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把人体模型变成积木,3D 列印科技帮助医师排练手术

2020-07-11

把人体模型变成积木,3D 列印科技帮助医师排练手术

曾想过你的医师是怎幺做手术前準备吗?如果患部是脸或手脚,这些看得见的地方切开缝合就好,但如果病灶是在人体里,肠子、胃甚至是脑部,天啊,这些埋在深处、动辄血管神经围绕着的病源,医生究竟是如何快狠準地切除?

也许你会说藉助影像科技,但你可能不知道的是,无论电脑断层、核磁共振、血管摄影以至于 3D 重建影像,虽然能够提供器官、解剖构造的概念,但执刀者还是必须在自己脑中构建手术状况,划刀、拨离、切除、缝合,过程中必须闪避血管、避免伤及神经,非常重经验和技巧,也难怪日剧《医龙》里的朝田龙太郎,手术前都要在天台上演练一番。

拜科技发达之赐,现在的医生不需要这幺有想像力,只要藉由精密电脑断层加上 3D 列印科技,就能製作出人体模型,甚至能像积木一样拆解成一块块,供执刀医师模拟真实手术。

之前曾介绍过,纽约医院的外科医生利用核磁共振(MRI scan)的影像资料,列印出患有先天性心脏病的婴儿心脏,做术前模拟。其他案例,像是纽约 Jacobs Institute 打印出患者颅内动脉瘤(aneurysm)模型,结果不仅让原本高死亡率的手术安全,手术时间更从平均 3 至 4 小时,降低为 45 分钟;而伦敦的 Guy’s and St. Thomas’ 及 Great Ormond Street 医院,则将 3D 列印应用在「将成人肾脏移植入 3 岁孩童」的手术规画。

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以上这些案例,也许还不够神奇,在 2015 年底,美国放射医学会(Radiological Society of North America,简称 RSNA)年会上,就发表一篇案例──利用 3D 列印协助连体婴分离手术。

相信人们对于双胞胎不陌生,但连体婴恐怕就只能在新闻里看到。一般来说,双胞胎的胚胎,会在母体第 12 天至 14 天分裂,并且发育,但如果过程中分裂不完全,就会形成连体婴,最常见的是胸、腹部相连,更甚者至臀部,而且彼此共享器官或血管。

根据马里兰大学(the University of Maryland)统计:世界每 20 万个新生儿里,会有一对是连体婴,其中约四分之三是女性,无论如何,连体婴的存活率约为 5 到 25%,大多都胎死腹中至流产,即便顺利出生,有 35% 的机率活不过一天。

然而,连体婴分离手术成功的关键,在于他们身体共享的程度,连结组织愈少,愈容易成功,但如果共用一个心脏、肝脏和其他内脏器官,则机率渺茫,若恰好骨盆关节相连,那幺手术难上加难。

最複杂的连体婴分离手术

美国放射医学会年会所发表的案例为 Knatalye 及 Adeline,这对姊妹生于 2014 年 4 月 11 日,一出生就是从胸腔至骨盆腔相连(thoraco-omphalo-pyopagus)的连体婴,包含胸壁、肺脏、心包膜、横膈膜、肝脏、小肠、大肠、骨盆部分,根据主负责的美国德克萨斯儿童医院(Texas Children’s Hospital)心脏影像及放射研究医师 Dr. Rajesh Krishnamurthy 表示:「这个案例非常特别,她们身体连结的方式,将会是有史以来最複杂的连体婴分离手术。」也因此医疗团队决定运用 3D 列印来协助手术模拟。

术前的资料收集採用先进的影像科技──体积式扫描电脑断层仪(Toshiba aquilion one 320-slice CT scanner) 。一般来说,在拍摄时,患者的闭气技巧会直接影响影像品质,因此为求精準,仪器追求的是快速取得、减少照射时间。

而这台 Toshiba aquilion one,具备 320 个侦测器,能让每张切面的厚度变薄,有助于增加解析度,此外,每圈扫描範围大幅度增加,因此能缩短时间、降低辐射暴露剂量。

在照射过程中,为了强化组织的对比度,医生会为双胞胎注入静脉显影剂(intravenous contrast),目的藉由碘剂让血管、内脏组织的显像明确,更容易辨认出共用器官及血管。另外,其中一名女婴使用了口服显影剂,利用硫酸钡易吸附壁面而显像的特质,做肠胃道摄影,进而判断食道、胃肠是否相连。

当然,最关键的是心脏区,要让会跳动的心脏,呈现出完整而不模糊的影像十分艰难,团队採用心电图同步撷取模式(Prospective EKG triggering)电脑断层照射法,也就是避开心脏收缩时期,选择性在心脏舒张静止时,以轴状法(axial)扫描,再将影像重组,以得到清晰的影像,而且拍摄是间断且不连续的(step and shoot),降低了辐射暴露剂量。

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右侧是 prospective ECG

Rajesh Krishnamurthy 医师表示:「这对连体婴很幸运,因为影像显示她们的心脏虽然在同一个空腔,但各自独立没有融合,即便肝脏相连,但我们发现一个很适合分离的切入点,能够降低术中大出血的可能性。」

在资料获取后,医疗团队花了 3 天,採用 Materialise 公司的 Mimics Innovation Suite 软体进行影像重建,又耗费 3 天在 3D 列印 1:1 的实体模型。特别的是,他们利用不同颜色来进行列印,其中骨骼架构以硬树脂製成,脏器为橡胶,但肝脏特别用透明树脂,让里面的血管呈现白色,为的是让肝动脉及肝门静脉系统(hepatic portal system)显像更清楚。

把人体模型变成积木,3D 列印科技帮助医师排练手术

这样的实体,可以很清楚辨别连体婴的脏器及血管是如何连结,而且还能像积木一样,自由翻转、组装或分开。

对于连体婴分离手术而言,最重要的是「如何适当分配器官」,以维持两人身体正常运作。此外,婴儿的血量少,必须「精準地找到血管分割部位」,恰到好处地分开,否则稍不留意就大出危及性命。因此模型能够协助医师订定开刀计画,揣摩手术途径,找到最佳切入点、重建方式,以及计算伤口关闭所需的皮肤覆盖面积。

经过模拟后,医疗团队在分离手术前 3 个月,于女孩体内植入组织扩张器,缓慢延展胸腔和腹部的皮肤,这是为了因应手术分离后,有足够的皮肤能覆盖伤口。

2015 年 2 月 17 日,这对连体婴近 1 岁时,她们接受了分离手术,历经近 30 个小时,在 12 名外科医生、6 个麻醉师及 8 个外科护士的合作下完成这项艰难任务,同年 5 月 Knatalye 出院,而术中有出血併发症的 Adeline 在一个月后也返家。

历经一年多来的等待,对她们的妈妈 Elysse Mata 来说,女儿像是得到重生的机会,能够独立又健康地活着,这一家人共同见证了医学奇蹟。

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3D 列印人体积木,影响的不仅是让医生能做更充分的準备,它还包含两个层面──「教学」以及「医病沟通」。

传统的医学教育,尤以外科为例,是手把手的「师徒教学制」,面对一大群的学生,仅有少数几位能亲身参与手术的「助手」工作,而其他人只能在场边观看,或藉由实况影像学习。现在,「精密影像」与「3D 列印」的结合,将改变培养医师的模式,让医学生能够在无风险的环境中训练技能。

而医病沟通方面,一般医师术前解说开刀方式时,多对着黑白影像比手画脚一番,但病人和家属往往鸭子听雷,有看没有懂。现在有了实体,可移动、可操作,难度跟技巧能够被呈现,减少医与病之间的误会,多些理解。

可惜,3D 列印模型仍有待突破的点,虽然科技大为减少手术的不可预测性,但目前模型材质仍以橡胶、树脂为主,和人体组织不同,而依现今发展,使用细胞或分子进行生物列印的技术尚不成熟,无法打造出和人体质感一模一样的型体,也因此一些大厂,如 Stratasys 致力于研发近似组织的光聚合材料 TangoPlus,但对于医师而言,模型还是难以取代真实下刀的触感经验。

另一方面,普遍性也成一个问题。Dr. Rajesh Krishnamurthy 表示:「3D 列印科技进步神速,且成本降低,但真正限制它发展的,是没有保险公司愿意给付,目前都由各家医院自行吸收。」

台湾是否也该投入研发

科技虽迷人,但放眼全世界,却仅有少数医院能以研究之名,负担得起这种「精準」而「昂贵」的医疗。但这是现状,未来呢?会不会是极具潜力的蓝海。

2016 年 1 月,中国上海复旦大学附属儿科医院,以 3D 列印技术应用于连体婴分离手术,为中国史上第一次应用电脑辅助手术系统。亮点是他们採用国产海信计算机辅助手术系统(Computer Assisted Surgery)和海信外科智慧显示系统(Surgical Intelligent Display system),除了影像处理技术外,还加入 3D 手势辨识功能。

这背后的意义,是对岸已锁定国际「精準医疗」的市场,因此我们该思考的是,这类外科导航系统(Surgical Navigation Advanced Platform)和 3D 列印的医疗科技,以台湾医师和工程师的人才素质而言,会不会也是值得投入研发的领域呢?那我们的优劣势,又是什幺?


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