制作3D打印移植填充物帮助耳部畸形患儿

爱丁堡皇家儿童医院Ken Stewart医生使用Artec Spider 3D扫描仪精确重现耳部构造,为先天小耳症患者设计移植填充物。

每年,超过100000位儿童来到皇家儿童医院(亦称“儿童医院”)。医院位于爱丁堡,拥有专业的设备专门治疗像Ellie一样患有先天性耳部弹性软骨畸形的患者。医生称此病为“小耳症”,这是由拉丁语翻译过来的医学术语,意为“异常小耳朵”。部分患者的耳廓(或称外耳)非常之小,几乎不存在。由于此病通常由中耳或外耳道发育不足导致,因此小耳症还往往伴随着一定程度的听觉障碍。6000个新生儿中就会出现一例小耳症儿童,苏格兰至少有10位年轻的患者和Ellie一样拥有相似的问题。而这仅仅为苏格兰一年的数据。

皇家儿童医院入口。

临床护理专家Kerr Clapperton正使用Artec Spider在Artec Studio中扫描秒Ellie的耳朵。

幸运的是,Ken Stewart就位于爱丁堡,除了每天大量专业预约门诊外,他还主管当地一家苏格兰耳部再造服务中心。在这里,他始终对再造手术的方式不断调整,为患有耳部畸形疾病的儿童和成人进行再造手术。

NHS首席临床医生、苏格兰耳部再造服务中心主管Ken Stewart。Ken Stewart正检查一位病人。

几年来,Ken已使用了多种方式来模仿患者耳部不同的迂回设计。最常用的方式就是取用病患的肋软骨部分,再雕刻出耳朵的形状。有时他会使用其他材料例如蜡、硅甚至苹果来练习或教学。“我喜欢制作耳朵,”他在The Scotsman的一次采访中说道。2014年,他开始研究3D成像解决方案,希望能简化耳部再造手术的术前准备。Ken承认,“新科技近在咫尺,我们需要改善工作流程。皇家儿童医院耳部再造手术团队十分渴望找到新的科技。”尽管Ken所在的洛锡安地区NHS(英国国家医疗服务体系)早已使用3D成像系统来设计假肢、完成体检,但他们还想使用新技术改善再造耳部的细节。

因此,Ken打算寻求Artec英国合作商Patrick Thorn & Co.的帮助。由于Ken对于假耳与移植填充物的设计与再设计经验十分丰富,起初,他对于Aretc最先进的扫描仪持怀疑态度,认为这项技术无法对人耳进行3D重现。为了向Ken证明事实并非如此,Patrick决定复制一些样品,来展示Artec高精度成像的实力。Patrick扫描了邻居和外孙的耳朵。通过EGS的Leios精致扫描软件(Elaborations Scanning Software)对扫描文件进行细微调整,并使用Roland ARM-10 3D Printer打印机把样品打印了出来。Ken对最终的作品感到十分震惊,他和他的团队一致认为Artec Spider这款高精度3D扫描仪是一件必备品,非常适合用于捕获耳道及耳部与头部之间区域的图像。

使用Leios进行调整。

Roland打印前调整。

通过患儿之友基金会(Sick Kids Friends Foundation)的大力筹款,皇家儿童医院成功添置了一台Artec Spider。仅仅花了半天时间,设备就全部安装完毕,次日就开始了实践培训。Ken评论道,“使用表面3D扫描技术对我们来说是全新的做法,由于平时每天都有大量病患,我们不得不花一些时间来适应调节到完美状态。但是,Patrick提供了一些培训和使用的小贴士,所以现在我们已经可以轻松驾驭这项从扫描到3D打印的新技术了。制成的模型还会进行杀菌消毒,用于解剖学教室来提升我们再造手术的精确度。”

使用Artec Spider技术来完成Ken的耳部再造手术不仅简化还系统化了耳部再造过程。当问诊结束,患者即可在医院扫描他们发育正常的耳朵。在Ellie的病例中,Ellie患上了双侧小耳畸形(即两侧耳朵均未正常发育),而Ellie的姐姐未罹患小耳症,因此医生扫描了她的耳朵。有时,受损的耳朵也需要扫描,以作参考。扫描过程中,Artec Spider先收集外耳部分的复杂结构,细节捕捉能力惊人,随后再深入耳道,收集珍贵的视觉资料。之后,上传图像至Artec Studio,进行快速对齐融合,并最终制成耳朵的3D数码模型,效果非常惊艳。

在修饰阶段,Leios被用来检查耳部表面,去除多余部分,并通过内部抵消平衡的方式改变皮肤厚度。结构整合和美化调整全部完成后,还会生成一个镜像图形。随后,包含图像的电子文件通过共享驱动传输至实验室,以及Roland MonoFab打印软件,完成位置校准后,只需按下“开始”,即可进行3D打印。

上颌面修复顾问专家Jeff Millar正准备在Roland MonoFab上完成耳部3D打印。

打印成品。

大约3小时后,使用异丙醇清洗3D打印机完成的再造耳部。随后,将模型置于紫外线灯下几分钟,待模型硬化成形。然后将模型消毒、密封,并送往手术室,作为耳部再造手术的3D模板。

或许有人会说,耳部再造手术在过去四十年间发展十分缓慢(尽管十分稳定),但整形外科医生一直追求精益求精。20世纪70年代,外科医生开始采用肋软骨作为组织基托的再造方式。当时,使用2D纸张描摹出正常耳部的轮廓可以帮助医生将提取出来的软骨塑造成患者耳部生长成型的形状。但是,这种平面模型只能做到近似而已。耳部复杂的结构空间要求绝对的高精度。通过Artec 3D先进的成像技术,像Ken这样的外科医生就可安心地为像Ellie一样的患儿进行再造手术,因为他们无需再制作假体或移植物的近似模型了。

该团队如今又向前迈进了一步,现正和爱丁堡大学再生医学中心合作,中心的Bruno Peault教授和Chris West医生已成功将人体干细胞从脂肪中分离。这些纯化干细胞已在存有10000多种FDA(美国食品及药物管理局)批准的的聚合物库进行了试验。West医生发现,干细胞可粘附于某些聚合物。这些细胞可促进聚合物表面的软骨生成。通过将组织工程技术、吸脂工艺与Artec 3D扫描技术结合,就有希望根据另一侧耳朵制成完全定制化的镜像复制品,用以植入,且可避免使用肋软骨。

Artec Spider扫描完成的Ellie 3D打印耳部。

耳部模型近景。

随着洛锡安地区NHS技术水平的不断提升,皇家儿童医院的工作人员和患者都期待能够在2017年秋季搬入爱丁堡小法兰西的新型特制建筑内,因为这里将持续提供相关3D服务。

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