当前位置:首页 > 医学进展 > 放射影像 > 正文

基于磁共振成像的3D打印及其临床应用

本文经《中华医学杂志》社有限责任公司授权,仅限于非商业应用。

 

作者:宋燕燕 赵世华 中国医学科学院 北京协和医学院 阜外医院磁共振影像科

 

3D打印(3D Printing)技术,又称"添加制造"(additive manufacturing)技术(也称增材制造),是指一种与传统的材料去除加工方法相反的,通过计算机控制,采用"分层制造,逐层叠加"的方式制成三维实体的工艺。它是一种快速成型技术,为快速、精确的个性化制造提供了高效的解决方案,被英国The Economist杂志誉为第三次工业革命的重要标志之一。

 

一、3D打印技术原理

 

目前,应用较多的四种典型3D打印技术包括:(1)光固化立体印刷(stereo lithography appearance):利用液态光聚合物通过特定波长与强度的激光照射来固化制造出实体。该技术成熟、精度高、主要用于制造软组织结构(如肿瘤、硬脑膜等)及坚硬部分(如骨头)。(2)熔融沉积成型(fused deposition modeling):将加热的热塑性材料或共晶金属粉末从喷头挤出,立即使其凝固。这种技术成型精度更高,强度更高,主要用于骨头及钙化结构。(3)选择性激光烧结(selective laser sintering):利用高功率的激光束将小颗粒的热塑性材料逐层烧结从而制造实体。该方法成型速度快,柔性度高,用材广泛,主要用于制造软组织结构。(4)分层实体制造(laminated object manufacturing):将纸张或塑料膜用胶水逐层黏合叠加在一起,然后用二氧化碳激光束塑形。该方法成型速度快,成本低,但是材料范围窄且精度不高,主要用于制造软组织结构。

 

二、3D打印的特点

 

任何一项技术都有其优势与不足,3D打印的应用优势有:个性化制造、打印精度高及节约材料。而其应用限制包括:材料限制、打印的量及尺寸受限且打印费用高。总之,3D打印技术擅长解决个性化、复杂化的生产技术,而传统工艺则擅长批量化生产。目前,3D打印技术还不能完全取代传统制造业,但二者可取长补短。

 

三、生物3D打印的发展及其临床意义

 

3D打印技术诞生于20世纪90年代,最初应用于航天工程、汽车工业、建筑设计,随着3D打印技术的发展,在医学领域的应用也越来越广,如心脏及上颌面部手术、神经外科以及呼吸系统诊疗,甚至器官移植等。总的说来,生物3D打印技术的发展经历了四个层次。第一层次:打印出的产品没有生物相容性,不能进入人体,如制造医学模型、医疗器械等。第二层次:不可降解的生物相容性材料,如制造人工假肢,人造关节等,为永久性植入物。第三层次:可降解性生物相容性材料,植入人体后可促进组织的再生。如制造各种组织的工程支架等。第四层次:使用人体细胞与基质材料打印出具生物活性的产品,继而制造出组织或器官,最终可实现器官移植。

 

在生物3D打印发展中的不同层次,其意义也不一样。最初制造的实体医学模型不仅可以在手术前有助于医生对患者病情有更深入的了解,从而制定手术方法及计划,能更好的使用手术室资源并且节约手术时间,也有助于患者及其家属了解病情的复杂、手术的难度以及术中潜在的风险,取得患者的理解与配合,减轻其心理压力,使手术更加顺利地开展。不仅如此,模型还可用于教学,是学生对空间解剖有更加立体的理解。除此之外,如今由于疾病或先天因素造成的器官损伤使得3D打印器官具有重大意义。传统批量生产的人造器官一般个性化较低并且生物相容性低,容易发生免疫排斥反应,所以器官3D打印的出现正好弥补了这些不足。使器官移植成为可能,并且解决了器官短缺的问题。

 

四、3D打印技术与磁共振成像的结合

 

因磁共振成像(MRI)毕竟为二维断层图像,人眼观察二维断层图像评估难免存在主观失误,若能将MRI扫描获得的影像学数据结合3D打印技术制造出三维模型,便可全方位、更立体的观察脏器及病变部位,准确判断病情严重程度,从而指导手术顺利进行。故将MRI检查技术与3D打印技术结合具有重大意义。首先通过计算机断层扫描(CT)和MRI技术获得高分辨率的三维DICOM格式数据,再将获得的数据导入三维重建软件,如Mimics或Geomagic、Imageware11.0,这几种软件可以读取DICOM格式的数据,再保存数据格式为STL格式(surface tesselation language),然后可被3D打印机所识别,最终3D打印机将模型打印出来。

 

五、磁共振成像在3D打印中的优势及不足

 

随着MRI技术的发展,MRI作为一种无创性的影像学检查,具有很多优点:(1)软组织分辨率高,对正常解剖结构显示更为清楚,且对疾病早期诊断敏感,其显示病变的能力优于CT。(2)可多方位、多参数成像,弥补了CT不能直接多平面成像的缺点,可以精准的反映更多的解剖信息。(3)无骨骼伪影干扰,对颅底、椎管内结构显示良好,而CT的骨骼伪影会影响其周围软组织结构显示。(4)无电离辐射,并且CT检查多数需使用含碘造影剂,不如MRI对比剂安全。因此,MRI在中枢、心血管及盆腔等解剖结构要求较精细部位的3D打印中具有显著优势。当然,MRI仍有其不足,如价格昂贵、成像时间太长、图像空间分辨率不及CT高等。每项检查各有所长及不足,不能否认MRI在3D打印中发挥着不可替代的地位。

 

六、3D打印技术在磁共振成像中的应用

 

1.心外科:

 

随着MRI技术的发展,心血管疾病的诊断水平有了显著提高,在检测心脏内部,包括左右心室、心房及心脏肌肉组织等方面效果更佳。然而,对于很多结构性心脏病,尤其是复杂性先天性心脏病、大血管类疾病等对认识病变部位的解剖结构要求较高的疾病,传统的MRI无法使医师清晰的观察病变内部结构,但若使MRI与3D打印技术相结合便可打印出精确的3D心脏模型,让医师能更直观的了解病变处的空间结构,便能提高手术成功率。并且,相比心肌分段技术,使用血池分段技术能打印出更高质量的心脏模型。

 

此外,3D打印技术也可用于大血管类疾病,Ahmadian等利用一例55岁主动脉夹层男性患者的MRI数据制造出3D模型,并通过对比4D流动的MRI技术对患者血流动力学的精准量化,证明了此模型可用于大动脉疾病的血流动力学评估。此外Olivieri等利用一例患有完全型大动脉转位的30岁男性患者的影像学数据用Objet500 Connex Polyjet型3D打印机以1︰1比例制造出3D心脏模型,于是介入医生可以直接在模型上试用各种不同的导管,最终选定一种将支架置入,以便观察狭窄部位所处位置及其与毗邻结构的关系,故3D模型提供的视野可以提高手术效率、减少射线暴露、降低术后并发症。因此,3D打印技术的出现给复杂性心血管疾病的诊断及治疗做出了重大贡献。

 

2.神经外科:

 

神经外科医生通常使用MRI来制定手术计划,根据病变的病理性质及磁共振软组织分辨率高等特点,一般MRI可清晰的区分被切除部分与周边正常大脑组织。然而,在外科手术中难以通过肉眼清楚的区分开来,并且从一系列磁共振断层切面中也很难精确得知其大小及体积。Spottiswoode等利用磁共振数据制造出的3D模型能更清晰的显示肿瘤的位置与大小,及其周边重要的结构,并且通过研究证明理想模型与3D打印模型两者之间的差异无统计学意义(P=0.12),但理想模型与MRI扫描图像两者之间的差异存在统计学意义(P=0.02)。且若将磁共振功能成像数据整合至3D模型中,更易在不损害功能区的前提下找到新的手术切入点。

 

国内学者兰青等利用MRI提供脑组织的影像学数据,通过3D打印技术制备出颅脑实体模型,利用3D打印颅脑模型可立体直观地显示鞍区各手术间隙的大小,有利于术前手术间隙的选择;脑动脉瘤成像模型可直观体现动脉瘤与周边组织关系,可直接应用于动脉瘤夹闭模拟手术,选择合适的动脉瘤夹;颅脑肿瘤模型可清晰显示肿瘤与传导束、功能区的空间关系,体现头颅标本无法显示的传导柬及功能区位置,有利于功能保护。故3D立体模型有望极大地提高神经外科术前手术设计的质量,将计算机的虚拟模型进展到实体模型模拟手术,使手术顺利进行,由此证实了3D成型技术用于脑外科的可行性与实用性,并有利于颅脑功能解剖知识学习。

 

3.泌尿外科:

 

在泌尿系肿瘤显像方面MRI有足够的对比度及空间分辨率来区别不同的组织结构,故利用MRI数据能制造出更精确的3D模型。在治疗前列腺肿瘤的保留神经的前列腺切除术或消融治疗中,3D模型可用于评估肿瘤与周边主要解剖结构的关系。Wake等利用分辨率为0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm的三维快速自旋回波T2WI序列扫描获得的图像制造出3D模型,将肿瘤、前列腺囊、尿道前列腺部、直肠壁、膀胱颈及神经血管束这六部分区别开来,前列腺本身用坚硬的透明材料打印,而肿瘤及其他所有结构则用坚硬的白色材质打印,因此更易观察病变特征。在肾脏肿瘤手术中,3D模型也可用于评估肿瘤的复杂性及其与肾脏血管和肾脏集合系统等重要解剖结构的关系,所以在肾部分切除术中,医生更易选择是经腹膜后还是经腹膜进行手术。

 

此外,Wake等还利用空间分辨率为1.4 mm×1.4 mm×2.0 mm的三维增强脂肪抑制梯度回波T1加权序列扫描获得的图像数据制造出3D模型,将肾脏肿瘤、肾皮质、肾髓质、肾动脉、肾静脉及肾脏集合系统这六部分分别打印出来,其中肾皮质用清晰透明且富有柔韧性的材料打印,剩余的肾脏结构则用刚性青与刚性洋红混合成不同颜色打印。故能更清晰的观察肿瘤与肾动静脉和集合系统等毗邻结构的关系。国内学者魏晓松等成功打印出了15例患者的3D结石模型,该模型能够良好地反映出结石与周围组织的关系,利用该模型预估的穿刺点及穿刺肾盏与实际手术基本符合,在经皮肾镜取石术的术前规划及手术过程中起到重要作用,并且通过术后问卷调查的评分可以得知患者及家属对使用3D打印的总体满意度较高,故可以作为术前医患沟通的有效工具。因此由MRI数据制造出的3D打印模型不仅可应用于制定手术计划、术中提供指导,还可以让患者及其家属直观了解手术的复杂性从而配合手术顺利进行。

 

4.妇产科:

 

目前应用于妇产科的影像学检查主要有超声和MRI。由于超声主观性较强且假阴性率较高,而MRI具有无电离辐射、软组织分辨率高等优点,所以MRI用于研究盆腔解剖具有明显优势。国内何泓等利用MRI数据结合3D打印技术制造出胎盘植入的三维模型,并且用不同颜色将胎盘、子宫肌壁及毗邻脏器区别开来,便可更精确观察胎盘植入的位置及其与毗邻脏器之间的关系,避免了MRI二维断层图像带来的主观失误,弥补了二维MRI图像的不足,此例患者,术前3D模型直观展现了胎盘穿透子宫浆膜层植入膀胱壁,术中便证实了此为穿透性植入前置胎盘,由此看出3D模型为医生提供了一个完整的手术视野,使手术顺利进行。

 

5.骨科:

 

在骨外科手术中,尤其是骨肿瘤切除术中,手术切缘的精度及切后重建至关重要。3D打印技术用于上颌面部手术的成功在一定程度上促使了骨科医生在临床中应用3D打印技术。由于MRI对软组织的分辨率高,且能检出早期及活动病变时的软骨下骨炎、骨髓水肿、滑膜及软骨改变,所以MRI对准确显示病灶范围、软组织肿块、肿瘤与邻近组织器官的关系方面较CT敏感。故临床多用MRI数据与3D打印技术相结合打印出三维模型。术前通过此模型,能更加直观的了解肿瘤大小、位置及其与毗邻脏器的关系,从而节约手术时间,使手术顺利进行。不仅如此,由于骨肿瘤患者术后通常采用假体置换作为首选重建方法,曾经术者往往根据假体来改造相应解剖结构使其匹配,如今3D打印技术可以个性化制造假体,使其与残留结构达到最佳匹配程度,尽量减少假体松动现象,从而减小对局部骨性结构的破坏,降低围手术期并发症发生率。故3D打印技术有望进一步改善骨科治疗技术。

 

七、展望

 

将3D打印技术与MRI技术相结合制造出3D打印模型的技术在临床及科研等方面具有深远的发展前景,其对MRI的分辨率要求较高,它是传统二维医学影像与空间解剖结构之间的桥梁。但是在材料及费用等方面限制了其发展,又因其作为医疗产品来说,要应用于人体,故其在安全性及有效性方面需符合临床要求。这些困难需要整个医疗行业及生物学家等多专业专家的努力,广泛结合国内外优秀资源,早日将3D打印生物模型应用于临床指导治疗,并且尽早实现在保证其安全性的前提下成为临床替代物(如细胞、组织、器官移植等)。

 

来源:中华医学杂志2017年第97卷第5期

 

阅读次数:  

发表评论