三维打印技术在临床医学中的应用与发展

三维打印技术在临床医学中的应用现状与前景 基本原理 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 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 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 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 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 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 我们最早的临床三维打印模型 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 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 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 2004年获得国家科技进步二等奖 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 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 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 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 术后 术后1月 第一次用双腿走路 术后11个月 术后5年半 术后3年 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 应用范围 SFDA目前没有管 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 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 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 脊柱外科精准手术 昆明军区总医院陆声教授率先提出 在脊柱测弯矫形外科中的应用案例 昆明军区总医院骨科 案例 引用自中华创伤杂志 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 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 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 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 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 膝关节置换基准面定位手术导板 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 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 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 半骨盆置换 上海市长海医院手术 个体化髋臼置换 颅颌面骨缺损修复手术2003 2013 3累计病例4000例 交大 倍尔康 2 个体化骨修复体 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 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 第二次手术 第二次术后 与骨折表面更加贴合的接骨板 3 个体化接骨板 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 4 个体化赝复组织 4 在医院建立3D打印中心 广州军区广州总医院试点 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 脊柱手术导板 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 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 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 泌尿科应用 临床应用 3D打印多学科应用 至今 3D打印技术辅助临床病例745例 陈中伟院士语 未来医院将会设总工程师 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 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 我们租用IBM的云平台 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 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 用EOS等世界一流的设备为医院提供3D打印服务 产品与展厅 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 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 超声影像处理建模 2 软 硬组织手术规划模型 核心技术 多模图像配准 3 带物理质感的手术规划模型 实验设备 实验材料 No 9 No 10 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 术前 术后 4 手术操作训练功能仿真模型 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 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 以激光为能量源的选择性金属激光熔融 SelectiveLaserMelting SLM 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 接受瑞典ARCAM公司技术培训 已购买 1 将带来传统骨科植入物制造技术的重大变化 2 是个体化骨科植入物制造技术的革命 3 多孔植入物技术 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 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 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 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 EBM技术制造 SLM技术制造 仿生结构模型 孔隙结构特征 EBM技术制造 SLM技术制造 孔隙结构特征 力学性能测试 多孔钛 P 65 73Zimmer63 68Actipore SevillaP AparicioC PlanellJA GilFJ Comparisonofthemechanicalpropertiesbetweentantalumandnickel titaniumfoamsimplantmaterialsforboneingrowthapplications JournalofAlloysandCompounds439 2007 67 73 2 临床应用 术前 术后 上海市第九人民医院案例 切除范围与假体设计 金属3D打印骨盆修复体 个体化手术导板 术后X线片及CT两极螺钉未进入髋关节间隙 术后2周 术后1月 结果Results 主应力线分布Distributionofmainstressline 西安西京医院金属3D打印锁骨和肩胛骨 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 在牙科更为广泛的应用 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 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 结构强度 怎么评估 有限元 宏观与微观融合 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 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 及时组织力量 系统研究拿出科学依据建立标准 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 软组织摩擦减薄部位 假体与肌肉等软组织的连结问题 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 金属母体 活体骨 组合式植入物 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 钽涂层前后多孔钛合金支架 钽涂层表征 体外细胞培养实验 多孔钛支架 钽涂层支架 动物实验 植入兔颅骨4 8和12周后取样 Histologicalstainingforosteogenesiswithinporoustitaniumafterimplantationfor4 8and12weeks Ti pureporousTi TiC biomimeticcoatedporousTi 4W 16 8W 16 12W 16 12W 100 Ti TiC 动物实验 发展方向 与组织工程相结合 多孔钛合金承载体 组织工程 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 PoresizeMetallicscaffold 500 mPolymersponge 50 200 m 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 目的 具有生命的金属假体 多孔钛承载支