數(shù)字化3D打印 開(kāi)啟創(chuàng)新醫(yī)療新時(shí)代

劉丹

如今，談到腫瘤都會(huì)讓人感到心有余悸，雖然隨著科技水平的不斷提高，全世界的醫(yī)療技術(shù)都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，然而，對(duì)于腫瘤的治療，目前最常見(jiàn)的治療方法仍是給患者帶來(lái)極大痛苦和經(jīng)濟(jì)壓力的放療、化療和手術(shù)治療等，尋求行之有效且痛苦小的治療方法已經(jīng)成為世界醫(yī)學(xué)界的一項(xiàng)重大課題。

創(chuàng)新3D科技在醫(yī)療行業(yè)中取得突破性進(jìn)展

提到3D打印，對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)已并不陌生。它是快速成型技術(shù)的一種，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用液態(tài)、粉末或?qū)嵭牟牧?，通過(guò)逐層凝固、熔化等“打印”的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。而提起數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)卻是鮮為人知的，該技術(shù)是將傳統(tǒng)醫(yī)療與數(shù)字化設(shè)計(jì)制造相結(jié)合形成的一門新興產(chǎn)業(yè)，與民生息息相關(guān)，必將在醫(yī)療行業(yè)掀起又一場(chǎng)革命性浪潮。

2013年，北京市委、市政府提出全面推進(jìn)北京市3D打印科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)培育的新要求，北京市科委提出《促進(jìn)北京市增材制造（3D）科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)培育的工作意見(jiàn)》，為此，北京工業(yè)大學(xué)成立了3D打印科技工作領(lǐng)導(dǎo)小組和專家聯(lián)合工作組，組建了“數(shù)字化醫(yī)療3D打印北京市國(guó)際科技合作基地中心”和“北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印工程技術(shù)研究中心”科研平臺(tái)，均獲得北京市科委正式批準(zhǔn)。他們以建立國(guó)內(nèi)首創(chuàng)和世界一流的“數(shù)字化醫(yī)療3D打印協(xié)同創(chuàng)新中心與服務(wù)平臺(tái)”為目標(biāo)，聯(lián)合國(guó)藥集團(tuán)、京城控股、北大口腔醫(yī)院等單位，牽頭成立了北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，創(chuàng)新機(jī)制體制，加大投入，承擔(dān)了市科委重大項(xiàng)目，圍繞腫瘤靶標(biāo)治療、口腔種植、義齒、顱腦、頷面與各科手術(shù)，醫(yī)療輔具等5大應(yīng)用目標(biāo)開(kāi)展工作。

為了給3D打印項(xiàng)目提供良好的科研環(huán)境，2013年12月，北京工業(yè)大學(xué)專門將學(xué)校新建的教學(xué)科研樓四層作為“3D打印中心”用房，面積近2000平方米。為了加快數(shù)字化醫(yī)療3D打印平臺(tái)建設(shè)，學(xué)校安排預(yù)算、購(gòu)置設(shè)備，目前已經(jīng)投入建設(shè)經(jīng)費(fèi)8000余萬(wàn)元，并取得了重大的階段性成果，他們開(kāi)發(fā)的數(shù)字化醫(yī)療3D打印模板導(dǎo)向技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院微創(chuàng)介入中心成功地為一名上頷囊癌患者實(shí)施了放射性粒子植入術(shù)，即組織間放療，受到社會(huì)高度關(guān)注。

在2013年和2014年舉辦的全國(guó)科技活動(dòng)周暨北京科技周活動(dòng)中，國(guó)務(wù)院副總理劉延?xùn)|，北京市委書(shū)記郭金龍，科技部長(zhǎng)萬(wàn)鋼，北京市長(zhǎng)王安順等領(lǐng)導(dǎo)，聽(tīng)取了北京工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)郭廣生、書(shū)記鄭吉春關(guān)于3D打印項(xiàng)目的介紹，并給予了肯定。這讓北京工業(yè)大學(xué)的課題研究團(tuán)隊(duì)成員更加充滿信心。

數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)的研究背景

關(guān)于數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)的研究背景，北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印國(guó)際合作交流基地主任、北京工業(yè)大學(xué)3D打印專家組副總工陳繼民教授給我們做了詳細(xì)介紹，他說(shuō)，目前治療腫瘤的方法主要是放療、化療和手術(shù)治療，但這些方法都存在著治療效果不明顯、痛苦大、副作用大等缺點(diǎn)。另外，在放化療的過(guò)程中，除了殺死癌細(xì)胞，同時(shí)還會(huì)殺死好細(xì)胞，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有有效的方法來(lái)分辨細(xì)胞的好壞。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)外曾經(jīng)提出一個(gè)方案，即直接將放射性粒子植入到腫瘤體里面殺死癌細(xì)胞，而不是從外進(jìn)行照射，這樣能夠準(zhǔn)確的殺死壞細(xì)胞。于是，針對(duì)前列腺癌癥這種相對(duì)來(lái)說(shuō)比較規(guī)則的腫瘤體，國(guó)外主要采用的是一種叫做影像導(dǎo)航的方法將放射粒子植入腫瘤內(nèi)部。所謂影像導(dǎo)航，就是通過(guò)超聲影像或CT掃描影像等觀察到腫瘤的位置，然后通過(guò)穿刺等方法一點(diǎn)點(diǎn)的將放射性粒子植入到腫瘤體里面去，從而達(dá)到殺死癌細(xì)胞的目的。這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是它的準(zhǔn)確性，同時(shí)，由于前列腺的形狀比較規(guī)則，腫瘤的形狀一般也比較簡(jiǎn)單，因此，植入準(zhǔn)確性也高。據(jù)了解，目前國(guó)外70%的前列腺癌都是采用這種方法治療，這種方法又被稱為“內(nèi)放療”。

但是，“內(nèi)放療”仍存在很多問(wèn)題，首先，每個(gè)放射性粒子殺死癌細(xì)胞的范圍是有限的，比如說(shuō)，如果用碘125的放射性粒子，這樣的粒子只有芝麻粒大小，那么大一點(diǎn)點(diǎn)的粒子僅能夠殺死周圍大概一點(diǎn)幾到兩厘米之間的腫瘤;另外，每個(gè)人的腫瘤形狀和大小都不一樣，那到底需要多少顆這樣的粒子、如何排布這些粒子才能把所有的腫瘤都?xì)⑺滥?？這就需要有一套準(zhǔn)確的計(jì)算方法，可以根據(jù)腫瘤的大小和形狀，計(jì)算出來(lái)一顆腫瘤大概需要多少顆這樣的放射性粒子，這樣就能將放射性粒子分布到腫瘤體里面，從而殺死腫瘤，同時(shí)對(duì)周圍正常的組織幾乎不產(chǎn)生任何影響或者說(shuō)將影響降到最小。雖然這種“內(nèi)放療”方案很早就提出過(guò)，但是由于腫瘤形狀不規(guī)則，如何將粒子正好按照醫(yī)生的設(shè)想分布到腫瘤體中仍是最大的難題，所以這種治療方法提出來(lái)以后并沒(méi)有得到大規(guī)模的推廣。

為了打破這一技術(shù)瓶頸，2013年7月以來(lái)，北京工業(yè)大學(xué)與北京市科委、中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)等企業(yè)和醫(yī)院經(jīng)過(guò)多次交流和探討，提出運(yùn)用3D打印這一創(chuàng)新技術(shù)，并共同形成了“數(shù)字化醫(yī)療3D打印關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展計(jì)劃”，從而開(kāi)始了數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)治療腫瘤的原理及臨床實(shí)踐

陳繼民教授介紹說(shuō)，數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)治療腫瘤是將傳統(tǒng)醫(yī)療與數(shù)字化設(shè)計(jì)制造相結(jié)合產(chǎn)生的，其治病原理和國(guó)外提出的方法是一樣的，主要是通過(guò)計(jì)算得知?dú)⑺酪粋€(gè)腫瘤需要多少顆放射性粒子，然后采用3D打印的方法打印出一個(gè)手術(shù)導(dǎo)板。所謂手術(shù)導(dǎo)板實(shí)際上類似一個(gè)輔助的醫(yī)療器械工具，這種輔助工具是按照病人腫瘤的形狀和大小做出一個(gè)導(dǎo)向模，這樣，當(dāng)醫(yī)生在做放射性粒子植入的時(shí)候，就可以按照這個(gè)導(dǎo)向模很準(zhǔn)確地將放射性粒子植進(jìn)去，這是最初的設(shè)想。

2014年，北京工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的“3D打印腫瘤醫(yī)療導(dǎo)板成型裝備及檢測(cè)設(shè)備工程樣機(jī)研制”項(xiàng)目取得突破性進(jìn)展，并將其開(kāi)發(fā)的數(shù)字化醫(yī)療3D打印模板導(dǎo)向技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院微創(chuàng)介入中心應(yīng)用，成功為一名上頜面腫瘤患者實(shí)施了放射性粒子植入術(shù)，即組織間放療。陳繼民說(shuō)，所謂頜面腫瘤就是腫瘤長(zhǎng)在臉部，如果用手術(shù)的方法把腫瘤挖掉，整個(gè)臉就會(huì)完全變形，而且那是一位女性患者，已經(jīng)失去了手術(shù)的時(shí)機(jī)，其本人也不愿意做手術(shù)。因此，他們給這位患者實(shí)施了數(shù)字化醫(yī)療3D打印輔助“內(nèi)放療”技術(shù)治療。他們首先用CT掃描了腫瘤的形狀，掃描完后進(jìn)行三維重建，這時(shí)頭蓋骨的形狀就出來(lái)了，當(dāng)時(shí)患者的腫瘤長(zhǎng)在眼睛附近，長(zhǎng)了腫瘤以后使臉部發(fā)生了很大的變形。因此，他們首先根據(jù)腫瘤大小和形狀設(shè)計(jì)好醫(yī)療導(dǎo)板，然后通過(guò)3D打印技術(shù)將導(dǎo)板打印出來(lái)，再根據(jù)導(dǎo)板的形狀進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果運(yùn)用穿刺手術(shù)的方法將一個(gè)很小的放射性粒子直接穿進(jìn)去，并把它布置在腫瘤的范圍里面。在手術(shù)期間，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的方向一個(gè)個(gè)把放射性粒子植到腫瘤體里面，這整個(gè)過(guò)程都是用3D打印技術(shù)來(lái)完成的，他們用這種方式，真正實(shí)現(xiàn)了“靶標(biāo)治療”，取得了良好的效果。