蔡伯鴻 吳丹婷 易佳慧

（四川美術學院,重慶 400000）

隨著3D打印技術的廣泛使用，其優(yōu)勢也在各個行業(yè)中凸顯出來。由于3D打印是一種理想的定制制造方法，在醫(yī)用產(chǎn)品的設計與研發(fā)中也具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。在醫(yī)療領域，3D打印已經(jīng)惠及許多方面，如微創(chuàng)手術、癌癥治療、出生缺陷治療和功能修復等。文章從3D打印技術和醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合應用出發(fā)，運用交叉學科知識探索醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計的新路徑。

一、3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)

1.3D打印技術

3D打印又被稱為增材制造技術，是以三維數(shù)字化模型為基礎，運用逐層制造方式，將3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成立體實物模型的數(shù)字化制造技術。3D打印作為一種新型的工業(yè)制造技術，因為其精確性、便捷性、廣泛性，被應用于各個領域并取得了顯著成效。隨著3D打印設備與材料不斷更新，該技術的應用逐步拓展到了設計、醫(yī)療、航天等各個領域。在醫(yī)療健康領域，3D打印被應用于醫(yī)療器械的設計和生產(chǎn)，個性化生物植入體、個性化診療器械和醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設計研發(fā)。這項技術不僅縮短了研發(fā)周期，提高了研發(fā)效率，還合理控制材料成本，提高了醫(yī)療行業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益。可見，3D打印技術在醫(yī)療領域具有很大的應用潛能和發(fā)展空間。

2.醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)

在醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設計中，為了針對不同的患者病情和特征制作醫(yī)療設備，需要獲取其準確的解剖數(shù)據(jù)。目前，生物體解剖數(shù)據(jù)來源主要有3D掃描和醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)兩類。其中，醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)是個性化醫(yī)療模擬產(chǎn)品的主要數(shù)據(jù)來源，常用的數(shù)據(jù)有：電腦斷層掃描(Computerized tomography，CT)、核磁共振成像(Nuclear magnetic resonance imaging，NMRI)以及醫(yī)學超聲波檢查(Medical ultrasonography)。醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)通過非侵入方式獲取人體某個部位的準確圖像。研究人員可以通過醫(yī)學圖像軟件輔以數(shù)字化建模工具逆向重建人體的真實3D結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)此模型，醫(yī)生可以進一步診斷病情、優(yōu)化手術治療方案和規(guī)劃手術路徑，設計師則可以進行個性化醫(yī)療器械的設計。

3.3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合應用

3D打印和醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)是醫(yī)療模擬產(chǎn)品開發(fā)的關鍵要素。通過將3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以準確地復制人體的生理結(jié)構(gòu)和病變部位的實體三維模型，使醫(yī)療專業(yè)人員可以全面了解患者的具體生理狀況，更有效地進行個性化醫(yī)療設計。在醫(yī)療器械方面，可以根據(jù)模型為病患定制個性化手術器械，提供手術器械的適配性。在關節(jié)植入體的應用中，根據(jù)患者的個性化模型定制生物植入體，可以很好地解決了關節(jié)匹配的問題，極大地改善了其治療效果。在術前模擬中，與普通的醫(yī)療影像資料相比，3D醫(yī)療模擬產(chǎn)品提供了更準確的病理信息，清晰展示病損部位狀況，可以排除其他混雜因素的影響，直接分析特定現(xiàn)象。因此，將3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)結(jié)合應用來進行醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設計研發(fā)，將有利于探索出一種促進設計發(fā)展和臨床研究的創(chuàng)新路徑。

二、醫(yī)療模擬產(chǎn)品概述

醫(yī)療模擬產(chǎn)品是醫(yī)學研究中的重要道具。在醫(yī)學研究中，實踐是十分重要的部分。醫(yī)療模擬可以有效地訓練臨床技能，并且對于醫(yī)療教學與培訓有很重要的作用。在醫(yī)療模擬中通過醫(yī)療模擬產(chǎn)品仿真制作出病變部位，配合病患的具體情況可以模擬出醫(yī)護真實現(xiàn)場，有效地緩解在醫(yī)療培訓中因為道具所帶來的誤差。在醫(yī)療教學中，可以使用醫(yī)療模擬產(chǎn)品還原特定的醫(yī)療場景，利用最真實的場景來激發(fā)學生的積極性，提高自主學習的能力。醫(yī)療專業(yè)人員利用醫(yī)療模擬產(chǎn)品進行反復的模擬訓練，可以提高他們的實踐能力、判斷能力以及臨床決策能力。

三、3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計路徑

1.醫(yī)學專家與設計師的協(xié)同設計

由于醫(yī)療模擬產(chǎn)品的特殊性，其設計路徑將由設計師和醫(yī)學專家共同構(gòu)建。設計師與醫(yī)學專家共同參與設計的全過程，在每個設計階段分別負責不同面向的內(nèi)容。在設計籌備階段，設計師需要學習相關的醫(yī)療知識，熟悉醫(yī)療診斷流程，查閱醫(yī)療器械相關標準，確保后續(xù)醫(yī)療產(chǎn)品設計的順利開展；醫(yī)學專家闡述遇到的問題以及需求，并由設計師將其轉(zhuǎn)換為設計需求。在設計開展階段，需要醫(yī)學專家提供影像數(shù)據(jù)，設計師制作3D模型。在設計調(diào)試階段，設計師根據(jù)醫(yī)學專家的測試反饋調(diào)整設計內(nèi)容，最后在設計應用中對產(chǎn)品進行不斷地迭代更新，持續(xù)完善設計成果。

2.3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計流程

醫(yī)療模擬產(chǎn)品的研發(fā)是設計學與醫(yī)學的交叉學科研究，其過程是由設計師主導，醫(yī)學專家輔助，相互配合完成。在利用醫(yī)學圖像和3D打印進行醫(yī)療模擬設計時，其過程可分為五個主要階段，包括醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)采集及處理、醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)3D重建、功能設計、3D打印以及實踐應用。

首先在獲取醫(yī)療數(shù)據(jù)階段，設計師與醫(yī)學專家需要明確設計目標，對相關的人體解剖部位進行高精度掃描，以再現(xiàn)病變部位的準確特征。在此階段，醫(yī)學專家需要確定采用何種醫(yī)學成像技術對相關數(shù)據(jù)進行有效收集。

在第二階段，設計師使用醫(yī)學圖像軟件，將醫(yī)學掃描生成的二維圖像進行三維重構(gòu)，然后導出為數(shù)字化3D文件(.STL)。之后設計師需要在3D軟件（如Artec Studios等）中對三維數(shù)據(jù)進行進一步的處理，包括分割、消噪、表面平滑等。這一階段主要是移除與設計目標無關的解剖結(jié)構(gòu)，并修補優(yōu)化待設計的3D模型。

在功能設計階段，設計師根據(jù)醫(yī)學專家所提出的設計需求，以三維重構(gòu)得到的3D模型為基礎開展設計工作，賦予模擬產(chǎn)品合理的功能性。此階段需要設計師和醫(yī)學專家進行密切溝通，針對所設計的功能和表現(xiàn)形式進行反復論證和實驗。

最后，設計師根據(jù)產(chǎn)品的功能需求選取適宜的材料通過3D打印機制造模擬產(chǎn)品。然后，將功能性的醫(yī)療模擬產(chǎn)品用于醫(yī)療教育或研究的實踐應用當中。在此階段，設計師應當與醫(yī)學專家共同商討，設計合理且完善的應用方式和場景。

四、3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)結(jié)合的膝關節(jié)醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計實踐

1.設計目的即滿足解剖學醫(yī)療模擬需求

前后十字交叉韌帶（Anterior and Posterior Cruciate Ligaments）是人類膝關節(jié)的重要組成部分。它們防止股骨在運動過程中向前或向后滑動，從而為運動中的膝關節(jié)提供重要的穩(wěn)定性。在運動員群體中，十字韌帶損傷極為常見，前十字韌帶發(fā)生損傷的頻率更高。運動量較大的青年患者在接受韌帶重建的治療后再次受傷的概率很高，這將導致生活質(zhì)量下降，運動能力受限，甚至可能成為運動員職業(yè)生涯終結(jié)的主要原因。因此更好地了解十字韌帶的工作原理，可以幫助醫(yī)療專業(yè)人員在創(chuàng)傷預防、優(yōu)化治療以及康復訓練等方面提供重要參考。許多研究人員試圖通過采用不同的研究方法來闡明十字韌帶在膝關節(jié)運動過程中的工作機制，例如使用膝關節(jié)解剖標本、計算機模擬、成像分析和在膝關節(jié)植入傳感器等方法。然而，這類對十字韌帶的研究要么收集到的是間接數(shù)據(jù)，受到許多混雜因素的影響，例如周圍軟組織施加的張力或個體的步態(tài)差異將導致結(jié)果的偏差；或是需要借助介入性手術，對受試者身體造成損害，無法大規(guī)模采集數(shù)據(jù)樣本。因此，目前對于膝關節(jié)十字韌帶工作機制的研究結(jié)論尚未得到醫(yī)學界的一致認可。

為了研究不同解剖結(jié)構(gòu)之間復雜的關系，有必要采用一種創(chuàng)新的方法來開發(fā)功能性醫(yī)學模擬器對膝關節(jié)十字韌帶的工作機制進行詳細的闡釋。將醫(yī)學圖像與3D打印相結(jié)合設計研發(fā)的模擬器可以準確地模擬不同解剖結(jié)構(gòu)之間的空間關系和相互作用，這對研究膝關節(jié)十字韌帶的工作機制有著十分重要的作用。在文章中，為了專注于膝關節(jié)十字韌帶的工作機制研究，模擬器設計僅包含了膝關節(jié)運動過程中最重要的組件：股骨、脛骨、腓骨、前后十字韌帶和內(nèi)外側(cè)副韌帶。

2.醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)收集與3D模型建立

醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)是一種二維信息，通過許多橫截面圖像來完善人體的目標區(qū)域。為了利用這些二維信息來改進三維設計，第一步是將其從二維切片轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)。在本文章中，醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)主要用來增強膝關節(jié)模擬器的設計。在醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的選擇中，CT數(shù)據(jù)更有利于反映骨骼結(jié)構(gòu)，因此選擇CT掃描作為影像采集的來源。本次研究使用健康男性志愿者的膝關節(jié)CT數(shù)據(jù)作為模擬器設計的基礎樣本。通過CT掃描，獲得骨骼、肌肉、脂肪和皮膚等組織的結(jié)構(gòu)。CT掃描數(shù)據(jù)被導出為dicom格式，并在醫(yī)學圖像軟件（InVesalius）中轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)。經(jīng)過3D軟件（Artec Studios）的分割和處理步驟后，將3D模型的STL格式導入3D建模軟件（Rhino）中進行設計編輯。為了確保轉(zhuǎn)換后的三維醫(yī)療模型的準確性，在數(shù)據(jù)處理過程中設計師與經(jīng)驗豐富的醫(yī)療專家緊密協(xié)作。

3.醫(yī)療模擬產(chǎn)品開發(fā)與測試

在前期數(shù)據(jù)收集和處理的基礎上，根據(jù)醫(yī)學專家的反饋，確定了對膝關節(jié)模擬器的設計重點集中在股骨頭部位的幾何化上。設計師在醫(yī)學專家的指導下，根據(jù)膝關節(jié)解剖學機構(gòu)原理，對股骨與脛骨結(jié)合部位進行了重新設計，使其解剖結(jié)構(gòu)更為清晰和明確。從而使模擬器能夠準確實現(xiàn)膝關節(jié)的彎曲-伸展以及鎖止運動，與真實的人體膝關節(jié)運動軌跡保持一致。為確保膝關節(jié)模擬器在運動過程中不受人為因素的干擾，特別設計了樞軸運動支架用以帶動模擬器完成運動。模擬器頂部的指示板用以展示膝關節(jié)模擬器在鎖止運動過程中的內(nèi)旋角度。

模擬器采用SLS 3D打印技術制造，主體包含9個由燕尾型接頭連接各獨立部件。模擬器的下部設計有拉力感應器，可以分別連接到兩個模擬十字韌帶。為了準確地復制膝關節(jié)運動，使用了兩種繩索材料來模擬膝關節(jié)韌帶。通過實驗確定了最適合交叉韌帶和側(cè)副韌帶的材料分別是尼龍繩和彈性繩。在本設計中，每條韌帶都可以單獨工作，允許對模擬器的不同部位施加適當?shù)膽兞?，從而確保模擬器具有與真實膝關節(jié)相似的運動學特征。

為了測量十字韌帶上的拉力值，本文章中使用了市售拉力感應器。通過模擬器和拉力感應器的協(xié)作可以實時測量膝關節(jié)運動過程中十字韌帶上的拉力值變化。在實驗測量過程中，膝關節(jié)模擬器在樞軸運動支架的帶動下完全伸展和完全彎曲之間做往復運動，同時記錄每10度運動幅度下拉力感應器數(shù)值的變化情況。為確保測試的客觀有效性，此運動過程重復5次，并對測試所得拉力數(shù)值進行統(tǒng)計分析。

4.醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計成果

在文章中，研發(fā)團隊成功開發(fā)了一種基于醫(yī)學圖像和3D打印的功能性膝關節(jié)模擬器來研究前后十字韌帶的工作機制。目前3D打印醫(yī)學模型的應用大多是靜態(tài)人體解剖模型，無法準確說明不同解剖結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)空間關系，缺少實時解剖運動的具體信息。本文章所設計的膝關節(jié)模擬器可以準確地復制正常的脛股骨運動。在伸展運動時關節(jié)呈現(xiàn)內(nèi)旋鎖定，在屈曲運動時關節(jié)呈現(xiàn)外旋解鎖，這一現(xiàn)象充分說明該模擬器與真實的人體膝關節(jié)運動呈現(xiàn)相同軌跡。膝關節(jié)模擬器可以直接測量運動過程中前后十字韌帶的拉力值，揭示了膝關節(jié)十字韌帶在運動過程中所受拉力的變化趨勢。

總結(jié)

文章研究了將3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)結(jié)合使用的醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計新模式。先對3D打印和醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合應用進行了分析，再通過協(xié)同設計探索了醫(yī)療模擬產(chǎn)品的設計路徑。然后以膝關節(jié)模擬器為例，進行了數(shù)據(jù)采集及處理、醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)3D重建、功能設計、3D打印、以及實踐應用等流程。利用設計實踐來驗證了醫(yī)療模擬產(chǎn)品設計路徑的可行性。本課題作為跨學科研究項目，將醫(yī)療模擬從概念化、經(jīng)驗化轉(zhuǎn)向為具象化、精準化方向發(fā)展。3D打印與醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的結(jié)合也可以看作是跨學科設計的新探索?？鐚W科研究也將成為推動設計發(fā)展、模式創(chuàng)新的關鍵要素。