增材技术让医生将肿瘤握在手掌中
博士。 Jonathan Morris，医学博士，放射科医生兼 Mayo Clinic 的 3D 解剖建模实验室负责人，拥有用于手术计划或培训的各种器官的一些 3D 打印模型。肺、心脏、充满肿瘤的头骨、大脑、肝脏、在梅奥诊所的 3D 解剖建模实验室，肾脏和肋骨被装在架子上。然而，这些身体部位并非血肉之躯。它们是 3D 打印的患者特定模型，它们正在帮助塑造 Mayo Clinic 进行手术和提供医疗保健的方式。
在明尼苏达州罗彻斯特手术室上方五层楼的实验室，放射科医生、工程师和成像人员技术人员与一些世界上最好的外科医生和医学专家合作，以制作这些真人大小的模型，通常可以挽救生命。在一个由大豆和玉米田、起伏的山丘和蜿蜒的河流组成的田园社区中，这个车间兼制造设施是医疗领域增材制造发展的驱动力之一。
尽管高科技和设施中的嗡嗡声活动，复杂的工作是在一个想法下完成的——病人的需求是第一位的。这七个词是 150 多年来推动这里医疗保健的制度规范。这家非营利性医疗中心认为，要找到复杂、复杂且通常可怕的健康预后的答案，需要多学科专家团队的团队合作，以及乐于接受新想法的思想。
Nothing这不仅仅是该机构对增材制造 (AM) 的接受，以及将 3D 打印从测试阶段转变为跨学科使用的工具的案例 ne
可视化问题
Mayo Clinic 的增材制造始于 2006 年，当时它帮助分离了连体双胞胎。外科工作人员联系了放射科医生 Jane Matsumoto 博士和 Jonathan Morris 博士，这导致梅奥诊所开发了第一个临床 3D 打印解剖模型。
婴儿出生时腹部和胸部连接在一起;他们的融合肝脏尤其存在问题，因为器官倾斜并长入彼此的胸壁。
由 Christopher Moir 博士领导的儿科外科医生希望更好地了解复杂的血管和胆道解剖结构，以便更好地规划困难的手术手术。放射科团队与 Mayo Clinic 的工程部合作，交付了一个真人大小的融合肝脏 3D 打印模型。根据 Mayo Clinic 人员提交的一份研究论文，“获得了近 6,000 张射线照相图像，两个详细的体积渲染可视化对研究进行了汇编，开发了三种不同的 3D 立体光刻模型，并根据大量医学图像创建了五幅个性化的解剖插图。所有的开发都是为了培养一个由 70 多人组成的护理团队。”
经过几个月的计划，孩子们在 12 小时的手术中被分开，现在过着独立的生活。
嵌入骨盆的软骨肉瘤癌症的 3D 模型。绿色形状是需要切除的癌症，该模型帮助一个跨学科的外科医生团队计划了手术。从那个单一模型中诞生了解剖建模实验室，该实验室已经制作了数千个模型，Jonathan Morris 博士说，他是现在负责临床 AM 工作。该机构运营着大量 3D 打印机，这些打印机使用不同的 AM 技术来定制患者特定解剖结构的模型，以达到 h帮助医生进行诊断、准备手术并帮助患者理解程序。
Morris 指出，与仅使用由 X 射线、CT 生成的二维图像相比，使用模型时外科医生的讨论有所增加扫描和 MRI。 “外科医生把模型举起来，把它转过来，倒着看，”他说。物理 3D 对象为他们提供了触觉体验，并帮助他们了解他们在手术室中可能看到的内容，这在查看静态二维图像时是很困难的。
从卑微的开始
对于世界上最好的医疗机构之一来说，罗切斯特有点不太可能。这座小城市是从一个货车火车站发展而来的，但很快就有定居者来到该地区居住，其中包括出生于英国的威廉·梅奥，他于 1863 年开设了一家外科诊所。在一场致命的龙卷风过后，梅奥、他的两个儿子威廉和查尔斯以及圣弗朗西斯修女会于 1889 年建立了一家新医院.它的使命是“通过综合临床实践、教育和研究为每位患者提供最好的护理，从而激发希望并促进健康和福祉。”
如今，来自 50 个国家/地区的超过 350 万患者每年使梅奥诊所成为医疗保健目的地。梅奥诊所实际上由明尼苏达州的两家医院组成，在佛罗里达州和亚利桑那州设有大型医院，在明尼苏达州、威斯康星州和爱荷华州设有附属医院。
自成立以来，梅奥诊所就聘请了工程师来开发世界各地的医院和医疗设施中使用的手术器械、工具和先进程序。事实上，在 2014 年，为了庆祝成立 50 周年，医院发布了一份清单，其中列出了梅奥工作人员取得的 150 项进步。
创建CAD模式的过程l 用于打印解剖模型是分割医学图像的劳动密集型过程，例如 X 射线、CT 扫描或 MRI。“因为我们位于该国的偏远地区，梅奥兄弟带人来帮助开发改善护理的工具，”莫里斯说。从本质上讲，如果出现挑战，工程师、医生和其他医疗专业人士都会解决它。
今天的 Mayo 员工也可以这样说，尤其是在增材制造方面。
AM 的重要性与日俱增AM 团队使用粉末、液体和细丝形式的各种原材料制作模型。这些材料可以是刚性的或柔性的，具有生物相容性和可消毒性，或具有与患者需求相关的其他特性。它们有多种颜色，这些颜色通常代表不同的解剖结构。骨头是白色的。主动脉是红色的。肿瘤是绿色的。此外，该团队还开发了 3D 打印的患者专用截骨术y 切割指南以帮助手术。这些工具可以节省在手术室的时间、减少麻醉时间、改善结果并在某些情况下降低成本，所有这些都是为了帮助患者的整体医疗保健。
例如，3D 模型心脏和血管系统的图像显示了这些结构之间复杂的空间关系，这些关系因患者而异，并且从二维图像来看可能并不直观。
“做出（决策）基于CT 扫描被扫描成 0.75 毫米的切片，然后在您的脑海中重新创建这种（关系），这需要大量的心理训练，”莫里斯说。
实验室的部分使命是评估新技术，例如探索如何在手术计划中使用虚拟现实。他补充说，几乎每个医学和外科专业都t Mayo Clinic 已访问 AM 并从中受益。这些专科包括耳鼻喉科（耳鼻喉科）、整形外科、肿瘤外科、神经外科、胸外科和心血管外科。 3D 打印解剖模型已被证明有用的手术包括头颈手术、复杂的面部或气道重建、心脏手术、肺部手术、关节重建和肿瘤切除。最新的探索领域之一是宫内手术，即子宫内手术。
这些 3D 模型不仅在手术中发挥着重要作用，而且在教育医学生、住院医师、研究员和经验丰富的外科医生方面也发挥着重要作用考虑到影响学习机构的尸体匮乏，学习可能很困难的新的或不常见的程序。
一个例子是一个小婴儿的大脑。 “你很少能把婴儿头骨或婴儿大脑拿在手里，”莫里斯说。 “但是，有了所有的成像数据，我们可以n 打印出来。如果我们在教室里有 30 个人，每个人都可以有一个大脑模型。”
内部制造
Mayo Clinic 的 AM 变得更容易，因为它是在 -房子而不是外包工作。外科医生可以在有空的时候来实验室讨论他们的具体需求，并且可以快速准确地生成模型。计划可能需要数小时，生产模型可能需要一天，但这仍然比外包可能需要的数周时间要快。时间可能很关键，因为患者可能会在星期一飞来，会见他们的医生，接受测试，然后“安排在那个星期四进行手术，”Morris 说。
Mayo Clinic 的多学科方法和组织结构允许这种合作水平。 Mayo 的 3D 打印能力是在一种环境中成长起来的，在这种环境中，它被视为外科医生可以使用的另一种工具。 “在这里，对复杂病例有临床需求的外科医生来申请 3D 打印ted 模型，如果它符合患者的需求，我们就会这样做，”他说。
为了适应不断增长的增材制造需求，该机构扩大了空间、雇用了更多员工并增加了设备。专科放射科医生监督实验室创建的所有模型。该部门聘请了两名全职生物医学工程师主要在医院工作，其中不包括梅奥诊所 (Mayo Clinic) 雇用的 70 名工程师（见第 37 页），并计划今年增加第三名生物医学工程师。此外，还雇用了图像分割器来根据 CT 或 MRI 扫描制作模型。支持这些努力的是聘请的医疗保健技术管理人员来保持 3D 打印机的运行。
生物医学工程师 Amy Alexander 和 Hunter Dickens 使用 Mayo Clinic 3D 解剖建模实验室最新的 3D 打印机。放射学研究后被协议d 考虑到 3D 打印，分割器从图像中描绘出各种器官和身体部位以进行打印。需要通过手术切除的肿瘤或受损区域由确定肿瘤边缘的放射科医生确定。
例如，计划切除的大型盆腔肿瘤制作了模型。为了创建这个模型，技术专家将骨骼、动脉、输尿管（尿液通过的管道）分割开来。 “那是五种不同的 CT 扫描，它们必须相互配准。分割器做了很多工作，但放射科医生的工作是分割肿瘤并确保其余部分准确无误，”莫里斯说。
为确保质量，每台 3D 打印机都会定期进行测试。虽然 Mayo Clinic 拥有 CT（计算机断层扫描）技术以确保可重复性和准确性，但该实验室主要依靠试片、体模和基准标记来评估、分析和调整设备。
Myriad AM Technologies
Mayo Clinic 使用多种增材制造技术，并保留冗余类型的设备，以确保在一台或多台打印机出现故障时，它们可以继续生产。技术包括材料挤出技术、大桶聚合、材料和粘合剂喷射以及粉末烧结。打印机因成本、可用材料选择、颜色选项、模型刚度和支撑结构等而异。
建模实验室使用三台材料挤出机，其中两台是 Ultimaker S5 ，它是一种熔融长丝制造 (FFF) 设备，也称为熔融沉积模型 (FDM) 机器，以及 PRUSA i3 MK3S 挤出机。
这种打印工艺使用固体热塑性材料长丝，被推过一个加热的喷嘴，在这个过程中熔化它。材料沿着预定路径沉积在构建平台上，灯丝凝固形成固体物体。
Vat 聚合是一种 3D pri光源选择性地固化大桶中的光敏聚合物树脂的固化过程。两种最常见的桶聚合形式是 SLA（立体光刻）和 DLP（数字光处理）。这些类型的 3D 打印技术之间的根本区别在于它们用于固化树脂的光源。 SLA 打印机使用激光束固化构建平台上的单个树脂点，而 DLP 使用投影仪发出的紫外线通过一次将整个层投影到大桶中来一次固化一层树脂。
正在使用的大桶聚合技术包括来自 Formlabs 的四种 SLA 模型，称为 Form2 打印机。第三台 Formlabs SLA 机器 Form3L 是 Form2 打印机的大哥，计划于 2020 年安装。在 DLP 方面，该实验室运行着 NewPro3D NP1 机器，据报道该机器可以对光敏聚合物进行超快速 3D 打印。另一项正在使用的技术是粉末床融合，Mayo 使用选择性激光烧结 (SLS)，其中 sm所有粉末颗粒都通过高功率激光将它们熔合在一起进行加热。该实验室使用 EOS P110 Formiga。 EOS 机器通常用于烧结金属，但该公司已将该技术用于使用 30W CO2 激光烧结塑料。
该实验室还使用 Stratasys Objet 500 Connex3 材料喷射技术，即 3D Systems 的 ProJet 660 Pro 粘合剂喷射，并在 2020 年将用于材料喷射的 HP 580 打印机添加到组合中。这些设备的作用类似于喷墨打印机。材料喷射使用有选择地沉积并固化在构建板上的材料液滴。当暴露在光线下时，液滴会固化，物体会一次一层地堆积起来。通常可以同时打印不同的材料和颜色。
粘合剂喷射工艺使用液体粘合剂选择性地粘合粉末床的区域。粘合剂喷射在粉末表面上移动打印头，沉积通常直径为 80 µm 的粘合剂液滴。这些液滴将粉末颗粒结合在一起，形成物体的每一层。
传播信息
所需的机器数量以及实验室使用的各种机器类型，可以对于一些不熟悉增材制造环境的实验室来说，这会让人望而生畏。为了分享其机构知识，这是梅奥兄弟一个多世纪前做出的承诺，Morris 走遍全国“教人们我们所做的事情，帮助其他实验室建立自己的地位。”
Mayo 还与北美放射学会制定标准。 Morris 表示，成立了一个工作组来处理增材制造问题，包括软件、基础设施和 IT。 RSNA 3D 打印特别兴趣小组 (SIG) 的成立是为了帮助推动行业向前发展。其使命宣言如下：通过教育和研究、协作和研究，促进将最高质量的 3D 打印应用于医学。
作为梅奥Clinic 继续其 AM 追求，如果员工取得重要进步并将其添加到为 Clinic 成立 200 周年而创建的另一份进步清单中，也就不足为奇了。
