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3D打印成手术室试金石

上一篇 作者:冯柯 来源:周末画报 [845期 A20] 更新日期:2015-02-25 下一篇

3D打印技术发展至今已成为一些医院准备手术时不可或缺的一部分—不仅病人和家属能手把手地感知到手术将如何改变身体,医生在逼真的打印模型下也能充分演练,到真正手术时已胸有成竹。本文的主人公维尔莱特就是这样在3D打印技术助力下获得了新的一面。而展望未来,人们更大的雄心在于3D打印与人体的完美结合,打印出耐用的人体器官。

当维尔莱特·帕托克(Violet Pietrok)和双胞胎妹妹用力地扭动着方向盘,徐徐将粉红色玩具车同步地驶入《纽约时报》记者的镜头时,屏幕上却突然呈现了两副截然不同的脸孔─妹妹双眼炯炯有神,两颊泛着红晕,而姐姐的眼睛却因畸形头骨的拉伸严重变形,她的鼻子深深地塌陷下去,鼻孔上翻,双眼的间距更是达到了常人的2-3倍。这对今年年仅2岁的双胞胎姐妹出生时只相差了2分钟,但是,姐姐严重的面裂症却让两人的命运迥然不同。
先天性面裂是一种十分罕见的疾病,通常伴有严重的脸部变形和头盖骨开裂,少数人的智力水平还会受到影响。相比起人们所熟知的唇裂,面裂的发病率仅有0.012%,医生们大多也只在医学院的课本里见过,很少有机会对这种疾病进行实操,其手术风险也会因此大得多。让她母亲阿里沙·泰勒(Alicia Taylor)更加焦虑的是,维尔莱特患的是面裂症中最为复杂的颅面裂─她的鼻子下面没有连接两侧的软骨,这就意味着她的整个脑颅要做一次全方位的“大整形”才能恢复正常人的面貌。每每望着怀里咿咿呀呀却面目可怕的女儿,泰勒总忍不住深深地叹一口气,“那种焦虑是无法想象的”。
多年以来,面裂的根源在科学界始终悬而未决,一些科学家认为面裂是由神经嵴细胞迁移紊乱所致,更多的则坚持皮肤下发育不良的中胚层才是罪魁祸首,发病根源的模糊令面裂的整治承载了更大的风险,即便是久经沙场的医生也不敢妄称十拿九稳。但是,泰勒却不顾这些,他们一心想要治好女儿的病。2015年伊始,维尔莱特一家不远万里地从美国俄勒冈州来到了波士顿儿童医院。这家以“治愈每一个儿童”为宗旨的医院不仅在治疗唇裂、面裂方面经验丰富,更在2014年2月引进了一项秘密武器─3D打印机。随着美国人手术需求的不断攀升,目前医院每年要处理的手术量高达800万起。虽然这项秘密武器耗资40万美元,但波士顿儿童医院的医生们却清一色地认为它物超所值,为众多手术的成功立下汗马功劳。

手术室的试金石
在诊治维尔莱特之前,波士顿儿童医院的约翰·米拉(John Meara)医生已经完成了四起类似的面裂手术,并且每次都用到了3D打印。在他看来,过去的3D打印不仅打印速度慢,常常耗时几天仍无法完工,而且价格极其昂贵,一个头盖骨模型就可高达1200美元,这使得许多家庭在昂贵的医药费面前望而却步。为了改变这种困境,2年前,波士顿儿童医院推出了刺激计划以鼓励医生们利用3D模型准备手术。自此,医院里价值连城的3D打印机也正式进入了24小时不眠不休的工作状态。
3D打印的原理极为简单:二维打印机一般分x-y两轴,3D打印机则多了一个z轴,从长、宽、高三个维度去一层一层地堆积。这些单薄的层面细微到0.1-0.2毫米,3D打印技术也因此被称为“累计制造”。此外,3D打印机最大的不同在于它的“墨”,通常是凝固液体丙烯酸树脂。医生首先利用CT扫描得出二维图像,然后利用InVersalius等特定软件将其转成三维影像。3D打印机不需要喷墨,而是通过激光将丙烯酸树脂的粉末一层一层铺设开来, 根据电脑里的算法设定在头骨凸出的部分多加几层,而凹陷的部分相对减少。因为打印机的分辨率高,这些新打印出的头盖骨与人体惊人地相似。米拉告诉《周末画报》记者,过往他们第一次操刀往往是在病人的头颅上,现在他们可以无数次在这些塑料头盖骨上进行训练,寻找最佳手术方案,这大大增加了手术的安全性。
为了更好地准备手术,米拉用这种材料一口气打了4个头盖骨。在其他医生帮助下,巨大的工作量短短几天就得以顺利完成,但面对着破裂的头盖骨模型,母亲泰勒却喜忧参半,一方面,她为自己获得大量信息感到欣慰,再次确信医生们做好了万全的准备,另一方面,她也第一次真正看到了女儿手术所面临的挑战。在这次“大整形”中,维尔莱特需要重新整合开裂的头盖骨,将两眼窝的距离拉近,这项手术不仅工程浩大,而且风险极高,对于任何一个母亲来说都有些于心不忍。
如今,很多医院都开始效仿波士顿儿童医院,让3D打印成为医生手术前的试金石。通过3D打印技术制出的模型最终遍布在医学院学生的实验课以及医生手术前的准备中,重复训练大大加强了医护人员操作的精准度。虽然一台数十万美元的3D打印机仍非常昂贵,但米拉认为它可以预防一家医院手术失败所造成的损失,对医院极为重要。2015年,复旦大学附属中山医院医生利用3D打印技术为一位77岁高龄、主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全的患者进行了手术规划,医生也通过3D打印心脏模型多次练手。操作极为复杂的手术最终取得成功,这也是中国3D打印医用的一个里程碑。

打印器官,与人体完美结合
很多人预测,3D打印的未来不可限量,虽然这个产业起步不久,却很快成为了热门项目,大到工业巨头,小到个人用户,都有消费3D打印。自2014年起,市场更是掀起了一股前所未有的3D打印投资热。在明晃晃的数字面前,再理智的投资者也无法不心动。据3D打印评估机构沃勒斯事务所(Wohlers Associates)预测,3D打印到2018年销售额可达60亿美元,到了2021年更是有望攀升至108亿美元。3D打印将无孔不入地侵入各个产业,人们对此从未怀疑。
查尔斯·豪尔(Charles Hull) 于20世纪80年代发明了这项技术。起初,它大多被用于工业生产,打印的也都
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