把人體模型變成積木,3D 列印科技幫助醫師排練手術

作者 | 發布日期 2016 年 02 月 18 日 18:04 | 分類 3D列印 , 醫療科技 follow us in feedly

曾想過你的醫師是怎麼做手術前準備嗎?如果患部是臉或手腳,這些看得見的地方切開縫合就好,但如果病灶是在人體裡,腸子、胃甚至是腦部,天啊,這些埋在深處、動輒血管神經圍繞著的病源,醫生究竟是如何快狠準地切除?



也許你會說藉助影像科技,但你可能不知道的是,無論電腦斷層、核磁共振、血管攝影以至於 3D 重建影像,雖然能夠提供器官、解剖構造的概念,但執刀者還是必須在自己腦中構建手術狀況,劃刀、撥離、切除、縫合,過程中必須閃避血管、避免傷及神經,非常重經驗和技巧,也難怪日劇《醫龍》裡的朝田龍太郎,手術前都要在天台上演練一番。

拜科技發達之賜,現在的醫生不需要這麼有想像力,只要藉由精密電腦斷層加上 3D 列印科技,就能製作出人體模型,甚至能像積木一樣拆解成一塊塊,供執刀醫師模擬真實手術。

之前曾介紹過,紐約醫院的外科醫生利用核磁共振(MRI scan)的影像資料,列印出患有先天性心臟病的嬰兒心臟,做術前模擬。其他案例,像是紐約 Jacobs Institute 打印出患者顱內動脈瘤(aneurysm)模型,結果不僅讓原本高死亡率的手術安全,手術時間更從平均 3 至 4 小時,降低為 45 分鐘;而倫敦的 Guy’s and St. Thomas’ 及 Great Ormond Street 醫院,則將 3D 列印應用在「將成人腎臟移植入 3 歲孩童」的手術規畫。

3dprint.com

(Source:3d print.com

以上這些案例,也許還不夠神奇,在 2015 年底,美國放射醫學會(Radiological Society of North America,簡稱 RSNA)年會上,就發表一篇案例──利用 3D 列印協助連體嬰分離手術。

相信人們對於雙胞胎不陌生,但連體嬰恐怕就只能在新聞裡看到。一般來說,雙胞胎的胚胎,會在母體第 12 天至 14 天分裂,並且發育,但如果過程中分裂不完全,就會形成連體嬰,最常見的是胸、腹部相連,更甚者至臀部,而且彼此共享器官或血管。

根據馬里蘭大學(the University of Maryland)統計:世界每 20 萬個新生兒裡,會有一對是連體嬰,其中約四分之三是女性,無論如何,連體嬰的存活率約為 5 到 25%,大多都胎死腹中至流產,即便順利出生,有 35% 的機率活不過一天。

然而,連體嬰分離手術成功的關鍵,在於他們身體共享的程度,連結組織愈少,愈容易成功,但如果共用一個心臟、肝臟和其他內臟器官,則機率渺茫,若恰好骨盆關節相連,那麼手術難上加難。

 

最複雜的連體嬰分離手術

美國放射醫學會年會所發表的案例為 Knatalye 及 Adeline,這對姊妹生於 2014 年 4 月 11 日,一出生就是從胸腔至骨盆腔相連(thoraco-omphalo-pyopagus)的連體嬰,包含胸壁、肺臟、心包膜、橫膈膜、肝臟、小腸、大腸、骨盆部分,根據主負責的美國德克薩斯兒童醫院(Texas Children’s Hospital)心臟影像及放射研究醫師 Dr. Rajesh Krishnamurthy 表示:「這個案例非常特別,她們身體連結的方式,將會是有史以來最複雜的連體嬰分離手術。」也因此醫療團隊決定運用 3D 列印來協助手術模擬。

術前的資料收集採用先進的影像科技──體積式掃描電腦斷層儀(Toshiba aquilion one 320-slice CT scanner) 。一般來說,在拍攝時,患者的閉氣技巧會直接影響影像品質,因此為求精準,儀器追求的是快速取得、減少照射時間。

而這台 Toshiba aquilion one,具備 320 個偵測器,能讓每張切面的厚度變薄,有助於增加解析度,此外,每圈掃描範圍大幅度增加,因此能縮短時間、降低輻射暴露劑量。

在照射過程中,為了強化組織的對比度,醫生會為雙胞胎注入靜脈顯影劑(intravenous contrast),目的藉由碘劑讓血管、內臟組織的顯像明確,更容易辨認出共用器官及血管。另外,其中一名女嬰使用了口服顯影劑,利用硫酸鋇易吸附壁面而顯像的特質,做腸胃道攝影,進而判斷食道、胃腸是否相連。

當然,最關鍵的是心臟區,要讓會跳動的心臟,呈現出完整而不模糊的影像十分艱難,團隊採用心電圖同步擷取模式(Prospective EKG triggering)電腦斷層照射法,也就是避開心臟收縮時期,選擇性在心臟舒張靜止時,以軸狀法(axial)掃描,再將影像重組,以得到清晰的影像,而且拍攝是間斷且不連續的(step and shoot),降低了輻射暴露劑量。

Prospective EKG triggering

▲右側是 prospective ECG(Source:Medscape

Rajesh Krishnamurthy 醫師表示:「這對連體嬰很幸運,因為影像顯示她們的心臟雖然在同一個空腔,但各自獨立沒有融合,即便肝臟相連,但我們發現一個很適合分離的切入點,能夠降低術中大出血的可能性。」

在資料獲取後,醫療團隊花了 3 天,採用 Materialise 公司的 Mimics Innovation Suite 軟體進行影像重建,又耗費 3 天在 3D 列印 1:1 的實體模型。特別的是,他們利用不同顏色來進行列印,其中骨骼架構以硬樹脂製成,臟器為橡膠,但肝臟特別用透明樹脂,讓裡面的血管呈現白色,為的是讓肝動脈及肝門靜脈系統(hepatic portal system)顯像更清楚。

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這樣的實體,可以很清楚辨別連體嬰的臟器及血管是如何連結,而且還能像積木一樣,自由翻轉、組裝或分開。

對於連體嬰分離手術而言,最重要的是「如何適當分配器官」,以維持兩人身體正常運作。此外,嬰兒的血量少,必須「精準地找到血管分割部位」,恰到好處地分開,否則稍不留意就大出危及性命。因此模型能夠協助醫師訂定開刀計畫,揣摩手術途徑,找到最佳切入點、重建方式,以及計算傷口關閉所需的皮膚覆蓋面積。

經過模擬後,醫療團隊在分離手術前 3 個月,於女孩體內植入組織擴張器,緩慢延展胸腔和腹部的皮膚,這是為了因應手術分離後,有足夠的皮膚能覆蓋傷口。

2015 年 2 月 17 日,這對連體嬰近 1 歲時,她們接受了分離手術,歷經近 30 個小時,在 12 名外科醫生、6 個麻醉師及 8 個外科護士的合作下完成這項艱難任務,同年 5 月 Knatalye 出院,而術中有出血併發症的 Adeline 在一個月後也返家。

歷經一年多來的等待,對她們的媽媽 Elysse Mata 來說,女兒像是得到重生的機會,能夠獨立又健康地活著,這一家人共同見證了醫學奇蹟。

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3D 列印人體積木,影響的不僅是讓醫生能做更充分的準備,它還包含兩個層面──「教學」以及「醫病溝通」。

傳統的醫學教育,尤以外科為例,是手把手的「師徒教學制」,面對一大群的學生,僅有少數幾位能親身參與手術的「助手」工作,而其他人只能在場邊觀看,或藉由實況影像學習。現在,「精密影像」與「3D 列印」的結合,將改變培養醫師的模式,讓醫學生能夠在無風險的環境中訓練技能。

而醫病溝通方面,一般醫師術前解說開刀方式時,多對著黑白影像比手畫腳一番,但病人和家屬往往鴨子聽雷,有看沒有懂。現在有了實體,可移動、可操作,難度跟技巧能夠被呈現,減少醫與病之間的誤會,多些理解。

可惜,3D 列印模型仍有待突破的點,雖然科技大為減少手術的不可預測性,但目前模型材質仍以橡膠、樹脂為主,和人體組織不同,而依現今發展,使用細胞或分子進行生物列印的技術尚不成熟,無法打造出和人體質感一模一樣的型體,也因此一些大廠,如 Stratasys 致力於研發近似組織的光聚合材料 TangoPlus,但對於醫師而言,模型還是難以取代真實下刀的觸感經驗。

另一方面,普遍性也成一個問題。Dr. Rajesh Krishnamurthy 表示:「3D 列印科技進步神速,且成本降低,但真正限制它發展的,是沒有保險公司願意給付,目前都由各家醫院自行吸收。」

 

台灣是否也該投入研發

科技雖迷人,但放眼全世界,卻僅有少數醫院能以研究之名,負擔得起這種「精準」而「昂貴」的醫療。但這是現狀,未來呢?會不會是極具潛力的藍海。

2016 年 1 月,中國上海復旦大學附屬兒科醫院,以 3D 列印技術應用於連體嬰分離手術,為中國史上第一次應用電腦輔助手術系統。亮點是他們採用國產海信計算機輔助手術系統(Computer Assisted Surgery)和海信外科智慧顯示系統(Surgical Intelligent Display system),除了影像處理技術外,還加入 3D 手勢辨識功能。

這背後的意義,是對岸已鎖定國際「精準醫療」的市場,因此我們該思考的是,這類外科導航系統(Surgical Navigation Advanced Platform)和 3D 列印的醫療科技,以台灣醫師和工程師的人才素質而言,會不會也是值得投入研發的領域呢?那我們的優劣勢,又是什麼?

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