(shí)間都可能漫長(cháng)而昂貴。AM的標志之一是為設計師和工程師提供工具，以快速創(chuàng )建和迭代設計，使用逼真的原型更有效地進(jìn)行通信，并最終縮短上市時(shí)間。任何醫療設備成功的一個(gè)重要部分是來(lái)自醫生和患者的反饋以及這些設計改進(jìn)可以實(shí)施的速度。在幾個(gè)小時(shí)內，現在可以根據外科醫生的直接反饋來(lái)迭代醫療工具的設計，外科醫生將使用它并打印新的原型進(jìn)行評估?？焖俜答伃h(huán)路可加速設計開(kāi)發(fā)。制造商還可以使用早期的增材制造部件來(lái)支持臨床試驗或早期商業(yè)化，同時(shí)最終設計仍在優(yōu)化中。

成本

除了能夠創(chuàng )建自定義的復雜組件外，增材制造還最適合小批量生產(chǎn)，這意味著(zhù)成本通常會(huì )下降，而效率會(huì )提高。生產(chǎn)的個(gè)性化意味著(zhù)不再需要昂貴的工具或加工工藝。增材制造技術(shù)也僅使用所需的材料生產(chǎn)零件，從而減少浪費并進(jìn)一步降低成本。

多材料打印

一些AM技術(shù)現在也能夠在單個(gè)打印程序中打印來(lái)自不同材料的*D模型。這樣做的好處是，模型現在可以具有不同的部分來(lái)表示骨骼，器官和軟組織，從而使外科醫生和醫生能夠更好地了解使用模型進(jìn)行手術(shù)或教育目的時(shí)患者身體的感受。

滅菌性

由于某些部件在醫療工業(yè)中的應用，滅菌性是一種重要的材料特性。下表列出了AM中使用的一些最常見(jiàn)的可滅菌材料。

數據生成（CT、核磁共振成像、*D 掃描）

直接從掃描數據中生產(chǎn)患者特定零件的能力是一個(gè)明顯的好處，對于大多數傳統制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，這種優(yōu)勢并不具有成本效益。這些定制的部件是通過(guò)將患者自己的掃描（使用計算機斷層掃描（CT），磁共振成像（MRI）和激光掃描等技術(shù)）轉換為*D文件的軟件來(lái)實(shí)現的。這些文件基本上編碼每個(gè)患者特定的解剖或病理特征，然后可以通過(guò)*D打印機制造。

CT - CT使用許多通過(guò)受試者的X射線(xiàn)投影來(lái)計算重建橫截面圖像。CT被認為是骨成像和收集數據的首選成像方法，然后用于生成硬組織結構（如骨骼）的醫學(xué)模型。CT掃描廣泛用于急診室，因為掃描時(shí)間不到*分鐘。因為患者暴露于少量輻射CT掃描有時(shí)可能不合適。

MRI - MRI利用非常強大的磁鐵來(lái)對齊體內原子核，以及導致原子共振的可變磁場(chǎng)，這種現象稱(chēng)為核磁共振。原子核產(chǎn)生自己的旋轉磁場(chǎng)，掃描儀檢測到并用于創(chuàng )建圖像。與CT掃描相比，MRI上正常和異常組織之間的差異通常更清晰。通常，MRI掃描也需要更長(cháng)的時(shí)間才能完成。

激光掃描 - 激光掃描掃描物體的表面并捕獲表示為點(diǎn)集合（點(diǎn)云）的數據，然后用于生成*D表面。這使得非常難以精確測量和*D建模的零件能夠被數字化和精確再現。與CT或MRI掃描不同，激光掃描不顯示被掃描物體的內部特征。此外，激光掃描儀具有各種尺寸，適用于不同的應用，與工業(yè)尺寸的CT和MRI掃描儀相比，具有手持式變體，具有很大的優(yōu)勢。

常見(jiàn)應用

外科學(xué)習工具

雖然醫療行業(yè)*D打印的大部分焦點(diǎn)都集中在患者使用的植入物和醫療設備上，但最大的應用領(lǐng)域之一集中在解剖復制品上。從歷史上看，臨床培訓、教育和設備測試一直依賴(lài)于使用動(dòng)物模型、人類(lèi)尸體和人體模型在臨床模擬中進(jìn)行實(shí)踐經(jīng)驗。這些選項有幾個(gè)缺陷，包括供應有限，處理和存儲費用，模型中缺乏病理學(xué)，與人體解剖學(xué)不一致，以及無(wú)法準確表示活人的組織特征。

醫生現在使用AM從患者掃描數據中生成的模型來(lái)改善疾病的診斷，闡明治療決策，計劃，在某些情況下，甚至在實(shí)際治療之前進(jìn)行選定的手術(shù)干預。這些模型幫助醫生了解難以可視化的患者解剖結構，尤其是在使用微創(chuàng )技術(shù)時(shí)。模型還有助于準確確定醫療器械的尺寸。醫生還可以使用這些模型向患者及其家屬解釋即將進(jìn)行的手術(shù)，并將手術(shù)步驟傳達給臨床團隊。

為了幫助降低成本，一些機構已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些程序，外科醫生在低成本人體模型上練習和計劃手術(shù)，這些人體模型移植了患者特定的AM模型。再加上AM技術(shù)能夠在單個(gè)部件中生產(chǎn)硬質(zhì)和軟質(zhì)材料，從而可以精確復制人體組織，鈣化和骨骼，這意味著(zhù)外科醫生現在可以更好地了解手術(shù)需要如何進(jìn)行，直到患者解剖結構不同部分的觸摸和感覺(jué)。

手術(shù)導板和工具

就像在制造中使用鉆頭來(lái)確保將孔放置在正確的位置一樣，醫生也實(shí)施指南和工具來(lái)協(xié)助手術(shù)。從歷史上看，手術(shù)導板和工具是由鈦或鋁制成的通用設備。通過(guò)實(shí)施AM，醫生能夠創(chuàng )建精確遵循患者獨特解剖結構的指南，準確定位手術(shù)過(guò)程中使用的鉆頭或其他儀器。增材制造導板和工具用于使修復性治療（螺釘、板和植入物）的放置更加精確，從而獲得更好的術(shù)后效果。

整形外科醫生和顱面（顱骨和面部）外科醫生是AM指南和工具的最常規用戶(hù)之一。2014年，制造了2*個(gè)定制的手術(shù)導板和模板，以協(xié)助部分或全膝關(guān)節置換手術(shù)，制造了超過(guò)112個(gè)手術(shù)導板以協(xié)助各種顱面手術(shù)，僅在埃及就將*種不同的鈦合金Ti-6Al-4V顱面植入物植入患者體內。手術(shù)導板來(lái)自患者掃描，以精確匹配其解剖結構，由PC-ISO（一種可滅菌的FDM塑料）制成，與人體組織兼容，可進(jìn)行短期接觸。這允許將它們放置在患者的解剖結構上，以獲得更精確的切割或鉆孔。

解剖學(xué)模型（骨骼模型）和手術(shù)導板也定期通過(guò)AM產(chǎn)生，并協(xié)同使用，以在進(jìn)行手術(shù)之前計劃和測試符合患者骨表面的螺釘或板的最佳位置。

植入 物

AM能夠在手術(shù)植入物表面產(chǎn)生精細的網(wǎng)格或晶格結構，可以促進(jìn)更好的骨整合并降低排斥率。生物相容性材料，如鈦和鈷鉻合金，可用于頜面（頜面和面部）外科和骨科的應用。與傳統產(chǎn)品相比，AM產(chǎn)生的優(yōu)越表面幾何形狀已被證明可以將植入物存活率提高2倍。這些增材制造產(chǎn)品的孔隙率加上高度的定制化和用傳統醫療材料制造它們的能力，使增材制造植入物成為增材制造醫療行業(yè)增長(cháng)最快的細分市場(chǎng)之一。

假肢

僅在美國，每年就進(jìn)行近200，000次截肢手術(shù)，假肢的價(jià)格從*，000美元到*0，000美元不等，更換或改造可能既耗時(shí)又昂貴。由于假肢是這樣的個(gè)人物品，因此每個(gè)假肢都必須是定制的或適合佩戴者的需求。AM技術(shù)現在經(jīng)常用于生產(chǎn)與用戶(hù)解剖結構完美匹配的患者特定假肢組件。從一系列材料中產(chǎn)生復雜幾何形狀的能力導致AM在與患者接觸的部位進(jìn)行調整。AM技術(shù)已被用于生產(chǎn)從舒適地貼合用戶(hù)的假肢連接到癌癥患者復雜且高度定制的面部假體的所有產(chǎn)品。

增材制造也用于制造低成本假肢。增材制造行業(yè)的協(xié)作性質(zhì)意味著(zhù)*D打印假肢的快速互聯(lián)網(wǎng)揭示了大量同行評審的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以以非常低的成本在桌面AM打印機上打印。這些設計可以輕松縮放或更改，以完全匹配用戶(hù)的尺寸。e-NABLE社區由來(lái)自世界各地的一群人組成，他們正在使用他們的*D打印機為那些需要上肢輔助設備的人創(chuàng )建免費的*D打印手和手臂。隨著(zhù)AM繼續進(jìn)入主流，像這樣的概念現在變得越來(lái)越普遍。

通常，傳統的制造技術(shù)和材料用于生產(chǎn)功能性假肢的結構部分。然后，AM通常在界面部分通過(guò)產(chǎn)生與用戶(hù)解剖結構完美契合的復雜輪廓來(lái)實(shí)現，從而提高舒適度和貼合度。增材制造也用于假肢的外表面，以產(chǎn)生栩栩如生的有機外殼，隱藏假肢的機械性質(zhì)。這也允許佩戴者完全定制他們的假肢，以適應他們喜歡的任何設計或風(fēng)格