数字化3D打印 开启创新医疗新时代

刘丹

如今，谈到肿瘤都会让人感到心有余悸，虽然随着科技水平的不断提高，全世界的医疗技术都得到了长足的发展，然而，对于肿瘤的治疗，目前最常见的治疗方法仍是给患者带来极大痛苦和经济压力的放疗、化疗和手术治疗等，寻求行之有效且痛苦小的治疗方法已经成为世界医学界的一项重大课题。

创新3D科技在医疗行业中取得突破性进展

提到3D打印，对于很多人来说已并不陌生。它是快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用液态、粉末或实心材料，通过逐层凝固、熔化等“打印”的方式来构造物体的技术，已经广泛应用于工业设计等领域。而提起数字化医疗3D打印技术却是鲜为人知的，该技术是将传统医疗与数字化设计制造相结合形成的一门新兴产业，与民生息息相关，必将在医疗行业掀起又一场革命性浪潮。

2013年，北京市委、市政府提出全面推进北京市3D打印科技创新与产业培育的新要求，北京市科委提出《促进北京市增材制造（3D）科技创新与产业培育的工作意见》，为此，北京工业大学成立了3D打印科技工作领导小组和专家联合工作组，组建了“数字化医疗3D打印北京市国际科技合作基地中心”和“北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心”科研平台，均获得北京市科委正式批准。他们以建立国内首创和世界一流的“数字化医疗3D打印协同创新中心与服务平台”为目标，联合国药集团、京城控股、北大口腔医院等单位，牵头成立了北京市数字化医疗3D打印产业联盟，创新机制体制，加大投入，承担了市科委重大项目，围绕肿瘤靶标治疗、口腔种植、义齿、颅脑、颔面与各科手术，医疗辅具等5大应用目标开展工作。

为了给3D打印项目提供良好的科研环境，2013年12月，北京工业大学专门将学校新建的教学科研楼四层作为“3D打印中心”用房，面积近2000平方米。为了加快数字化医疗3D打印平台建设，学校安排预算、购置设备，目前已经投入建设经费8000余万元，并取得了重大的阶段性成果，他们开发的数字化医疗3D打印模板导向技术在内蒙古自治区肿瘤医院微创介入中心成功地为一名上颔囊癌患者实施了放射性粒子植入术，即组织间放疗，受到社会高度关注。

在2013年和2014年举办的全国科技活动周暨北京科技周活动中，国务院副总理刘延东，北京市委书记郭金龙，科技部长万钢，北京市长王安顺等领导，听取了北京工业大学校长郭广生、书记郑吉春关于3D打印项目的介绍，并给予了肯定。这让北京工业大学的课题研究团队成员更加充满信心。

数字化医疗3D打印技术的研究背景

关于数字化医疗3D打印技术的研究背景，北京市数字化医疗3D打印国际合作交流基地主任、北京工业大学3D打印专家组副总工陈继民教授给我们做了详细介绍，他说，目前治疗肿瘤的方法主要是放疗、化疗和手术治疗，但这些方法都存在着治疗效果不明显、痛苦大、副作用大等缺点。另外，在放化疗的过程中，除了杀死癌细胞，同时还会杀死好细胞，因为目前还没有有效的方法来分辨细胞的好坏。为了解决这些问题，国外曾经提出一个方案，即直接将放射性粒子植入到肿瘤体里面杀死癌细胞，而不是从外进行照射，这样能够准确的杀死坏细胞。于是，针对前列腺癌症这种相对来说比较规则的肿瘤体，国外主要采用的是一种叫做影像导航的方法将放射粒子植入肿瘤内部。所谓影像导航，就是通过超声影像或CT扫描影像等观察到肿瘤的位置，然后通过穿刺等方法一点点的将放射性粒子植入到肿瘤体里面去，从而达到杀死癌细胞的目的。这种方式最大的优点就是它的准确性，同时，由于前列腺的形状比较规则，肿瘤的形状一般也比较简单，因此，植入准确性也高。据了解，目前国外70%的前列腺癌都是采用这种方法治疗，这种方法又被称为“内放疗”。

但是，“内放疗”仍存在很多问题，首先，每个放射性粒子杀死癌细胞的范围是有限的，比如说，如果用碘125的放射性粒子，这样的粒子只有芝麻粒大小，那么大一点点的粒子仅能够杀死周围大概一点几到两厘米之间的肿瘤;另外，每个人的肿瘤形状和大小都不一样，那到底需要多少颗这样的粒子、如何排布这些粒子才能把所有的肿瘤都杀死呢？这就需要有一套准确的计算方法，可以根据肿瘤的大小和形状，计算出来一颗肿瘤大概需要多少颗这样的放射性粒子，这样就能将放射性粒子分布到肿瘤体里面，从而杀死肿瘤，同时对周围正常的组织几乎不产生任何影响或者说将影响降到最小。虽然这种“内放疗”方案很早就提出过，但是由于肿瘤形状不规则，如何将粒子正好按照医生的设想分布到肿瘤体中仍是最大的难题，所以这种治疗方法提出来以后并没有得到大规模的推广。

为了打破这一技术瓶颈，2013年7月以来，北京工业大学与北京市科委、中国医药集团等企业和医院经过多次交流和探讨，提出运用3D打印这一创新技术，并共同形成了“数字化医疗3D打印关键技术与应用协同创新与产业化发展计划”，从而开始了数字化医疗3D打印技术的研究开发。

数字化医疗3D打印技术治疗肿瘤的原理及临床实践

陈继民教授介绍说，数字化医疗3D打印技术治疗肿瘤是将传统医疗与数字化设计制造相结合产生的，其治病原理和国外提出的方法是一样的，主要是通过计算得知杀死一个肿瘤需要多少颗放射性粒子，然后采用3D打印的方法打印出一个手术导板。所谓手术导板实际上类似一个辅助的医疗器械工具，这种辅助工具是按照病人肿瘤的形状和大小做出一个导向模，这样，当医生在做放射性粒子植入的时候，就可以按照这个导向模很准确地将放射性粒子植进去，这是最初的设想。

2014年，北京工业大学承担的“3D打印肿瘤医疗导板成型装备及检测设备工程样机研制”项目取得突破性进展，并将其开发的数字化医疗3D打印模板导向技术在内蒙古自治区肿瘤医院微创介入中心应用，成功为一名上颌面肿瘤患者实施了放射性粒子植入术，即组织间放疗。陈继民说，所谓颌面肿瘤就是肿瘤长在脸部，如果用手术的方法把肿瘤挖掉，整个脸就会完全变形，而且那是一位女性患者，已经失去了手术的时机，其本人也不愿意做手术。因此，他们给这位患者实施了数字化医疗3D打印辅助“内放疗”技术治疗。他们首先用CT扫描了肿瘤的形状，扫描完后进行三维重建，这时头盖骨的形状就出来了，当时患者的肿瘤长在眼睛附近，长了肿瘤以后使脸部发生了很大的变形。因此，他们首先根据肿瘤大小和形状设计好医疗导板，然后通过3D打印技术将导板打印出来，再根据导板的形状进行模拟，根据计算结果运用穿刺手术的方法将一个很小的放射性粒子直接穿进去，并把它布置在肿瘤的范围里面。在手术期间，必须严格按照设计的方向一个个把放射性粒子植到肿瘤体里面，这整个过程都是用3D打印技术来完成的，他们用这种方式，真正实现了“靶标治疗”，取得了良好的效果。