3D打印技術(shù)在耳科學(xué)的應(yīng)用

喻唯唯 俞晨杰 ，2，3 高下 ，2，3

1南京醫(yī)科大學(xué)附屬鼓樓臨床醫(yī)學(xué)院耳鼻咽喉頭頸外科（南京210008）

2南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，江蘇省醫(yī)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科（南京210008）

3南京鼓樓醫(yī)院耳鼻咽喉研究所（南京210008）

3D打?。═hree-Dimensional Printing，3DP）技術(shù)又稱“添加制造”（Additive Manufacturing）技術(shù)，是一種與傳統(tǒng)的“減材制造”技術(shù)相反，基于三維數(shù)字模型，采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來(lái)的工藝[1]。美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”。3D打印的概念最早提出于20世紀(jì)80年代，1994年美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明了3D打印技術(shù)并申請(qǐng)專利，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的正式問(wèn)世。但是早期的3D打印技術(shù)由于打印材料限制、價(jià)格高昂、效率低下等原因難以普及應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、高效設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)、新型材料的問(wèn)世等，3D打印技術(shù)以“靈活塑形”、“快速成型”等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多的被應(yīng)用于包括生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。本文就3D打印技術(shù)在耳科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用作一綜述。

1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基本原理

3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基本原理是：利用醫(yī)學(xué)影像學(xué)檢查例如CT、MRI、PET-CT（Posi?tron emission tomography，正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像）以及光學(xué)掃描等技術(shù)獲得全面、清晰的個(gè)體信息資料，再通過(guò)計(jì)算機(jī)三維重建軟件（如MIMICS，F(xiàn)itMe等）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，繪制模型數(shù)據(jù)，然后將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)能讀的G代碼文件，最后導(dǎo)入3D打印機(jī)自下而上地完成打印[2-4]。根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)及成形方法，3D打印技術(shù)可以分為熔融沉積成形(Fused Deposition Mod?eling,FDM)、光固化立體成形(Stereolithography Ap?paratus,SLA)、分層實(shí)體制造(Laminated Object Man?u facturing,LOM)、電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Melting，EBM)、激光選區(qū)熔化(Selective Laser Sinter?ing,SLS)、金屬激光熔融沉積(Laser Direct Melting Deposition，LDMD)、電子柬熔絲沉積成形(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF)[5]。

2 3D打印技術(shù)在耳科教學(xué)與解剖訓(xùn)練方面的應(yīng)用

2.1 顳骨3D打印模型的教學(xué)應(yīng)用：顳骨是人體中最為復(fù)雜、精密的骨性結(jié)構(gòu)之一，屬于側(cè)顱底的一部分，不僅有腦神經(jīng)、頸內(nèi)動(dòng)靜脈等重要的神經(jīng)、血管穿行其中，與聽覺、平衡覺相關(guān)的重要終末器官也暗含在內(nèi)，且腔隙狹窄、位置較深、容易發(fā)生解剖變異。基于上述特點(diǎn)，傳統(tǒng)二維圖像的教學(xué)具有很大局限性，隨著3D打印技術(shù)的問(wèn)世及發(fā)展，醫(yī)學(xué)教學(xué)迎來(lái)了“新氣象”。Suzuki等[6-8]采用3D打印技術(shù)分別制造出了雙倍尺寸的顳骨模型和三倍尺寸的內(nèi)耳模型，清晰的還原了骨迷路、聽骨鏈等結(jié)構(gòu)，把此模型與教學(xué)視頻相結(jié)合，學(xué)生們能夠更加直觀的掌握解剖定位。此外，利用3D打印模型這一媒介，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典病例及罕見病例的復(fù)制還原，突破了標(biāo)準(zhǔn)化顳骨模具無(wú)法實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的局限性，將解剖變異帶入臨床教學(xué)，幫助學(xué)生們更好地理解。

2.2 顳骨3D打印模型的解剖訓(xùn)練應(yīng)用：對(duì)于耳鼻咽喉科醫(yī)師，尤其是耳顯微外科和側(cè)顱底外科醫(yī)師，熟練掌握顳骨解剖結(jié)構(gòu)并與CT顯像結(jié)合形成顳骨重要解剖結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象概念至關(guān)重要。傳統(tǒng)的顳骨解剖訓(xùn)練以尸頭為主，但是解剖材料（尸頭）相當(dāng)匱乏，價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約了顳骨實(shí)體解剖訓(xùn)練、影響耳科醫(yī)師臨床技能的提高。有文獻(xiàn)報(bào)道，綿羊的顳骨可用于人工耳蝸植入術(shù)和鐙骨切除術(shù)的技能訓(xùn)練，但考慮到兩者的耳蝸長(zhǎng)度、螺旋神經(jīng)元的平均直徑、電刺激等方面都存在差異，綿羊顳骨在解剖訓(xùn)練方面的作用十分有限[9-10]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)的發(fā)展，許多國(guó)家開發(fā)出了基于力反饋技術(shù)的計(jì)算機(jī)虛擬顳骨模型，打破了傳統(tǒng)解剖訓(xùn)練的時(shí)間、空間、次數(shù)限制，且虛擬的手術(shù)系統(tǒng)還可以評(píng)估操作者的手術(shù)水平[11-13]。但VR技術(shù)尚不完全具備真實(shí)的三維性，仿真度欠佳，操作者不能使用真實(shí)的手術(shù)器械，無(wú)法體會(huì)真實(shí)的鉆磨觸感，因而尚未獲廣泛應(yīng)用。3D打印顳骨模型的問(wèn)世很大程度上解決了這些問(wèn)題。Hoch?man等[14]利用3D打印技術(shù)制造的顳骨模型，可用來(lái)練習(xí)乳突切除術(shù)、后鼓室切開術(shù)等，模型中模擬面神經(jīng)的導(dǎo)線為表里雙色，練習(xí)過(guò)程中如果面神經(jīng)受損操作者能立即知曉。Bakhos等[15]制造的3D模型可用于中耳假體植入術(shù)的訓(xùn)練。Roosli等[16]制造的顳骨模型展現(xiàn)了人工耳蝸植入術(shù)必不可少的解剖細(xì)節(jié)，包括耳蝸管腔結(jié)構(gòu)和延展的顳骨鱗部等結(jié)構(gòu)，此模型被認(rèn)為在人工耳蝸植入術(shù)的解剖訓(xùn)練方面不遜色于尸體顳骨。

對(duì)于3D打印顳骨模型優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，我們通常使用表面效度和內(nèi)容效度這兩個(gè)方面：①如果該模型具有原型的外觀、聲音、感覺等特征，那么該模型就具有良好的表面效度[17]。模型的硬度、深度感觸、解剖結(jié)構(gòu)的完整度、細(xì)微結(jié)構(gòu)的辨識(shí)度、以及操作過(guò)程中操作者的鉆磨觸感、聽覺反饋、骨粉和沖洗液混合物的仿真度等都能作為3D打印顳骨模型表面效度的評(píng)價(jià)內(nèi)容[18]。②相類似地，如若該顳骨模型有益于相應(yīng)的臨床教學(xué)和解剖技能培訓(xùn)，則其擁有滿意的內(nèi)容效度[19]。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括模型能否提升學(xué)員的解剖技能、提高眼-手的協(xié)調(diào)性、是否為有效的訓(xùn)練工具等方面。不足的是表面效度和內(nèi)容效度的測(cè)評(píng)都具有一定的主觀性，測(cè)評(píng)內(nèi)容難以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單量化，需要進(jìn)一步探索建立一套客觀統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法。

3D打印顳骨模型所用的打印材料種類很多，如：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acryloni?trile-butadi?ene-styrene,ABS)塑料、液態(tài)光敏樹脂、各種熱塑性材料等等[18]。但目前使用較多的是石膏粉末，基于微噴射原理，通過(guò)改變粘合劑濃度、類型，再借助不同顏色的染料，利用分層打印再組裝的技術(shù)制造出3D模型，后期再采用壓縮空氣法將殘留在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的多余材料清除，如此制作出的顳骨模型可以再現(xiàn)頸內(nèi)動(dòng)脈、乙狀竇、前庭等重要結(jié)構(gòu)[16]，而且廉價(jià)的打印材料有利于技術(shù)的普及。

雖然3D打印顳骨模型優(yōu)點(diǎn)頗多，但其發(fā)展仍受很多因素的限制。例如：①新型打印材料的缺乏：目前最常見的石膏3D打印顳骨模型質(zhì)地偏軟，硬度不如尸體顳骨[20-21]。而且國(guó)內(nèi)缺乏關(guān)于3D打印材料的標(biāo)準(zhǔn)，大多依賴于進(jìn)口。②打印技術(shù)不夠精準(zhǔn)：由于顳骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)含許多細(xì)小結(jié)構(gòu)，目前的3D打印技術(shù)容易導(dǎo)致聽小骨塑形不全或互相融合固定[19，21]，細(xì)微結(jié)構(gòu)如鐙骨、鼓索等難以再現(xiàn)或無(wú)法辨認(rèn)等[16,19]。③打印成本高昂：不僅打印材料價(jià)格昂貴，而且相應(yīng)配套的3D打印設(shè)備價(jià)格更是從數(shù)萬(wàn)元到數(shù)千萬(wàn)元人民幣不等。④工作效率低下：目前的技術(shù)模型設(shè)計(jì)和制作時(shí)間較長(zhǎng)，平均需要3天左右，耗時(shí)太長(zhǎng)[22]。

3 3D打印技術(shù)在耳科術(shù)前規(guī)劃與手術(shù)模擬方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬時(shí)，即手術(shù)前的“帶妝彩排”[23]，可以為復(fù)雜病變患者提供個(gè)性化的手術(shù)治療方案?；贑T、MRI等所得影像學(xué)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件、利用3D打印技術(shù)所制作的3D打印模型不僅能提供可視化立體結(jié)構(gòu)，真實(shí)地再現(xiàn)了病灶部位及周圍毗鄰關(guān)系，而且可以在模型上反復(fù)進(jìn)行模擬手術(shù)，預(yù)判術(shù)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，個(gè)性化定制手術(shù)方案，規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)、縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)質(zhì)量、減輕病人痛苦[4,18]。同時(shí)利用3D打印模型可以更好地與患者及其家屬做好術(shù)前溝通。

基于顳骨解剖結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，顳骨部位的手術(shù)對(duì)耳科醫(yī)師臨床技能的要求極高，利用3D打印顳骨模型，術(shù)前在模型上進(jìn)行手術(shù)模擬，不僅可以讓手術(shù)醫(yī)師做到“心中有丘壑”，而且個(gè)性化的治療方案更能提高手術(shù)的安全性。國(guó)內(nèi)外均已有專家將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜顳骨病變患者的術(shù)前規(guī)劃與模擬手術(shù)。Suzuki團(tuán)隊(duì)[24]曾將兩例先天性外耳道閉鎖患兒的顳骨CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，再利用3D打印技術(shù)制作出顳骨及內(nèi)耳模型。在其中一名患兒的顳骨模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，不僅證實(shí)了CT片上發(fā)育不良的中耳裂，且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了異位的卵圓窗、前置的面神經(jīng)垂直段、以及后半規(guī)管發(fā)育畸形，模型提示手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高，為醫(yī)生的臨床決策提供依據(jù)。同樣在另一名患兒的3D模型上進(jìn)行手術(shù)模擬，預(yù)示手術(shù)效果良好，患兒術(shù)后聽力有提高，證實(shí)了術(shù)前的判斷。楊靜雅等[25]在術(shù)前利用3D打印技術(shù)制備了2例慢性中耳炎患者的顳骨模型并進(jìn)行了模擬手術(shù)，其中1例模型可見膽脂瘤緊貼硬腦膜，提醒術(shù)中清除病變組織時(shí)要注意避免損傷硬腦膜。另1例顳骨模型顯示病變范圍局限且聽骨鏈完整，提示手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)比較低。

4 3D打印技術(shù)在耳科修復(fù)重建方面的應(yīng)用

近年來(lái)3D打印技術(shù)聯(lián)合數(shù)字建模在外科領(lǐng)域尤其是骨科、頜面外科的應(yīng)用越來(lái)越成熟，為組織與器官缺損的修復(fù)重建提供了重要的技術(shù)支持[26-28]。而其在耳鼻咽喉頭頸外科的應(yīng)用也逐漸嶄露頭角。

耳廓是個(gè)包括很多亞單位結(jié)構(gòu)的器官，先天性小耳郭畸形耳再造術(shù)需在一期手術(shù)時(shí)就塑造出外耳輪、對(duì)耳輪、舟狀窩、三角窩、耳甲腔、耳屏、對(duì)耳屏、耳屏間切跡等亞單位結(jié)構(gòu)，再加上不同患者耳廓的個(gè)體差異性很大，這就為術(shù)者雕刻肋軟骨、塑造耳支架帶來(lái)了很大困難[29]。梁久龍等[29-31]在術(shù)前對(duì)患者的肋軟骨和健側(cè)耳進(jìn)行三維CT掃描，將影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理再利用3D打印技術(shù)得到個(gè)體化的同側(cè)肋軟骨、健側(cè)耳軟骨及健側(cè)耳的3D模型，這樣一期手術(shù)時(shí)術(shù)者不僅可以依據(jù)肋軟骨模型選取肋軟骨的位置、設(shè)計(jì)需取出的肋軟骨長(zhǎng)度，而且在進(jìn)行肋軟骨雕刻和耳支架塑形時(shí)有了具體參照物，避免了傳統(tǒng)手術(shù)方法的盲目性和隨意性，提高了手術(shù)效率。此外，“量身定制”的3D模型可提高與健側(cè)耳的對(duì)稱性和相似度。對(duì)于二期手術(shù)，依據(jù)鏡像耳模型和一期手術(shù)再造的耳模型厚度，再次模擬出再造耳二期手術(shù)中所需支架的外形和厚度，從而使再造的耳廓顱耳角與健側(cè)一致。Roberto等[32]術(shù)前采集患者健側(cè)耳的影像學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字化處理、倒置后形成對(duì)側(cè)的模型，通過(guò)加深舟狀窩、三角窩等結(jié)構(gòu)來(lái)凸顯模型的輪廓感，再將其進(jìn)行數(shù)字解構(gòu)、分離出單獨(dú)的耳廓成分進(jìn)行重建最后得到對(duì)側(cè)3D耳廓模型，可直接作為“指南”引導(dǎo)術(shù)者進(jìn)行塑形。此外，Kozin等[33]指出應(yīng)用3D打印技術(shù)，分別以聚二甲硅氧烷、聚乳酸、聚己酸內(nèi)酯為原料構(gòu)建鼓膜支架，后再以纖維蛋白-膠原復(fù)合水凝膠進(jìn)行填充，此方法制造的鼓膜移植后較顳淺筋膜具有更強(qiáng)的抗變性，且無(wú)需另行采集皮瓣,避免了額外的手術(shù)切口。

5 展望

目前，基于影像學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確還原使3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)、解剖訓(xùn)練以及術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬方面的應(yīng)用得以迅速發(fā)展。將來(lái)如果能將VR技術(shù)與3D打印模型相結(jié)合，以3D打印模型來(lái)解決虛擬技術(shù)缺乏三維性和仿真感的問(wèn)題，用虛擬技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)3D打印模型細(xì)微結(jié)構(gòu)難以再現(xiàn)或無(wú)法辨認(rèn)的不足。相信通過(guò)兩者的互補(bǔ)，3D打印技術(shù)定能更好地應(yīng)用于解剖訓(xùn)練以及模擬手術(shù)等方面。再者，對(duì)于器官打印，最大障礙就是如何制作一個(gè)輸送氧氣、清除代謝廢物的血管網(wǎng)絡(luò)[34]。隨著新型材料的研發(fā)，可以利用3D打印技術(shù)以生物材料構(gòu)建血管結(jié)構(gòu)[35-36]，再將生物相容性支架材料、甚至細(xì)胞或生長(zhǎng)因子等按照計(jì)算機(jī)指令逐層打印、組裝[37]，構(gòu)造出有生理功能的可植入物（如個(gè)性化的聽骨鏈、耳蝸等），用以修復(fù)人體受損組織或器官，有望實(shí)現(xiàn)有生命的人體組織的原位修復(fù)。另外，如若能再與克隆技術(shù)相結(jié)合，不僅有望解決移植過(guò)程出現(xiàn)的排異反應(yīng)，而且能夠在不違背醫(yī)學(xué)倫理原則的情況下，為新藥研制提供生物標(biāo)本，從而獲得準(zhǔn)確、詳細(xì)的研究數(shù)據(jù)。有理由相信，全面融合材料學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和組織工程學(xué)的3D打印技術(shù)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)必會(huì)給醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多的沖擊，而其在耳科領(lǐng)域的應(yīng)用也必將更加深入、多元化，其潛在價(jià)值待有志之士進(jìn)一步挖掘。

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