3D打印技术:一种认识先天性心脏病的新方法

目的:运用3D打印技术建立具有精准解剖结构的先天性心脏病三维模型。探讨3D打印的心脏模型对于临床诊断和手术计划制定的意义。材料与方法:一例4个月的儿童经超声心动图诊断患有复杂先天性心脏病,行64排前门控增强CT扫描后获得图像资料;通过MIMICS 17.0软件将CT DICOM数据导入并对感兴趣区域(ROI)做图像后重建处理;使用区域生长的方法根据CT值的不同来分割图像之后生成标准镶嵌语言(Standard Tessellation Language,STL)文件数据;将数据导入OBJET 260 3D打印机后即完成建模过程。结果:3D模型不但能清晰地显示上述解剖畸形,且能更好地展示室间隔缺损位置、室间隔缺损与房室瓣及两大血管的关系、两大血管的空间结构关系及主动脉缩窄的立体展现。结论:3D打印技术应用于先天性心脏病,不但能清晰显示解剖畸形,还能更好地显示心内畸形和心外大血管的空间关系,将更有效地辅助诊断并应用于术前手术方案的制定,为先天性心脏病患者带来精准化的治疗。     

三维打印技术在狭颅症矫治手术中的应用

目的:运用三维(3D)打印技术建立具有精准解剖结构的狭颅症头颅3D模型和模拟术后头颅3D模型,探讨3D打印的3D头颅模型对临床诊断和手术计划制定的意义。方法:1例8个月患有严重狭颅症的儿童,行CT扫描后获得影像资料;使用mimics 18.0软件导入CT DICOM数据并对感兴趣区域做图像重建后处理,得到三维头颅重建模型;再运用3-Matic10.0软件对狭颅症头颅模型进行手术模拟操作,得到模拟术后的3D头颅重建模型;将患者3D头颅重建模型和模拟术后的3D头颅重建模型保存成STL格式;最后把数据导入OBJET 260 3D打印机后即完成建模过程。结果:依据3D打印模型模拟手术操作并设计手术方案,手术顺利实施,患儿在术后恢复了完美的头型。结论:3D打印技术能有效地进行辅助诊断并应用于狭颅症矫治术前手术方案的制定,为狭颅症患者带来个性化、精准化的治疗。     

应用三维打印技术构建心脏瓣膜病术前主动脉根部模型的可行性研究

目的探讨应用三维(three dimensional,3D)打印技术构建心脏瓣膜病术前主动脉根部模型的可行性。方法前瞻性入选术前接受CT检查且拟行主动脉瓣置换术的患者8例,其中6例的主动脉疾病手术指征为主动脉瓣重度狭窄(2例合并主动脉瓣二叶式畸形),1例为人工生物瓣置入术后瓣膜失功能,1例为主动脉根部瘤合并主动脉瓣反流。CT扫描均使用前瞻性心电门控采集,将患者收缩期CT图像导入Mimics、3-matic、Magics、Freeform等医学三维图像建模及编辑软件,逐一进行疾病三维模型的构建,并打印出实物模型。结果 8例患者的主动脉疾病模型均成功构建,模型质量满意,有3例模型得到了手术验证。患者中位年龄为74岁(52～82岁),三维建模的中位耗时为4.5 h(3.0～5.5 h),3D打印的中位耗时为5 h(5～9 h),中位材料成本为3050元(2600～9700元)。结论应用3D打印技术构建心脏瓣膜病术前主动脉根部模型是可行的。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

基于CT数据的3D打印技术在儿童发育性髋关节脱位手术中的应用

目的探讨基于髋关节CT影像数据的3D打印技术在儿童发育性髋关节脱位(DDH)手术中的应用价值。方法选取行手术治疗的DDH患儿62例,根据制定的手术方案分为3D打印组(30例)和常规手术组(32例)。3D打印组术前根据患儿髋关节CT扫描数据进行3D模型打印,并制定手术方案、模拟手术操作,根据3D模型行Pemberton髋臼截骨联合股骨截骨术;常规手术组根据术前三维CT图像制定的手术方案进行Pemberton髋臼截骨联合股骨截骨术。记录并比较2组患者手术时间、髋臼指数矫正、沈通氏线是否连续、术中出血量等。结果 2组手术时间、术中出血量比较,差异均有统计学意义(P 0.05)。2组髋关节髋臼指数矫正、术后沈通氏线连续比较,差异无统计学意义(P 0.05)。结论基于髋关节CT影像数据的3D打印技术辅助行DDH手术能显著缩短手术时间,减少术中出血量,提高手术成功率,改善预后,为患儿提供了更精准、个体化的诊疗方案。     

3D打印技术在胫骨平台后柱骨折诊治中的应用优势与展望

文题释义： 3D打印技术：3D打印技术作为一项新兴技术,目前已经广泛应用于骨科临床。主要以三维CT数据建模,利用计算机辅助设计,以离散•堆积/黏合成型技术为原理,打印出1∶1的解剖结构实物模型。 个性化治疗：以目前医疗技术发展状况为背景,运用3D打印技术打印实物模型进行诊断和术前规划,为患者量身设计个性化治疗方案,以达到临床治疗效果的一门新型定制医疗技术。 背景：3D打印技术的临床应用为胫骨平台后柱骨折手术微创化、个性化治疗,提供了有效的辅助手段。 目的：归纳胫骨平台后柱骨折的诊治现状,展望3D打印技术在胫骨平台后柱骨折诊疗上的应用前景。 方法：通过计算机检索CNKI、万方、PubMed数据库,检索词为“胫骨平台骨折、后柱、3D打印技术、tibial plateau fracture、posterior column、3D printing technology”。共检索出约210篇相关文献,根据纳入和排除标准,最终纳入56篇文献进行汇总、归纳。具体包括胫骨平台后柱骨折的分型、手术治疗、3D打印技术应用现状和术后康复等相关内容。 结果与结论：胫骨平台后柱骨折是一种特殊类型的平台骨折,传统诊断方法易漏诊,而依据3D打印的实物模型则能做出直观的诊断、分析受伤机制及分型。在胫骨平台后柱骨折的治疗中,传统的手术入路选择很多,有后侧入路(后内侧入路、后外侧入路)、后内侧倒“L”入路、前内/外侧入路、前外侧后内侧联合入路、关节镜微创治疗以及其他的临床入路,但目前各手术入路在临床上的应用尚未规范统一。3D打印技术的应用进一步完善了胫骨平台后柱骨折的诊断分型,为术前指导个性化手术方案、手术入路选择及对骨折部位植骨量的预估、术后康复提供参考。 ORCID: 0000-0003-4126-8532(高迪) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

数字化设计结合3D打印技术精准治疗复杂肩胛骨骨折的应用研究

目的 探讨应用数字化设计结合3D打印骨骼模型的个体化、精确化的手术治疗方案应用于复杂肩胛骨骨折患者的临床疗效.方法 对东莞市石排医院骨科2018年6月至2020年6月40例复杂肩胛骨骨折患者进行随机分组.其中,试验组20例,肩关节螺旋CT扫描,将所得DICOM格式数据导入Mimics 15.0软件重建复杂肩胛骨骨折三维...     

3D生物打印技术在心脏组织工程中的研究进展

心脏组织工程（CTE）是一种具有发展前景的心脏修复技术，为心脏组织的研究提供了平台，其主要应用于修复受损或无效的血管、心脏瓣膜和心肌。三维（3D）生物打印技术已经越来越多地用于医学的不同领域，包括心血管疾病（CVD）。文章就CTE的3D生物打印技术的最新进展作一综述，针对特定CVD患者的3D打印模型，重点介绍了3D打印模型在先天性心脏病、冠状动脉疾病及主动脉瓣疾病等CAD中的应用，以及生物打印过程中常用于生物墨水的海藻酸盐、明胶、纤维蛋白和胶原蛋白等生物材料，并分析了3D生物打印技术在CTE领域的应用前景及未来要面临的挑战。3D生物打印技术因能够将多个细胞整合到具有复杂3D结构的打印支架中而备受关注，为多种CAD患者提供更多治疗方案，增强了临床医生对复杂疾病的理解和对复杂手术的信心。随着3D打印技术的发展和打印材料的改进，3D打印技术将在CTE中应用会越来越广泛。     

Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立

目的构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型,为临床应用提供生物力学基础。方法 8例志愿者采用连续螺旋CT扫描,将获得的断层Dicom格式图像,导入Materialise Mimics10.01软件,定义骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、三维重建L4、5椎体及椎间盘三维模型,将重建的模型以.stl格式保存,导入Materialise3-Matic4.3软件,进行三角面片优化;在AutoCAD 2009软件中建立Wallis系统模型,以.stl格式保存,导入Materialise 3-Matic4.3软件,进行三角面片优化,将重建的Wallis模型按标准手术模式与腰椎模型拟合,导入Ansys10.0软件进行赋值和网格划分,生成有限元模型。结果重建的三维模型可以精确的模拟Wallis非融合系统固定情况。结论应用CT扫描技术,图像Dicom标准,Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立更加快捷、精确。     

股骨颈骨折空心钉内固定数字化模板的建立

背景：按照骨折治疗的AO原则,目前治疗股骨颈骨折的趋势是尽早切开关节囊,清除血肿,解剖复位,加强内固定,不必缝合关节囊,可降低股骨头缺血性坏死的发生率。股骨颈骨折空心钉的安放位置是维持稳定构型的关键,但置钉准确性受个体差异,置钉定位影像设备二维性及术者经验等主观因素影响较大,临床上急需一种实用性强花费较小且易于推广使用的辅助置钉方法。 目的：构建骨颈骨折中空加压螺钉立体模型,通过3D生物打印技术精确建立导航模板并验证。 方法：18例志愿者知情同意后,连续螺旋CT进行双侧股骨上端加密扫描。将Dicom数据导入Amira3.1(TGS)软件,三维重建骨折模型,导入Image- ware12.1软件,数字化设计最佳穿刺通道,三维重建股骨颈螺钉三维立体模型。提取解剖学形态,建立反向模板,3D生物打印实物模板,进行手术模拟验证。 结果与结论：成功地建立了股骨颈三维模型及空心钉内固定模型,设计出了数字通道及螺钉最佳穿刺途径,制作出导航模板。模拟手术中置钉位置全部在最佳钉位。生成的三维模型与导航模板体外贴附良好,成功穿刺后断层证明穿刺通道位置较准确。提示成功构建了数字仿真股骨颈骨折内固定三维模型,逆向工程及3D生物打印导航模板技术能够提高手术操作精确性,为临床提供理论依据和技术支持。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

Personalized development of human organs using 3D printing technology

3D printing is a technique of fabricating physical models from a 3D volumetric digital image. The image is sliced and printed using a specific material into thin layers, and successive layering of the material produces a 3D model. It has already been used for printing surgical models for preoperative planning and in constructing personalized prostheses for patients. The ultimate goal is to achieve the development of functional human organs and tissues, to overcome limitations of organ transplantation created by the lack of organ donors and life-long immunosuppression.We hypothesized a precision medicine approach to human organ fabrication using 3D printed technology, in which the digital volumetric data would be collected by imaging of a patient, i.e. CT or MRI images followed by mathematical modeling to create a digital 3D image. Then a suitable biocompatible material, with an optimal resolution for cells seeding and maintenance of cell viability during the printing process, would be printed with a compatible printer type and finally implanted into the patient.Life-saving operations with 3D printed implants were already performed in patients. However, several issues need to be addressed before translational application of 3D printing into clinical medicine. These are vascularization, innervation, and financial cost of 3D printing and safety of biomaterials used for the construct.     

3D打印技术在电子线挡铅中的应用

目的:建立一套基于3D打印技术制作个体化电子线挡铅的实现方法,为电子线挡铅的制作提供一种新方法。方法:在患者需要进行电子线照射区域的体表上贴上一圈铅丝,并在Varian Acuity模拟定位机上采集该区域的图像数据,在自行研发的图像处理软件中,基于患者图像数据勾画出相对应的铅丝轮廓并建模为3D打印模型。采用3D打印机打印出该模型,再结合传统的铅块灌铸技术,制作出电子线挡铅模块。结果:该方法制作的铅块接触面平整、光滑,模块在Varian 23EX电子线托盘上验证,光影形状与放疗医生在皮肤表面的勾画形状完全吻合。同时模块制作成本低廉,制作时间在可接受范围内。结论:基于3D打印技术制作个体化电子线挡铅步骤简单、快速,铅块精度高,该方法为放疗电子线挡铅的制作提供一种新思路。     

双层压膜与3D打印导板在托槽间接粘接中准确性的对比研究

目的:评估目前双层压膜与3D打印单牙式导板在正畸间接粘接时对托槽定位准确性的差异。方法:利用离体牙按照牙弓形态排牙,标记测量点建立实验模型备用。3D打印组:利用扫描仪取得数字化模型,3Shape正畸软件设计、3D打印制作单牙位导板;双层压膜组:由实验模型翻制石膏工作模型,利用不同厚度的膜片制作双层压膜导板。通过制作的两种间接粘接导板分别将托槽转移定位到实验模型,测量标记点与托槽特定位点间距离,利用SPSS软件对转移前后距离的变化进行统计分析。结果:通过配对t检验分析,3D打印单牙导板与双层压膜导板在托槽粘接准确性无统计学差异（P>0.05）。结论:在上述实验条件下,双层压膜导板与3D打印单牙式导板在辅助托槽间接粘接过程中准确性无明显差异。     

M3D:面向3D打印的医学图像重建平台

本研究旨在构建面向3D打印的医学图像3D重建平台,实现医学影像数据的目标分割、3D重建与3D打印所需区域裁剪与输出功能。该软件平台采用Qt设计用户界面,调用ITK、VTK类库处理医学影像数据。软件平台实现了医学影像数据的输入输出及处理、分割与3D重建等功能;在3D打印模型输出前,可实现对感兴趣区域的截取。以肘关节为例,利用该平台可实现模型重建,截取区域输出STL文件并完成3D打印。结果表明,该软件平台操作简单、界面简洁,可以从医学影像数据中重建得到3D模型,并进行3D打印,具有重要的临床应用价值。     

Challenges in creating dissectible anatomical 3D prints for surgical teaching

Three‐dimensional (3D) printing, or additive manufacturing, is now a widely used tool in pre‐operative planning, surgical teaching and simulator training. However, 3D printing technology that produces models with accurate haptic feedback, biomechanics and visuals for the training surgeon is not currently available. Challenges and opportunities in creating such surgical models will be discussed in this review paper. Surgery requires proper tissue handling as well as knowledge of relevant anatomy. To prepare doctors properly, training models need to take into account the biomechanical properties of the anatomical structures that will be manipulated in any given operation. This review summarises and evaluates the current biomechanical literature as it relates to human tissues and correlates the impact of this knowledge on developing high fidelity 3D printed surgical training models. We conclude that, currently, a printer technology has not yet been developed which can replicate many of the critical qualities of human tissue. Advances in 3D printing technology will be required to allow the printing of multi‐material products to achieve the mechanical properties required.     

3D打印技术在股骨髁上骨折医患沟通中的效果研究

目的　探讨Mimics18.0软件数字化设计结合3D打印骨折模型进行手术规划,术前模拟手术,辅助治疗复杂型股骨髁上骨折内固定及在医患沟通环节的效果研究。 方法　筛选10例复杂型股骨髁上骨折患者,将患者的骨折部分及全套内固定物的薄层CT数据导入Mimics 18.0软件,进行骨折三维建模、骨折块虚拟复位、建立股骨髁上骨折内固定物标准件库、选取最佳匹配的钢板及螺钉。3D打印出患者1:1的股骨髁上骨折实体模型, 术前应用3D打印模型与患者及其家属沟通并进行3D打印模型的效度验证。让患者及其家属直接接触骨折3D模型并观看在模型上按照数字化设计进行模拟手术-将股骨髁上重建板的位置、钉道长度和方向同数字化设计比较,确定术中使用的钢板及螺钉。最后,按照术前模拟演练进行实际手术骨折复位、钢板内固定。 结果　术前应用3D模型获得了良好的沟通效果,患者及其家属理解度和满意度高。应用3D打印技术模拟手术共植入1块锁定钢板和8枚螺钉,钢板植入的位置、螺钉植入的方向均与数字化术前设计高度一致,钉道长度与数字化术前设计比较无显著性差异(P>0.05)。实际手术与模拟手术的手术效果一致。 结论　数字化设计结合3D打印技术在医患沟通方面效果显著,且实现了复杂型股骨髁上骨折的个体化、精准化治疗,明显减少了患者的术中出血量,缩短了患者的康复周期。     

A method of characterising the complex anatomy of vascular occlusions and 3D printing biomimetic analogues

Chronic total occlusions (CTOs) occur in approximately 40% of individuals with symptomatic peripheral arterial disease and are indicative of critical limb ischaemia. Currently, few medical devices can effectively treat CTOs long-term, with amputation often required. This is due to a lack of knowledge of CTO anatomy, making device design and testing difficult. This study is a proof-of-concept study, which aimed to develop a workflow for further characterising the complex multi-material anatomy of CTOs and creating 3D models of CTO components, which may be useful in producing a vascular CTO biomimetic for device testing. Here, we establish such a workflow using samples of atheromatous plaques. We focus on a high-resolution, non-destructive microcomputed tomography (μCT) technique which enables visualisation of occlusion anatomy at a greater resolution than computed tomography angiography (CTA), which is the typical modality used for CTO clinical visualisation. Four arteries (n = 2 superficial femoral; n = 2 popliteal) with evidence of atheromatous plaques were cut into 8 cm segments, which were then stained with iodine and scanned at low resolution, with calcified regions rescanned at high resolution. Resulting files were manually segmented to generate 3D models, which were then 3D printed in resin using a stereolithography printer to produce parts suitable for creating a biomimetic. In total, μCT files from three arterial segments (n = 2 high resolution, n = 1 low resolution) were deemed suitably calcified for segmentation, and thus were segmented to produce 3D models. 3D models of the arterial wall, intima and atheromatous calcium deposits from a high-resolution popliteal artery scan were successfully 3D printed at several scales. While this research is at an early stage, it holds great promise. The workflow for segmentation and 3D printing various components of an atheromatous plaque established here is replicable and uses software and equipment which are accessible to research laboratories in both academia and industry. The ability to print detailed models on a desktop 3D printer is unprecedented and can be improved further, which is promising for future development of biomimetics with multi-material detail of both soft tissue and calcified components of a vascular occlusion. Indeed, this workflow provides a solid foundation for future studies of CTO anatomy and the creation of true, multi-material CTO biomimetics. Such biomimetics may enable the development of improved interventional devices, as they would mimic the general in vivo CTO environment. As this method cannot be applied in vivo, we cannot yet produce patient-specific biomimetics, however, these analogues would still be important in device development, which would improve patient outcomes in critical limb ischaemia.     

3D打印技术在儿童放射治疗定位头枕设计中的应用

目的:利用3D打印技术设计出一款既能提高儿童患者舒适性,又能提高放疗摆位精度的头枕。方法:以3至7岁中国儿童头颅大小为基础,并与博医来标准头枕模型相结合,利用3D打印技术,设计出一款适用于3至7岁儿童的放疗头枕。随机将30例3至7岁儿童头部肿瘤患者分为研究组和对照组,每组各15例。研究组采用3D打印放疗头枕加热塑膜联合固定,对照组则采用博医来标准头枕加热塑膜联合固定。记录研究组与对照组的单次照射透射率及两组儿童患者放疗过程中LAT（X）、LNG（Y）、VRT（Z）及3D矢量方向的位移误差,并采用Mann-Whitney U检验分析比较两组数据,以评估3D打印放疗头枕效果。结果:在VRT及3D矢量方向,研究组与对照组间的位移误差具有统计学意义（VRT方向:P<0.001;3D矢量方向:P=0.023）,而在LAT及LNG方向,研究组与对照组间的位移误差无统计学意义（LAT方向:P=0.950;LNG方向:P=0.137）。结论:本研究提出的3D打印放疗头枕能有效减小VRT及3D矢量方向的位移误差,同时提高儿童放疗过程中的舒适性。     

3D打印颅骨在颅底解剖教学中的应用

目的旨在探究3D打印技术制作解剖教具应用于医学解剖教育的可行性。方法用CT扫描获取大体颅骨标本影像数据,重建并采用3D打印技术构建颅骨模型。招募26名北京协和医学院三年级医学生,采用3D打印颅骨模型进行颅底解剖学习,并通过主观评价问卷对其在解剖教学中的实用性进行评价。结果 57%试验参与者认为3D打印颅骨能够完整呈现颅底解剖结构,超过90%参与者同意3D打印模型有助于空间理解和解剖学习,88%参与者认为3D打印颅骨能够解决大体解剖标本带来的伦理学问题,84%参与者赞同将3D打印模型应用于颅底解剖教学。结论 3D打印模型在解剖教学中效果得到了肯定,3D打印技术在医学教育中的进一步应用亟待展开。     

3D printing algorithm of anisotropic biological scaffold with oxidized nanocellulose and gelatin

Abstract

Tissue scaffolds need to have anisotropic mechanical properties and a porous structure to meet the needs of different tissues and organs. This report presents results of a study on an especially-designed 3D printing method with oxidized nanocellulose and gelatin, analyzes the servo principle of pneumatic condensing extrusion 3D printer, and proposes a hexagonal algorithm. For the purpose of this study, a printing process file was written by G code, physical and mechanical performance of the 3D scaffolds was evaluated with Solidworks simulation, the porous structure and pressure-pull performance of the printed 3D scaffolds was observed by SEM, and experiments were conducted to measure their bio-compatibility. The study draws the conclusion that scaffolds thus printed have a highly porous structure and anisotropic mechanical properties.