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武漢易成三維是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的3D打印、三維掃描儀綜合方案供應(yīng)商，始終專注于制造、教育、科研、軍工等領(lǐng)域，迄今為止已為約600所著名高校、科研院所、約10000個(gè)企業(yè)機(jī)構(gòu)提供專業(yè)的3D打印設(shè)備、服務(wù)及平臺(tái)化數(shù)字智造應(yīng)用方案。

介紹

在快速增長(zhǎng)的速度下，醫(yī)療行業(yè)繼續(xù)認(rèn)識(shí)到增材制造（AM或3D打?。┰诟鞣N醫(yī)療應(yīng)用中的附加值。AM現(xiàn)在用于開發(fā)新的外科切割和鉆孔導(dǎo)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(fù)制品。

Wohlers在2015年的一項(xiàng)研究顯示，所有3D打印收入的13%來自與醫(yī)療行業(yè)相關(guān)的公司。從顱骨植入物到美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的髖關(guān)節(jié)，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AM生產(chǎn)了超過100，000個(gè)髖臼（髖關(guān)節(jié)杯）植入物，其中約50，000個(gè)植入患者體內(nèi)。

所有這些里程碑繼續(xù)加強(qiáng)增材制造現(xiàn)在在醫(yī)療行業(yè)中的重要作用，在醫(yī)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(yī)療專業(yè)人員對(duì)患者的理解（ 外科學(xué)習(xí)工具），并通過允許與專門為其解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行交互來提高患者的舒適度。

本文將討論醫(yī)療行業(yè)內(nèi)的要求，這些要求使增材制造成為許多應(yīng)用的理想選擇技術(shù)，并介紹用于生產(chǎn)3D醫(yī)療模型的最常用數(shù)據(jù)生成方法。還將討論常見的醫(yī)療行業(yè)應(yīng)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(yī)療行業(yè)中使用AM的案例研究。

醫(yī)療行業(yè)要求

定制

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

復(fù)雜性

過去，傳統(tǒng)制造業(yè)可能難以創(chuàng)造復(fù)雜的有機(jī)形狀，而AM技術(shù)現(xiàn)在能夠打印的設(shè)計(jì)可能是無限的。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(yīng)用和設(shè)計(jì)（包括面部骨骼，橈骨和尺骨）打開了大門。

提前期

無論是內(nèi)部還是外包，創(chuàng)建模具的交貨時(shí)間都可能漫長(zhǎng)而昂貴。AM的標(biāo)志之一是為設(shè)計(jì)師和工程師提供工具，以快速創(chuàng)建和迭代設(shè)計(jì)，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(yī)療設(shè)備成功的一個(gè)重要部分是來自醫(yī)生和患者的反饋以及這些設(shè)計(jì)改進(jìn)可以實(shí)施的速度。在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，現(xiàn)在可以根據(jù)外科醫(yī)生的直接反饋來迭代醫(yī)療工具的設(shè)計(jì)，外科醫(yī)生將使用它并打印新的原型進(jìn)行評(píng)估?？焖俜答伃h(huán)路可加速設(shè)計(jì)開發(fā)。制造商還可以使用早期的增材制造部件來支持臨床試驗(yàn)或早期商業(yè)化，同時(shí)最終設(shè)計(jì)仍在優(yōu)化中。

成本

除了能夠創(chuàng)建自定義的復(fù)雜組件外，增材制造還最適合小批量生產(chǎn)，這意味著成本通常會(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(fèi)并進(jìn)一步降低成本。

多材料打印

一些AM技術(shù)現(xiàn)在也能夠在單個(gè)打印程序中打印來自不同材料的3D模型。這樣做的好處是，模型現(xiàn)在可以具有不同的部分來表示骨骼，器官和軟組織，從而使外科醫(yī)生和醫(yī)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(yī)療工業(yè)中的應(yīng)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的可滅菌材料。

數(shù)據(jù)生成（CT、核磁共振成像、3D 掃描）

直接從掃描數(shù)據(jù)中生產(chǎn)患者特定零件的能力是一個(gè)明顯的好處，對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)制造技術(shù)來說，這種優(yōu)勢(shì)并不具有成本效益。這些定制的部件是通過將患者自己的掃描（使用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），磁共振成像（MRI）和激光掃描等技術(shù)）轉(zhuǎn)換為3D文件的軟件來實(shí)現(xiàn)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3D打印機(jī)制造。

CT - CT使用許多通過受試者的X射線投影來計(jì)算重建橫截面圖像。CT被認(rèn)為是骨成像和收集數(shù)據(jù)的首選成像方法，然后用于生成硬組織結(jié)構(gòu)（如骨骼）的醫(yī)學(xué)模型。CT掃描廣泛用于急診室，因?yàn)閽呙钑r(shí)間不到5分鐘。因?yàn)榛颊弑┞队谏倭枯椛銫T掃描有時(shí)可能不合適。

MRI - MRI利用非常強(qiáng)大的磁鐵來對(duì)齊體內(nèi)原子核，以及導(dǎo)致原子共振的可變磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。原子核產(chǎn)生自己的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，掃描儀檢測(cè)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(zhǎng)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(shù)據(jù)，然后用于生成3D表面。這使得非常難以精確測(cè)量和3D建模的零件能夠被數(shù)字化和精確再現(xiàn)。與CT或MRI掃描不同，激光掃描不顯示被掃描物體的內(nèi)部特征。此外，激光掃描儀具有各種尺寸，適用于不同的應(yīng)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(shì)。

常見應(yīng)用

外科學(xué)習(xí)工具

雖然醫(yī)療行業(yè)3D打印的大部分焦點(diǎn)都集中在患者使用的植入物和醫(yī)療設(shè)備上，但最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一集中在解剖復(fù)制品上。從歷史上看，臨床培訓(xùn)、教育和設(shè)備測(cè)試一直依賴于使用動(dòng)物模型、人類尸體和人體模型在臨床模擬中進(jìn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這些選項(xiàng)有幾個(gè)缺陷，包括供應(yīng)有限，處理和存儲(chǔ)費(fèi)用，模型中缺乏病理學(xué)，與人體解剖學(xué)不一致，以及無法準(zhǔn)確表示活人的組織特征。

醫(yī)生現(xiàn)在使用AM從患者掃描數(shù)據(jù)中生成的模型來改善疾病的診斷，闡明治療決策，計(jì)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(yù)。這些模型幫助醫(yī)生了解難以可視化的患者解剖結(jié)構(gòu)，尤其是在使用微創(chuàng)技術(shù)時(shí)。模型還有助于準(zhǔn)確確定醫(yī)療器械的尺寸。醫(yī)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(dá)給臨床團(tuán)隊(duì)。

為了幫助降低成本，一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)了一些程序，外科醫(yī)生在低成本人體模型上練習(xí)和計(jì)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(fù)制人體組織，鈣化和骨骼，這意味著外科醫(yī)生現(xiàn)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(jié)構(gòu)不同部分的觸摸和感覺。

手術(shù)導(dǎo)板和工具

就像在制造中使用鉆頭來確保將孔放置在正確的位置一樣，醫(yī)生也實(shí)施指南和工具來協(xié)助手術(shù)。從歷史上看，手術(shù)導(dǎo)板和工具是由鈦或鋁制成的通用設(shè)備。通過實(shí)施AM，醫(yī)生能夠創(chuàng)建精確遵循患者獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)的指南，準(zhǔn)確定位手術(shù)過程中使用的鉆頭或其他儀器。增材制造導(dǎo)板和工具用于使修復(fù)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(yī)生和顱面（顱骨和面部）外科醫(yī)生是AM指南和工具的最常規(guī)用戶之一。2014年，制造了23個(gè)定制的手術(shù)導(dǎo)板和模板，以協(xié)助部分或全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，制造了超過112個(gè)手術(shù)導(dǎo)板以協(xié)助各種顱面手術(shù)，僅在埃及就將9種不同的鈦合金Ti-6Al-4V顱面植入物植入患者體內(nèi)。手術(shù)導(dǎo)板來自患者掃描，以精確匹配其解剖結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dǎo)板也定期通過AM產(chǎn)生，并協(xié)同使用，以在進(jìn)行手術(shù)之前計(jì)劃和測(cè)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(xì)的網(wǎng)格或晶格結(jié)構(gòu)，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(yīng)用。與傳統(tǒng)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(tǒng)醫(yī)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(yī)療行業(yè)增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)之一。

假肢

僅在美國(guó)，每年就進(jìn)行近200，000次截肢手術(shù)，假肢的價(jià)格從5，000美元到50，000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(xiàn)在經(jīng)常用于生產(chǎn)與用戶解剖結(jié)構(gòu)完美匹配的患者特定假肢組件。從一系列材料中產(chǎn)生復(fù)雜幾何形狀的能力導(dǎo)致AM在與患者接觸的部位進(jìn)行調(diào)整。AM技術(shù)已被用于生產(chǎn)從舒適地貼合用戶的假肢連接到癌癥患者復(fù)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3D打印假肢的快速互聯(lián)網(wǎng)揭示了大量同行評(píng)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(jī)上打印。這些設(shè)計(jì)可以輕松縮放或更改，以完全匹配用戶的尺寸。e-NABLE社區(qū)由來自世界各地的一群人組成，他們正在使用他們的3D打印機(jī)為那些需要上肢輔助設(shè)備的人創(chuàng)建免費(fèi)的3D打印手和手臂。隨著AM繼續(xù)進(jìn)入主流，像這樣的概念現(xiàn)在變得越來越普遍。

通常，傳統(tǒng)的制造技術(shù)和材料用于生產(chǎn)功能性假肢的結(jié)構(gòu)部分。然后，AM通常在界面部分通過產(chǎn)生與用戶解剖結(jié)構(gòu)完美契合的復(fù)雜輪廓來實(shí)現(xiàn)，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(jī)外殼，隱藏假肢的機(jī)械性質(zhì)。這也允許佩戴者完全定制他們的假肢，以適應(yīng)他們喜歡的任何設(shè)計(jì)或風(fēng)格