三维打印技术在临床医学中的应用与发展ppt课件.pptx

三维打印技术在临床医学中的应用现状与前景,1,基本原理,2,3D打印技术上重要的支撑技术,分层实体制造LOMLaminatedObjectManufacturing,选择性激光烧结SLSSelectedLaserSintering,三维印刷技术TDPThreeDimensionPrinter,立体印刷术SLAStereoLithographyApparatus,3,以DLP为技术的3D打印,DLP即数字光处理。这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。,（Digitallightprocession,DLP）,宁波市鄞州智造数字科技公司（MakeX）的M-one,Envisiontec的3Dent设备及制造的牙科产品,4,5,个体化、精准化、微创化、远程化是21世纪临床医学发展的四大方向,数字技术是实现四大发展的技术支撑,三维打印技术是临床数字技术中的重要组成部分,6,内容,1.上世纪90年代中国临床三维打印技术的应用2.三维打印在外科临床医学中的应用现状3.三维打印在外科临床医学中的进一步应用4.生物医学制造与三维打印,7,内容,1.上世纪90年代中国临床三维打印技术的应用2.三维打印在外科临床医学中的应用现状3.三维打印在外科临床医学中的进一步应用4.生物医学制造与三维打印,8,个体化植入物计算机辅助临床工程,与临床医生进行手术方案与假体概念设计讨论,图像处理与几何建模,用三维打印设备制作骨模型,在数据库的支撑下，开展个性化假体的三维数字设计,根据CAD结果进行数控加工,拍摄传送患体部位CT（MRI）数据,后处理交付临床使用,个体化植入物：量体裁衣，度身定做,9,我们最早的临床三维打印模型,10,上海交通大学所拥有的3D打印设备,精度最高速度低，小尺寸高精度强度好需要支架,精度好速度较快，适合大尺寸细部强度差需要支架,精度一般速度低强度好需要支架,精度差速度较快强度一般不需要支架,11,用于精准手术的三维打印模板,用于手术规划的三维打印模型,支撑个体化植入物设计,三维打印制造平台,拥有设备,应用一,应用二,应用三,至2014年6月，共提供全国100余家医院，7000余例三维打印临床应用服务,（产业化模式）,12,用于精准手术的三维打印模板,用于手术规划的三维打印模型,支撑个体化植入物设计,三维打印制造平台,拥有设备,应用一,应用二,应用三,至2014年6月，共提供全国100余家医院，7000余例三维打印临床应用服务,13,2004年获得国家科技进步二等奖,14,内容,1.上世纪90年代中国临床三维打印技术的应用2.三维打印在外科临床医学中的应用现状3.三维打印在外科临床医学中的进一步应用4.生物医学制造与三维打印,15,1）患骨模型信息是医生诊断与手术规划的重要依据,X光,CT与MRI,三维打印模型,三个里程碑技术,16,三维打印模型的制作流程,用STL文件格式输送至三维打印机,三维打印模型,建立骨三维数字模型,医学影像获取,17,女,19岁,左下肢复合畸形(脂肪瘤后),上海市第九人民医院“麻花腿”患者病例骨科,她这样生活了19年,18,术后,术后1月,第一次用双腿走路,19,术后11个月,术后5年半,术后3年,20,利用自体腓骨重建下颌骨,三维打印骨模型,九院病例术前,术后,腓骨重建下颌骨数字技术系统,21,应用范围,SFDA目前没有管,22,用于精准手术的三维打印模板,用于手术规划的三维打印模型,支撑个体化植入物设计,三维打印制造平台,拥有设备,应用一,应用二,应用三,至2014年6月，共提供全国100余家医院，7000余例三维打印临床应用服务,（产业化模式）,1400余例,23,腓骨重建上颌骨,原型：红色为肿瘤切除区域,手术规划,2）3D打印与精准手术,上/下颌骨修复,24,利用生物打印模板实现上、下颌精准整形外科手术,术前术后误差分析平均1.2mm,术后重建,术前重建,术前规划设计,术前,上颌骨切割导板、中间和终末定位合板、下颌骨切割导板,术后,25,脊柱外科精准手术,昆明军区总医院陆声教授率先提出,26,在脊柱测弯矫形外科中的应用案例,昆明军区总医院骨科,27,案例,引用自中华创伤杂志,28,广州军区总医院骨盆局部重建病例,术前X线片,解剖模型,肿瘤骨性破坏范围,肿瘤切除范围,从异体骨截取镶骨,辅助切割模板,手术规划,29,骨盆假体实物,广州军区总医院个性化骨盆重建手术,右髋部“Y”形切口,骨盆切除范围与规划完全一致,个性化骨盆假体与异体骨盆固定,手术现场,术后X线片,手术规划,30,口腔种植模板CAD/CAM技术,导向模板三维模型,导向模板,临床应用,规划软件,导向模板RP制造,导向模板设计,31,膝关节置换基准面切割定位模板髋关节置换髋臼定位模板,摆锯切割导向模板,椎弓根钉植入导向模板,口腔科切割导向模板,整形外科性割与定位导向模板,口腔种植导向模板,肿瘤,关节,脊柱,种植,整形,口腔,手术模板是手术精准化重要手段,32,用于精准手术的三维打印模板,用于手术规划的三维打印模型,支撑个体化植入物设计,三维打印制造平台,拥有设备,应用一,应用二,应用三,至2014年6月，共提供全国100余家医院，7000余例三维打印临床应用服务,（产业化模式）,1300余例,33,膝关节置换基准面定位手术导板,34,1对于肿瘤、畸形、翻修等患者，市场上通用的人工关节等植入物产品不再适用；2、有些植入物只能是个性化的，如骨缺损修复体，含骨缺损的骨关节修复体；3、牙科义齿植入物的制作从来就是个体化模式；3、数字制造技术已经使个体化植入物低成本、高效率制造同样成为可能。,个性化骨科植入物的数字制造技术,个体化植入治疗是临床医学的永远追求,3）3D打印与个体化植入物,35,软件系统,支撑制造技术,生成三维设计及二维图纸,MRI,CT,图像处理,患体三维建模,STL文件,医工双方手术与假体概念设计,RP模型,多模图象配准,建模系统Medmodor,标准产品库,设计模块,反求体数模,反求模块Serphic,预案设计库,案例库,基本数据库,设计系统MedDsign,专用工具设计UG/Pro/E,建立统一格式的文档处理软件,三维加工件CAD/Delcom,个性化骨科植入物数字制造平台,UGPro/E,硬件系统,ABAQUS6.5,有限元计算软件,数字医学临床转化教育部工程研究中心,工艺系统MedMenu,医产学研,36,用3D打印模型试人工半骨盆假体,术后假体与患者骨骼完美结合,术后恢复正常活动功能,骨盆肿瘤,手术植入,半骨盆置换上海市第九人民医院手术,（1）个体化关节,37,半骨盆置换-上海市长海医院手术,38,个体化髋臼置换,39,颅颌面骨缺损修复手术20032013.3累计病例4000例,（交大倍尔康）,（2）个体化骨修复体,40,典型应用病例（上海市耳鼻喉科医院）,CT数据,术前患骨模型,修复方案数字模型,颌面修复,41,术前规划,第一次手术导航,复杂病例：骨折复位+颅骨大面积缺损修复,（上海市第九人民医院）,42,第二次手术,第二次术后,43,与骨折表面更加贴合的接骨板,（3）个体化接骨板,44,髋臼后壁骨折案例,在三维打印模型上模拟固定，确定固定位置,术后,45,4）个体化赝复组织,46,4）在医院建立3D打印中心,广州军区广州总医院试点,47,建立了严格的价格体系,规范了3D打印技术临床支持与服务流程、机制,48,脊柱手术导板,49,个性化植入体修复病例：吴某，男，34，股骨远段骨肉瘤手术,临床应用,肿瘤切缘更精确、修复更匹配（16例）,.,文献支持：张余等.数字化技术在骨肿瘤的临床应用中国骨科临床与基础研究杂志.2012,4(3):78-82,50,整形科典型病例：冯XX，男，25岁，半侧颜面萎缩缩短了手术时间，提高了手术质量（7例）,临床应用,三维重建,术前3D打印皮瓣术中裁剪,设计修复皮瓣术后,文献支持：齐向东,等.数数字化技术对半侧颜面萎缩修复皮瓣的选择应用J.中华显微外科杂志,2011,34(6):454-456,51,临床应用泌尿外科典型病例：武XX，男，22岁，尿道重建提高男性后尿道狭窄的诊断和手术成功率（13例）,图1三维重建,图23D打印,代物医学进展,2010,10(1):100-102,52,泌尿科应用,53,临床应用,3D打印多学科应用,54,至今，3D打印技术辅助临床病例745例,55,陈中伟院士语：未来医院将会设总工程师,56,云技术的服务模式,（1）医疗器械领域的个体化产品服务；（2）分布在异地的随机需求一旦出现，知道找我们；（3）医生面前有一个使用的交互界面，方便地描述医学的需求；（4）医生一方不需要高配置计算机、昂贵的软件和3D打印设备、专业的人才，一切由我们完成；（3）在医生期望的时间里把产品送到医生手中。,57,网络中心,A组首席专家,示范产业,解剖数据库,A组设计团队,制造团队,B组首席专家,B组设计团队,C组设计团队,C组首席专家,人体力学数据库,有限元分析,专业与通用软件,晟实公司,倍尔康公司,华森公司,中心直属公司,牙科技工所,辅助加工,金属3D,非金属3D,制造部经理,产业技术构架,信息流,产品流,58,我们租用IBM的云平台,59,导入数据,打开数据,三维容积重建,勾选需要的区域,勾选成功,表面重建确定,确定剖面规划钉道,确定钉道位置,钉道放置完毕进行二三维调整,生成导板,M3D,脊柱导板设计工具,发展方向：“傻瓜”型手术规划软件,60,61,公司成立仪式,与深圳光韵达光电科技股份有限公司（股票代码：300227）签约，共同运营上海光韵达三维科技有限公司医学工程部,62,用EOS等世界一流的设备为医院提供3D打印服务,63,产品与展厅,64,内容,1.上世纪90年代中国临床三维打印技术的应用2.三维打印在外科临床医学中的应用现状3.三维打印在外科临床医学中的进一步应用4.生物医学制造与三维打印,65,（1）软组织模型,1）手术模型技术的发展,核心技术：软组织图像处理与建模,66,超声影像处理建模,67,（2）软/硬组织手术规划模型,核心技术：多模图像配准；,68,(3)带物理质感的手术规划模型,69,实验设备,70,实验材料,No.9,No.10,71,回归方程的获取,钻削较软组回归方程：Fz=43.2279+0.311208feed-9.78145rot+7.75606feed*feed+9.79582rot*rot-6.09688feed*rot钻削中等硬度组回归方程：Fz=48.9206+0.0409484feed-8.21874rot+0.00305feed*feed+7.04613rot*rot-5.25697feed*rot钻削较硬组回归方程：Fz=54.3119+0.394193feed-0.0014372rot-0.00118845feed*feed+1.44932rot*rot-4.9538feed*rot切削较软组回归方程：Fc=-132-0.045f+3.40r+0.00088f*f-0.00030f*r-0.0204r*rFf=-10.8+0.0416f+0.286r-0.000413f*f+0.000171f*r-0.00179r*r切削中等组回归方程：Fc=-137+0.141f+3.49r+0.000318f*f-0.00194f*r-0.0207r*rFf=-6.25-0.101f+0.294r+0.000731f*f+0.000173f*r-0.00193r*r切削较硬组回归方程：Fc=-17.3-0.461f+1.02r+0.00097f*f+0.00422f*r-0.00796r*rFf=23.1-0.0580f-0.483r-0.000431f*f+0.00129f*r+0.00274r*r,72,术前,术后,（4）手术操作训练功能仿真模型,73,（5）医用三维打印机,医用三维打印机特点：可同时打印软/硬组织一体化模型；软/硬组织模型具有接近实际组织的质感；,74,2）金属三维打印的临床应用,将有力地推进个体化植入物的临床应用,75,以激光为能量源的选择性金属激光熔融（SelectiveLaserMelting，SLM）,76,以电子束为能量源的选择性金属激光熔融（ElectronBeamMelting,EBM）,计算机模型,实物,77,接受瑞典ARCAM公司技术培训,已购买,78,1）将带来传统骨科植入物制造技术的重大变化,79,2）是个体化骨科植入物制造技术的革命,80,3）多孔植入物技术,81,所有表面完全覆盖HA将细胞种在支架内,HAfilm,Titaniumball,烧结钛球支架,82,83,高孔隙杆系结构模型，设计孔隙率93.61%,八面体嵌套结构模型，设计孔隙率91.48%,蜂窝状结构模型，设计孔隙率89.72%,孔隙结构设计,正六面体嵌套结构模型，设计孔隙率93.53%,交叉曲面结构模型，设计孔隙率88.87%,正交结构模型，设计孔隙率86.5%,(1）金属三维打印多孔钛基础研究,84,高孔隙杆系结构模型,八面体嵌套结构模型,蜂窝状结构模型,正交结构模型,正六面体嵌套结构模型,交叉曲面结构模型,多孔钛合金结构体,85,孔隙结构特征,XiangLi*,etal.Materialsletters2009;63:403-405.XiangLi*,etal.Proc.IMechEPartH:J.EngineeringinMedicine,223:173-178,2009.XiangLi*,etal.RapidPrototypingJournal,16:44-49,2010.,86,EBM技术制造,SLM技术制造,仿生结构模型,孔隙结构特征,87,EBM技术制造,SLM技术制造,孔隙结构特征,88,力学性能测试,多孔钛,P（%）65-73Zimmer63-68Actipore,SevillaP,AparicioC,PlanellJA,GilFJ.Comparisonofthemechanicalpropertiesbetweentantalumandnickeltitaniumfoamsimplantmaterialsforboneingrowthapplications.JournalofAlloysandCompounds439(2007)6773.,89,2）临床应用,90,91,92,术前,术后,93,上海市第九人民医院案例,94,切除范围与假体设计,95,金属3D打印骨盆修复体,96,个体化手术导板,97,术后X线片及CT两极螺钉未进入髋关节间隙,98,术后2周,术后1月,99,结果Results,100,主应力线分布Distributionofmainstressline,101,西安西京医院金属3D打印锁骨和肩胛骨,102,金属牙冠,3）使传统口腔修复技术发生革命性的变化,烤瓷牙,103,在牙科更为广泛的应用,104,当前的问题,政策？,面对新工艺：金属3D打印在骨科植入物制造中的推广应用；面对个体化：金属3D打印将有力推进个体化植入物在临床中的应用。,105,多孔钛人工骨,能仿真？出不了粉孔隙多大？,能清洗干净？孔隙多大能洗净？怎么检测,106,结构强度,怎么评估？有限元？宏观与微观融合？,107,孔隙结构特征,XiangLi*,etal.Materialsletters2009;63:403-405.XiangLi*,etal.Proc.IMechEPartH:J.EngineeringinMedicine,223:173-178,2009.XiangLi*,etal.RapidPrototypingJournal,16:44-49,2010.,108,EBM技术制造,SLM技术制造,仿生结构模型,小梁微断裂？疲劳强度怎么评估？断裂物对人体的影响？,109,及时组织力量，系统研究拿出科学依据建立标准,110,内容,1.上世纪90年代中国临床三维打印技术的应用2.三维打印在外科临床医学中的应用现状3.三维打印在外科临床医学中的进一步应用4.生物医学制造与三维打印,111,软组织摩擦减薄部位,假体与肌肉等软组织的连结问题,112,案例：上海瑞金医院进行的半骨盆的置换,术前X光片,术后X光片,113,“金属母体活体骨”组合式植入物,114,第三代：钽涂层,第二代：类骨磷灰石,25,50,生物涂层技术的研究,1）具有生命的金属植入物,115,钽涂层前后多孔钛合金支架,钽涂层表征,116,体外细胞培养实验,多孔钛支架,钽涂层支架,117,动物实验,植入兔颅骨4、8和12周后取样,118,Histologicalstainingforosteogenesiswithinporoustitaniumafterimplantationfor4,8and12weeks.Ti:pureporousTi,TiC:biomimeticcoatedporousTi,4W16,8W16,12W16,12W100,Ti,TiC,动物实验,119,发展方向与组织工程相结合,多孔钛合金承载体,组织工程,120,多孔金属支架,浸入聚合物溶液,金属/聚合物复合结构,冷冻,冻干处理,PoresizeMetallicscaffold500mPolymersponge:50-200m,121,复合多孔支架,多孔钛合金支架,聚合物海绵,优异的力学性能,组织亲和性,122,目的：具有生命的金属假体,多孔钛承载支架,聚合物海绵,海藻酸盐,HA,动物试验效果良好,