1、3D 打印技术在妇产科的初步应用及设想 刘萍 1，陈兰 2，李鉴轶 2，陈春林 1*，段慧 1，孔祥雪 2，陈若兰 1，陈斌 3，唐雷 2（1.南方医科大学南方医院妇产科；2.南方医科大学人体解剖与组织胚胎教研室； 3.南方医科大学南方医院影像科，广州 510515）【摘要】目的：探索 3D 打印技术在妇产科中的初步应用并探讨其价值。 方法：选取一例妇科宫颈癌患者的 CT 血管成像（Computed tomo-angiography, CTA）图像数据集，利用数字化三维重建技术构建各组织三维模型，再利用 Z510 型号 3D 打印机按照 1:1 比例打印出数字化三维模型。结果：基于 CTA 医
2、学二维图像，成功构建并打印出患者的骨盆、动脉、静脉、输尿管及子宫的数字化三维模型，打印出的 3D 模型是真正的三维实物，1:1 还原了数字化三维模型。结论：3D 打印模型具有数字化三维模型一样的三维视觉功能，还具有可手动触摸、标记重要解剖结构的功能，为医学教学、临床、科研提供一种新的方法。【关键词】：数字化 三维重建 3D 打印 妇产科Preliminary ideasandapplication of 3D printing technology in gynecology and obstetricsLIU Ping CHEN Lan LI Jianyi CHEN Chunlin DUAN
3、 Hui KONG Xiangxue CHEN Ruolan WAGN Jianping TANG Lei ZHOGN Shizhen(Department of Obstetrics and Gynecology, department of radiology, Nanfang Hospital, department of Anatomy, South Medical University, Guangzhou 510515,China)Abstract: Objective To explore the application of 3D printing technology in
4、gynecology and obstetricsand to discuss its value. MethodsChoose one CTA image dataset of a patient with cervical cancer, constructing three-dimensional modelsof each organs using the digital three-dimensional reconstruction technology, then print out the digital 3D model with the same size as the m
5、odel displayed in computer with Z510 3D printer. Results Based on CTA two-dimensional image,we do successful reconstructionand print of thedigital 3D models of artery, vein, pelvis ureter and uterus, the printed out models are the real object, it is a the same size replica of the virtual reality mod
6、el.Conclusions 3D print model has 3D vision like 基金项目：国家自然科学基金（81272585） 、广东省自然科学基金（2011010003830） 、国家自然科学基金重大项目（61190120 61190122 )通信作者：陈春林，主任医师，教授，博士生导师，Email: function of the 3D reconstructed model, it is also has the feel of manualtouch, and do marks to an important anatomical structure, which w
7、ill provide a new method for medical education,clinical work, and scientific research.Keywords:digital; Three-dimensional reconstruction; 3D print; Obstetrics and gynecology随着医学科学的不断发展和现代科技的进步，号称为“第三次工业革命利器”的 3D 打印技术出现了，并迅速在工业制造领域取得广泛应用。现在，世界各国都在全力研究 3D 打印技术，已经覆盖多个领域，航空航天、军事工业、汽车制造等领域得到广泛应用。伴随生物材料技术
8、和医学影像技术的快速发展， 3D 打印技术在医学领域的应用也逐步引起了人们的关注。近年来，该项技术应用所涉领域也越来越多，从医学模型快速制造、脸部修饰与美容、组织器官代替品制造等方面，逐步在骨科、整形外科、口腔科等科室应用，而在妇产科中的应用还尚未见报道，本研究拟通过一例宫颈癌患者 CTA 影像数据，尝试打印出患者腹盆腔血管和子宫，探讨该项技术在妇产科的应用价值。资 料 与方法一、一般资料选取 2012 年 6 月因宫颈癌在南方医科大学南方医院住院并于影像中心行腹盆腔CTA 检查患者 1 例，年龄 49 岁，身高 157cm，体重 50.5kg，孕 5 产 3 流 1。二、方法1、数据采集：采
9、用德国西门子公司双源 CT（SOMATOM Definition)，优维显（370mgl/ml,德国先灵广州药业有限公司）及双筒高压注射器。患者取仰卧位，扫描范围从第十二胸椎上缘至股骨上段。先行常规平扫（平扫期），再应用对比剂示踪法（Bolus Tracking），选择感兴趣区（Region of Interest，ROI）动态监测 CT 值，设定当 ROI 内 CT 值达到 120Hu 时自动触发扫描（动脉期），间隔 26s 后行静脉期扫描（静脉期），再间隔 120s 行泌尿系扫描（泌尿期）。将各期图像插值处理至层厚为 1.0mm，并存储备份。2、盆腔数字化三维模型的构建：（1）骨盆数字化三
10、维模型：将拆薄后的CT 原始数据以 DICOM 的格式直接导入三维重建软件 Mimics10.01(Materialise 公司，比利时）中进行三维重建。参照刘萍等 5的报道，先用平扫期数据集构建出骨盆及腰骶椎的数字化三维模型后将其 STL 格式导出。（2）盆腔动脉血管网数字化三维模型：参照陈春林、段慧等 6把动脉期的数据及第一步获得的骨盆 STL 文件导入 Mimics 软件，通过布尔减法运算（Boolean Operation）计算出动脉血管网的蒙罩，经由三维重建（reconstruction）建出腹盆腔动脉血管网的数字化三维模型并以 STL 格式导出保存。（3）盆腔静脉血管网数字化三维模
11、型：参照陈春林、毛东瑞等把静脉期数据及前两步重建的骨盆、动脉血管网的 STL 文件导入 Mimics 软件，通过布尔减法运算得出静脉血管网的蒙罩，经三维计算得出盆腔静脉血管网数字化三维模型。（4）输尿管数字化三维模型：将泌尿期原始数据导入 Mimics 软件中，调整阈值至输尿管显影生成泌尿系蒙罩，经三维计算得出泌尿系数字三维模型。（5）盆腔脏器的数字化三维模型： 参照陈春林、王黎等 8利用软件中全频谱（full spectrum)视图功能，可清楚显示盆腔脏器的形态及边缘。通过逐层勾画（draw）膀胱、子宫、直肠轮廓，经三维重建可得出形象逼真的盆腔脏器三维模型并以 STL 格式导出并保存。（5）
12、配准融合：将构建好的骨盆、动脉血管网、静脉血管网、输尿管及盆腔三大脏器的三维模型的 STL 格式文件统一导入 Mimics 文件中，并用复位（reposition）工具进行配准，获得在体盆腔的数字化三维模型。3、三维模型的后处理和设计：将 STL 格式的动脉血管网和盆腔脏器三维模型导入 Geomagic Studio 11（Geomagic 公司，美国）软件中，利用软件中填充孔洞、平滑、去噪、磨砂等工具对模型进行后处理操作，使模型更平顺光整，轮廓更鲜明。根据南方医科大学解剖教研室 3D 打印机 Z510 的最大成型尺寸，对模型进行裁剪和设计支架和底座，以便细小血管分支有支撑，成型后模型能够取出
13、，最后经过布尔加法运算，支架及底座与盆腔模型融合，并以 STL 格式文件导出保存。4、3D 打印机打印：此打印机型号为 Z510，为 256 色真彩打印，打印材料为牙托粉或类似高分子材料（由 3D 打印设备生产公司提供），打印原理为粉末堆积，逐层增材制造成型。打印具体步骤简要介绍如下： 先给 3D 打印设备内的供给平板进行铺粉，添加打印胶水，检查设备等前期准备工作。 将处理和设计后的模型 STL 文件导入 3D 打印机自带的 Zprint 软件中，该软件可将不同组织器官按照需求设置成不同的颜色，同时定位需打印模型在打印成型板中的位置。 准备工作完成后，启动 3D 打印成型过程，通过打印设备在计
14、算机分层信息的控制下, 相应的成型头(激光头或喷头)按各层信息做扫描运动, 在工作台上将这些片层一层层堆积起来最后实现原模型的复制。 成型结束后，从成型板上小心取出打印的模型，放入烤箱进行烘烤 1-2 个小时。 取出烘烤后的模型，放入粉末循环系统进行除粉，用气枪吹去附着在模型上的粉末，同时用厂家提供的固化胶水对模型进行表面固化。5、为方便模型的携带和展示，需根据打印后模型的尺寸，设计有机玻璃盒放置模型。结 果基于 CTA 医学二维图像，成功构建出患者的骨盆、动脉、静脉、输尿管及子宫的数字化三维模型。通过软件导出功能，可以图片及动画的形式导出保存，该模型可三维旋转，以任意角度观察动静脉间及其与腰
15、骶椎间的关系，可以清楚的看到子宫动脉与子宫间的位置关系（如图 1）。经工程学 geomagic 软件进行优化处理后，模型则更显光滑，而且对于小血管还设计了相应的圆柱体支架作支撑，对于子宫血管网经打印前评估后还制作了底座支撑（如图 2）。经 3D打印后模型可一比一还原三维重建的立体模型，腹盆腔血管及腰骶椎模型大小为 12*10*15cm，共打印 1613 层，耗时 5.5 小时，子宫及其动脉模型大小为8*6*4cm，共 763 个层级，打印耗时 3 小时，打印模型不再局限于图片和动画的展示，而是真正的三维实物，可观可触，具有极强的视觉感和立体感（如图3）。讨 论一、3D 打印技术在医学领域的广泛
16、应用目前，3D 技术越来越多地进入我们的日常生活，军事、建筑、工业设计、娱乐等各方面都能见到 3D 技术的影子。同样，3D 技术的广泛应用也为医疗领域带来了巨大的变革，使医疗的可视化技术取得了很大的进步。在此基础上，3D 打印技术应运而生，使 3D 模型不仅可视，而且可触。该技术又称快速成型（Rapid Prototyping）技术，是集 CAD/CAM、数控技术、激光加工技术、自动控制技术和新型材料科学为一体的综合技术,是近十年来工业界的一次革命性与突破性的科技成果 9。采用该技术可以减少物理模型或样品乃至批量产品制造所用时间和成本，同时可以保证制造的高精度， 以满足相应的使用要求。而人体就
17、似一台高精密的仪器，医学就是一门高精度的学科，仅仅依靠传统的经验医学治病是远远不够的。近年来，随着材料学和影像技术的快速发展，3D 打印技术在医疗领域的应用已经越来越广泛，在教学方面是其在医学界最直接应用。各式各样的器官或组织 3D 模型的构建，使得原本枯燥且抽象的医学知识 ，变得具体而细微。更为立体的医学模型，也使医学生的学习变得轻松一些。在临床上，主要集中于医疗诊断和外科手术策划，可有效提高诊断和手术水平， 缩短时间， 节省费用。在骨科，采用快速成型技术制作三维医学模型是个真正的三维实物，不仅可使解剖特征具体化； 还使医生之间以及医生与病人之间易于交流， 病人易于理解医生策划的手术；并可进
18、行手术过程操练，如在模型上进行切除、 钻孔和重新定位等实践练习；除上，术者于术前还可在模型上精确地试装修复手术所需的板、 钉等， 以缩短手术时间。在整形外科、口颌面科，用 3D 打印技术可于术前制作器官移植物的阴模或母模，该模型可以作为移植物的原型，医生可于术前用此原型进行适合性检查，然后据其制作钛或塑料移植物 11。据报道，3D 打印在医疗领域应用可涉及下颌植入物、膝关节植入物等多种植入物及义肢的定制，还可复制器官，重建面部容貌，在烧伤及头部创伤治疗也有应用，除此，还可制造助听器，定制医学教学用具等 12-13。基于医学图像的快速成型技术是应用于复杂外科手术的规划和假体制作的有效方法。目前正
19、在研究的人工骨制作是快速成型技术非常有前景的一个应用领域，据报道，北京大学第三医院的研究团队在脊柱及关节外科领域研发出几十个打印脊柱外科植入物，其中颈椎椎间融合器、 颈椎人工椎体及人工髋关节已进入临床观察阶段 12。由此看来，该项技术在医学领域的应用将会越走越宽阔。二、3D 打印技术在妇产科的应用及价值3D 打印技术在妇产科的应用目前仍属空白，而妇产科是一门偏外科的临床学科，解剖知识的掌握十分重要，而传统的盆腔解剖知识的学习多半是基于尸体的解剖学习，众所周知，尸体来源稀少，无法满足反复利用反复学习的需求。包括铸型标本技术，也始终存在不能重复利用，只能看不能动的问题。再后来，人们开始利用手绘图片
20、、医学影像图片等来学习解剖，但是那些图片毕竟是二维的，而人体解剖结构是三维的，各组织间是有空间解剖关系的，对于非影像专业的医务人员，辨识仍有一定难度，学习难度高。数字医学技术的诞生，使得二维图像三维化，增强了大家对解剖关系的辨识度，但无论何种三维模型，都仅仅是屏幕上的三维展示，没有真正的三维实物感，对三维模型的任何操作也只是电脑上虚拟的。而 3D 打印技术的出现及 3D 打印机的发展，为解剖的学习提供了一个更佳的平台，除了能三维旋转地观察模型，还能切实的触摸模型，甚至在实体模型上实施简要的标记和操作，从而加强解剖知识的记忆。由此看来，3D 打印技术可广泛应用于妇产科医学教学中。随着材料学的进步
21、，利用 3D 打印技术可打印出与脏器，血管等柔韧度相类似的模型，基于此种模型，可以进行目前妇产科常做的腹腔镜手术训练，在具有解剖结构的腹盆腔模型上进行相关的手术操练，而非依靠硅胶样板块仅仅训练腹腔镜下缝针、打结等基本操作。三、3D 打印技术的前景展望3D打印是人类控制能力极限的挑战和展示，它的出现和发展，为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的制造手段。3D 打印出的模型不仅可作为课堂模型应用于教学，也可以制作成操作模型应用于培训，基于人体管道系统模型的构建，采用柔韧性高的打印材料，打印出有韧性的血管，将来为介入仿真手术的培训提供一个很好的方法。继续随着科技的发展，材料学的进
22、步，结合组织工程技术，普通3D打印技术将会向 3D生物打印前进，所谓3D生物打印就是整合生物学和3D打印技术制造人造器官或组织的过程。3D生物打印对于临床医学的价值远远高于普通3D打印，它不同于其他普通 3D打印技术在于它是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体组织。3D 生物打印技术将开创一个前所未有的造物新纪元，预示着一场医学新革命或将来临。从仿真医疗模型、生物医疗器械，到更具个性化的移植组织或器官，都将是3D 生物打印技术的目标。3D生物打印是3D打印技术在医学领域应用的最大前景，它可以最大化的服务于临床治疗中。各领域专家也都在向着这个远大的目标探索前进，虽路途遥远，但前途光明。参 考
23、 文 献1张强，邹德威，马华松，等快速成型脊柱模型在脊柱外科的初步应用J颈腰痛杂志，2007（06）：451-454 2李虎，杨建宇，崔坤鹏，等基于快速原型技术的颞下颌骨个性化修复J东北大学学报(自然科学版)，2011（12）：1757-17603王建华，尹庆水，夏虹，等计算机辅助设计快速成型技术在经口减压内固定手术中的应用J中华创伤骨科杂志，2011，13（8 ）：730-734 4马向阳，尹庆水，吴增晖，等应用数字计算机辅助设计快速成型技术指导翻修儿童寰枢椎术后复发脱位J脊柱外科杂志，2011（03）：153-1565刘萍，余艳红，陈春林，等CT扫描计算机三维重建女性骨盆的研究方法和应用J
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