3D打印定制式醫(yī)療器械患者安全因素分析及對策

朱永麗 王學(xué)軍 夏慧琳 朱丹丹 張曉燕

（內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，呼和浩特 010017）

隨著醫(yī)療水平的不斷提高，滿足患者對個性化醫(yī)療的需求成為醫(yī)療發(fā)展的新目標(biāo)。定制式醫(yī)療器械是指滿足指定患者的罕見特殊病損情況，在我國已上市產(chǎn)品難以滿足臨床需求情況下，由醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)基于醫(yī)療機構(gòu)特殊臨床需求而設(shè)計和生產(chǎn)，用于指定患者的、預(yù)期能提高診療效果的個性化醫(yī)療器械［1］。利用增材制造技術(shù)即3D打印技術(shù)生產(chǎn)定制式醫(yī)療器械已成為目前的主流趨勢。

患者個性化定制的模型、支具、護(hù)具、手術(shù)導(dǎo)板、植入體等醫(yī)療器械的應(yīng)用，在醫(yī)患溝通、術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)可視化以及定制植入醫(yī)療器械方面都做出突破性貢獻(xiàn)［2］。該方法可以降低手術(shù)難度、縮短手術(shù)時間、改善患者預(yù)后，也提高患者滿意度［3］。但其復(fù)雜性也給患者帶來了潛在的風(fēng)險和安全問題。目前的定制式醫(yī)療器械尚未建立起完善的評價機制和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使其質(zhì)量得不到很好的保障［4，5］。同時，對定制式醫(yī)療器械、尤其是植入體的審批流程中，較多關(guān)注其靜力學(xué)性能而忽略其磨損性能及疲勞性能等，也使其使用過程中的風(fēng)險因素增加［6］。2013年4月，美國食品和藥物管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）宣布，由于用3D打印制作的骨科截骨導(dǎo)板無法按照骨科醫(yī)生的手術(shù)計劃進(jìn)行深度和角度對齊，有造成患者嚴(yán)重傷害的風(fēng)險，對其進(jìn)行Ⅰ類召回［7］。

本研究的主要目的是通過對3D打印定制式醫(yī)療器械的工作流程及流程中各個環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上，深入挖掘各個環(huán)節(jié)中可能造成影響患者安全的因素，并提出預(yù)防措施和建議，為規(guī)范該領(lǐng)域從業(yè)人員操作行為提供依據(jù)，為保障3D打印定制式醫(yī)療器械的臨床使用安全提供參考。

1 3D打印定制式醫(yī)療器械影響患者安全因素分析

1.1 3D打印定制式醫(yī)療器械工作流程分析

3D打印定制式醫(yī)療器械的工作流程包括多個步驟。本文綜合參考Bastawrous、Matsumoto等的相關(guān)文獻(xiàn)［8，9］，結(jié)合定制式醫(yī)療器械在臨床應(yīng)用過程中的實際情況，將臨床提出需求后的整個工作流程分為臨床需求提出、影像數(shù)據(jù)獲取、圖像分割重建、計算機輔助設(shè)計、3D打印、模型后處理及臨床應(yīng)用七個階段。如圖1所示。

圖1 3D打印定制式醫(yī)療器械工作流程

整個工作流程涉及的人員包括臨床醫(yī)師、放射醫(yī)師、圖像處理及設(shè)計工程師、3D打印工程師。流程環(huán)節(jié)包括：①由臨床醫(yī)師根據(jù)患者治療需要提出定制式醫(yī)療器械的需求；②放射醫(yī)師依據(jù)患者病變部位及圖像要求，選擇合適的成像方式和參數(shù)采集影像數(shù)據(jù)，并出具診斷報告；③工程師以影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過圖像分割將患者病變部位及周圍組織解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并設(shè)計定制式醫(yī)療器械；④對需3D打印的解剖模型及器械進(jìn)行表面網(wǎng)格化處理，轉(zhuǎn)化為3D打印機可打印文件格式；⑤設(shè)置打印參數(shù)、支撐，對模型進(jìn)行切片處理，選擇合適的成型方式及材料進(jìn)行3D打?。虎奕コ?，對模型進(jìn)行填充及再固化等后處理，進(jìn)行消毒、滅菌，包裝后以備臨床使用。⑦臨床醫(yī)師按照預(yù)期目標(biāo)實施手術(shù)。

1.2 各工作流程中影響患者安全因素分析

定制式醫(yī)療器械不同于批量生產(chǎn)的醫(yī)療器械，無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化流程進(jìn)行生產(chǎn)，也不能采用抽樣檢測和代表性產(chǎn)品驗證，各個環(huán)節(jié)都可能引入一些影響患者使用安全的風(fēng)險因素［10］。

本文針對定制式醫(yī)療器械的工作流程的各個階段，分析可能存在的對患者使用安全造成影響的因素。

1.2.1 預(yù)期用途確認(rèn)不足

模型的預(yù)期用途和最終目標(biāo)溝通不足會直接導(dǎo)致設(shè)計的精度、材料選擇及打印工藝選擇等出現(xiàn)差錯。如用于骨科的截骨導(dǎo)板在設(shè)計過程中要考慮骨表面附著的軟組織會影響導(dǎo)板使用中的貼合度，應(yīng)據(jù)此修正其尺寸［11］。而用于關(guān)節(jié)置換的人工關(guān)節(jié)需考慮其材料的生物相容性、力學(xué)性能及機械性能［12］。在心臟術(shù)前，常通過對患者心臟解剖結(jié)構(gòu)的三維重建模型，進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃并預(yù)選人工瓣膜、血管支架等植入物的型號。如果由于模型不精準(zhǔn)致使選擇錯誤將會導(dǎo)致再手術(shù)，甚至是患者死亡等嚴(yán)重問題［13］。

1.2.2 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量差

成像方式選擇不當(dāng)是造成影像數(shù)據(jù)質(zhì)量差的主要原因。放射醫(yī)師需要根據(jù)預(yù)期用途和成像部位的解剖結(jié)構(gòu)特點選擇成像方式。常用的成像方式中，CT是骨骼組織成像首選，而MRI和超聲檢查在軟組織方面更有優(yōu)勢。對于一些心臟數(shù)據(jù)的采集還需一些特殊的、如通過心電門控技術(shù)來減少運動偽影［14］。有時還需通過造影劑增加組織間的對比度［15］。成像參數(shù)也直接影響圖像的質(zhì)量［16］。例如CT的分辨率過低可能忽略結(jié)構(gòu)差異，忽略微小病變。層厚過大會造成容積效應(yīng)，而且在三維重建過程中會出現(xiàn)階梯偽影。

1.2.3 圖像分割重建和模型設(shè)計錯誤

影像數(shù)據(jù)三維重建主要通過閾值的自動分割和手動分割兩種方式實現(xiàn)。自動分割對特定的解剖結(jié)構(gòu)或閾值差別較大的區(qū)域分割較好，但對一些邊界不清、閾值接近的區(qū)域及一些解剖變異的結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行正確處理，因此需要工程師進(jìn)行手動修正［17］。一旦工程師對解剖結(jié)構(gòu)、影像診斷及軟件操作掌握不夠，就可能造成設(shè)計過程中出現(xiàn)錯誤、器械參數(shù)偏離預(yù)期的結(jié)果。

1.2.4 模型處理不當(dāng)

最常用的STL格式的網(wǎng)格化文件是將模型表面用大小不等的三角形相連接進(jìn)行覆蓋。網(wǎng)格數(shù)量過多將導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)量過大，增加存儲和打印機處理負(fù)擔(dān)，甚至造成打印故障。數(shù)量過少，模型表面會更加順滑，但會造成模型表面形狀數(shù)據(jù)丟失，降低模型精度，尤其是一些細(xì)節(jié)信息［18］。

1.2.5 打印前準(zhǔn)備不當(dāng)

層厚、打印速度以及模型在打印機床上的放置方向及角度等參數(shù)的設(shè)置直接影響成品的精度［19］。例如FDM 打印機需結(jié)合噴頭出絲的粗細(xì)設(shè)置合適的切片層厚，層厚過厚，模型精度過低［20］；層厚過薄，小于出絲直徑，打印機精度無法達(dá)到要求。模型在打印機床上的放置方向及角度影響模型的穩(wěn)定性，對懸空的部位或不易成型的結(jié)構(gòu)（如中空的血管）需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)過密，既費時費材料，也難以移除；支撐結(jié)構(gòu)過疏，不足以發(fā)揮支撐的作用，影響打印成型，可能發(fā)生變型［21］。

1.2.6 打印材料及設(shè)備的選擇不當(dāng)

器械材料的選擇需考慮其毒性、生物相容性、力學(xué)性能及成本等［22］。尤其對植入物，選擇不當(dāng)會對患者造成毒性或體內(nèi)發(fā)生斷裂等問題。用于醫(yī)患溝通或?qū)W習(xí)觀摩的模型可選擇熔融沉積成型（FDM）打印機打印PLA材料［23］；手術(shù)導(dǎo)航模板可選擇尼龍打印機；替代骨組織的植入物一般通過選擇性激光燒結(jié)打印機對金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)成型。除此之外，打印機的成型精度和成型尺寸也是重要考慮因素。打印機精度過低會造成器械力學(xué)性能和強度達(dá)不到要求。模型尺寸超過打印機成型范圍的，將會無法正常打印。有些打印機會對超出成型范圍的模型自動縮放尺寸來適應(yīng)打印機，如果在不知情情況下使用將會給患者造成傷害。

1.2.7 打印過程故障

該過程中，打印機需保持穩(wěn)定無故障。打印機一旦故障將造成打印中斷、成型不佳、變形、尺寸不符等問題。例如，美國退伍軍人事務(wù)部報道一例由于打印機噴頭堵塞，導(dǎo)致Z軸尺寸小于要求尺寸的案例。

1.2.8 后處理不當(dāng)

后處理階段主要對打印完成的器械進(jìn)行去除支撐結(jié)構(gòu)、填充及再固化、消毒滅菌及密封等步驟。后處理不當(dāng)將對模型性能和材料特性產(chǎn)生不利影響［24］。支撐結(jié)構(gòu)去除不完全，會影響成品表面結(jié)構(gòu)及性能。去除過程不當(dāng)可能損壞成品。打印完成后，成品可能存在固化不完全或存在孔隙等情況，還需進(jìn)行再固化。固化不足可能在部件上留下有毒樹脂，對患者造成傷害，或?qū)е聶C械強度不足，使用后意外故障；過度固化會導(dǎo)致成品膨脹或機械脆化。手術(shù)過程中使用的定制式醫(yī)療器械需進(jìn)行消毒滅菌。消毒滅菌不完全將造成患者感染；不當(dāng)?shù)南緶缇绞娇赡軐?dǎo)致器械因受熱而翹曲或熔化、脆性增加或殘留毒性。

1.2.9 手術(shù)實施錯誤

無論是何種用途，定制式醫(yī)療器械最終將由醫(yī)生用于患者，這就要求醫(yī)生對該器械的性能、用途、使用方法充分了解，尤其是用于外科手術(shù)的醫(yī)療器械。醫(yī)生應(yīng)對交付的成品進(jìn)行使用前確認(rèn)。一旦發(fā)生成品唯一標(biāo)識與患者信息不符，性能及尺寸不滿足預(yù)期用途、包裝破損、方向標(biāo)識存疑等情況，應(yīng)及時核實糾正，否則用于患者后將造成不同程度的傷害。對于通過手術(shù)使用的器械，應(yīng)由一定資質(zhì)的醫(yī)生實施，并對整個定制過程有很好的了解和掌握，盡量減少手術(shù)使用不當(dāng)或錯誤的風(fēng)險。

1.2.10 過程溝通與理解不足

該技術(shù)涉及醫(yī)學(xué)與工程兩大知識體系，包括解剖學(xué)、影像成像技術(shù)、影像診斷學(xué)、圖像處理、軟件使用、設(shè)計、材料學(xué)、3D打印技術(shù)等專業(yè)知識。醫(yī)生與工程師之間存在知識壁壘，醫(yī)生對圖像處理、軟件使用、設(shè)計及3D打印相關(guān)技術(shù)了解不夠，而工程師對解剖學(xué)、影像診斷等醫(yī)學(xué)知識掌握不深。因此造成工程師無法理解醫(yī)生的需求，無法設(shè)計出滿足臨床需要、保證臨床安全使用的器械。

2 預(yù)防措施及建議

針對以上原因分析，本研究主要從技術(shù)措施和管理措施兩個角度提出預(yù)防措施和建議，為臨床使用3D打印定制式醫(yī)療器械的患者安全提供參考。

2.1 技術(shù)措施

2.1.1 加強專業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)

3D打印是一種新型技術(shù)，將其用于個性化定制式醫(yī)療器械最早報道于2011年［25］，近幾年進(jìn)入應(yīng)用的迅速發(fā)展時期，亟待培養(yǎng)一批具有綜合知識體系的專業(yè)技術(shù)人員。因此要通過對相關(guān)人員進(jìn)行系統(tǒng)、全面的培訓(xùn)，為臨床醫(yī)師、放射醫(yī)師及3D打印相關(guān)工程師建立起醫(yī)工結(jié)合的完整的知識體系，才能將這項工作良性發(fā)展。依據(jù)3D打印過程中通常涉及到的內(nèi)容及作者實際工作經(jīng)驗，總結(jié)基礎(chǔ)知識體系包括：①醫(yī)學(xué)知識：人體解剖學(xué)、斷層解剖學(xué)、影像診斷學(xué)、影像檢查技術(shù)等；②軟件技術(shù)：影像數(shù)據(jù)三維重建軟件、計算機輔助設(shè)計軟件、3D打印切片軟件等；③3D打印知識：3D打印成型技術(shù)、3D打印材料性質(zhì)、材料消毒滅菌技術(shù)等；④相關(guān)法規(guī)知識。

此外，由于各科疾病治療的差異性，建議圖像處理與設(shè)計工程師參照臨床醫(yī)師進(jìn)行?？曝?fù)責(zé)，保證其?？祁I(lǐng)域的專業(yè)性。

2.1.2 加強人員溝通

在定制式醫(yī)療器械生產(chǎn)的整個過程中涉及的人員較多，包括臨床醫(yī)生、放射科醫(yī)生、模型設(shè)計和3D打印工程師等。需要通過充分的溝通來打破專業(yè)之間的知識與技術(shù)壁壘，達(dá)到信息對等。因此，在生產(chǎn)全過程中應(yīng)形成一個多向溝通、協(xié)同合作的團(tuán)隊，在知識及技術(shù)方面形成一個相互彌補的團(tuán)隊，來保證產(chǎn)品的質(zhì)量與患者的安全。

2.1.3 加強產(chǎn)品外觀與參數(shù)確認(rèn)

對最終提供給臨床的產(chǎn)品應(yīng)對照預(yù)期用途及設(shè)計參數(shù)進(jìn)行外觀與參數(shù)的確認(rèn)，如圖2所示。一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，應(yīng)對照2.2中各環(huán)節(jié)查找可能造成錯誤的原因并進(jìn)行修正。

圖2 產(chǎn)品外觀與參數(shù)確認(rèn)內(nèi)容

2.2 管理措施

減少工作過程中出現(xiàn)差錯的有效手段是工作流程標(biāo)準(zhǔn)化。定制式醫(yī)療器械生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)也應(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化，并將操作流程以標(biāo)準(zhǔn)化操作流程（Standard Operating Procedures，SOP）的形式進(jìn)行規(guī)范化，減少操作過程的隨意性，避免錯誤。一旦發(fā)生新的錯誤，應(yīng)分析其原因，對現(xiàn)有SOP進(jìn)行修正。從患者臨床環(huán)節(jié)到器械最終使用的全過程操作都應(yīng)進(jìn)行真實、規(guī)范記錄，將操作過程文件化，并進(jìn)行存檔，可以保證器械的溯源，并當(dāng)器械發(fā)生差錯時，便于通過記錄文件追溯差錯原因，并采取糾正和預(yù)防措施，使定制式醫(yī)療器械生產(chǎn)過程良性發(fā)展。

3 結(jié)論

定制式醫(yī)療器械的應(yīng)用在不斷被臨床醫(yī)生及患者所接受，也進(jìn)入快速發(fā)展的階段。美國、歐盟、澳大利亞、加拿大都先后制定了關(guān)于定制式醫(yī)療器械的監(jiān)管法規(guī)及注冊體系［26］。我國目前關(guān)于定制式醫(yī)療器械的監(jiān)管法規(guī)有2020年1月1日開始施行的《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）》，主要針對定制式醫(yī)療器械的備案、設(shè)計加工、使用階段的監(jiān)管做出相關(guān)規(guī)定，為定制式醫(yī)療器械的臨床應(yīng)用規(guī)范化起到了重要作用［27］。但目前我國仍沒有定制式醫(yī)療器械的技術(shù)方面的適用性指南和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，定制式醫(yī)療器械使用的適當(dāng)性、安全性仍無標(biāo)準(zhǔn)可參考。

本研究分析得到的患者安全因素涵蓋3D打印定制式醫(yī)療器械各個環(huán)節(jié)，相關(guān)從業(yè)人員可以參考造成這些安全因素的原因，在實際工作中通過加強技術(shù)水平和管理水平，盡量避免發(fā)生導(dǎo)致安全因素發(fā)生的操作，從而為臨床提供安全、有效、滿足預(yù)期需求的定制式醫(yī)療器械，最終有效保障患者使用安全。

由于定制式醫(yī)療器械臨床應(yīng)用時間較短，未達(dá)到廣泛普及，且臨床應(yīng)用病例有限，患者使用安全事件相關(guān)報道較少，因此無法進(jìn)行基于數(shù)據(jù)的患者安全因素分析，本研究偏重于文獻(xiàn)研究與實際工作經(jīng)驗總結(jié)，后續(xù)將進(jìn)一步基于數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀研究與深入分析。