供稿人:毛茅 賀健康 發(fā)布日期：2018-04-30
3D打印技術(shù)在術(shù)前疾病診斷和手術(shù)規(guī)劃中已經(jīng)逐漸得到廣泛應(yīng)用，但目前大多是沒(méi)有功能特征的靜態(tài)模型。明尼蘇達(dá)大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)械工程副教授Michael McAlpine團(tuán)隊(duì)打印出無(wú)論是從外觀還是感覺(jué)上都類(lèi)似人類(lèi)前列腺器官的完美復(fù)制品，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。通過(guò)3D打印技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)人體器官外觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能，還可以根據(jù)需求包含柔軟的傳感器。這些傳感器提供實(shí)時(shí)的反饋信息，定量評(píng)價(jià)醫(yī)生在3D打印模型上進(jìn)行手術(shù)操作時(shí)的力度。
圖1. 3D打印復(fù)合傳感器的前列腺模型及功能示意圖
在這篇文章當(dāng)中，研究人員通過(guò)以下六個(gè)步驟用于開(kāi)發(fā)先進(jìn)的3D打印前列腺模型：（1）收集和分析前列腺組織的器官解剖和性質(zhì)，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)機(jī)械性能，硬度和光學(xué)反射；（2）基于組織數(shù)據(jù)的定制聚合物油墨的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以及具有組織物理性質(zhì)的油墨保真度分析; （3）前列腺模型的3D打印和解剖學(xué)保真度分析; （4）研究將3D打印前列腺模型應(yīng)用于器官物理行為定量預(yù)測(cè)的高級(jí)外科手術(shù)，并與相應(yīng)的有限元方法（FEM）模擬進(jìn)行比較; （5）3D打印軟觸覺(jué)傳感器集成在模型表面和內(nèi)部; （6）通過(guò)應(yīng)用診斷和手術(shù)工具研究3D打印前列腺模型的實(shí)際和定量方面，作為高級(jí)外科手術(shù)輔助手段。
圖2. 3D打印復(fù)合傳感器的前列腺實(shí)物模型
3D打印的前列腺模型在解剖學(xué)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)，硬度和光學(xué)性質(zhì)方面表現(xiàn)出對(duì)患者器官和組織的高保真度。因此，該前列腺模型可以幫助醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員更加有效地進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和排練，并更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)器官的物理行為。仿人體組織的質(zhì)感可以幫助學(xué)生更好地感知真實(shí)器官，學(xué)習(xí)如何提升手術(shù)技巧。另外，柔韌的尿道提供了在器官通道內(nèi)用工具練習(xí)的可能性。這相對(duì)于過(guò)去的人造器官模型是非常大的進(jìn)步，過(guò)去的模型通常是由堅(jiān)硬的、不真實(shí)的塑料制造而成的。最后，3D打印前列腺模型內(nèi)部和表面復(fù)合3D打印的柔軟觸覺(jué)傳感器使手術(shù)操作的評(píng)價(jià)形成定量反饋。
在未來(lái)，研究人員想要開(kāi)發(fā)出更復(fù)雜的器官，并開(kāi)始考慮引入缺陷和畸形的問(wèn)題。比如，他們能夠基于過(guò)去的篩查結(jié)果向器官模型中加入患者特有的炎癥或腫瘤，使得醫(yī)生們可以更好地觀察到干預(yù)措施的效果并進(jìn)行準(zhǔn)備。