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[转载]为雷神托尔造眼睛,激光增材制造可以做到

已有 189 次阅读 2018-6-14 09:30 |系统分类:科普集锦| 3D打印 |文章来源:转载

 

作者:段沐森1,吴凡2,刘瑞雪3

1黑龙江大学物理科学与技术学院

2山东省立医院皮肤

3视网膜健康中心科研部

复联3里,火箭浣熊看到雷神少了一只眼睛,就从背包里拿出来收藏的眼睛,给了雷神,雷神解下眼罩直接装上就能用了。

现实世界中借助一种技术也能为眼科患者带来福音哟。

这种技术,在各行各业都有应用,几乎可用来打印任何东西:

从日常用品到航天设备,从武器到食物,在各行各业均有应用。在医疗领域,更被广泛应用于骨科、牙科、整形、疾病建模、药物生产等。

他就是:


3D打印技术发展迅速,虽进入眼科领域较晚,但发展迅猛,特别在最近两三年,相关论文及报道逐渐增多。国内外有多个课题组开展3D打印在眼科中的应用研究,部分成果在临床已经取得成功,有的甚至已达到商业标准。

该技术在眼科中的应用有哪些进展,让我们一探究竟。

3D打印与个性化眼科整形

在眼科或者面部整形领域,医生面对的最大问题就是个体的差异性。对于眼眶受损需要修补或者需要植入义眼的病人,医生和病人不仅希望最大限度地恢复其功能,还希望植入物或者假体能够尽可能的合身、美观。

但是统一生产、相同规格的植入物很难满足每一个病人的需求。3D打印技术可以灵活方便的修改设计文件,生产完全个性化的植入物,同时可以小批量生产且精度高,能人性化的满足每一个病人的需求,非常适合应用于这一领域。


眼眶骨重建与整形

眼眶骨结构复杂,弧度不定且个体差异大,传统植入物的选择和调整难免存在误差。现在,医生可以通过3D打印技术为患者提供个性化的眼眶骨。

整个打印过程如图1所示:首先为了得到准确的眼眶骨参数,需要对病人眼眶周边进行计算机断层扫描(CT)和核磁共振检查(MRI),再根据扫描数据,利用专业软件绘制出正常的眼眶骨三维图形,得到用于3D打印格式的文件,3D打印机根据文件制备出相应的植入物。

图1 3D打印眼眶骨流程示意图

2016年荷兰D.L.Mourits等人使用3D打印技术为一位6岁中国小男孩进行眼眶骨重构手术获得成功。患者天生单眼小眼症并有巨大的眼眶囊肿,眼眶骨已经严重变形。医生通过3D成像技术(CT和核磁共振技术),获得囊肿和眼眶周边的数据,生产出眼眶骨及周边骨骼的模型,如图2(a)所示。根据所得的模型,设计并打印出要植入的眼眶骨,如图2(b)所示。在手术之前,医生可根据打印出来的个性化的眼眶骨模型和植入物,充分考虑肿瘤切除后产生的空间和重建物植入之后可能占用的空间进行调整。患者术后恢复良好,两眼基本对称,如图2(d)所示。

图2 (a)术前眼眶骨畸变的头骨模型,(b)植入物,(c)将植入物放置于模型内,(d)患者术后照片

该手术的难点在于:患者年龄小,部分需重建的骨头厚度小于1 mm,依靠传统方法准确定位手术位置十分困难,采用3D打印技术更好地保证了这个手术的成功实施。

这一类3D打印方式采用选择SLS或者粉末喷墨技术,打印材料采用钛合金或者高分子聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯)。从这些例子中我们可以看到:

3D成像技术可令医生获得非常准确的病情数据;

3D打印技术可提供准确有效的植入物;

两者结合使用可令患者获得非常个性化的医疗服务。

彩色义眼制作

眼球缺失的病人需要佩戴义眼。义眼没有视觉功能,主要作用是为了美观,通常材料是特殊的玻璃或者亚克力。批量生产的义眼模样一致,很难满足每一个人的要求。高端义眼是手工制作的,眼球细节需要在玻璃上人工手绘,制作时间长、价格昂贵。

英国Fripp Design公司自2013年开始,采用基于粉末喷墨原理的三维全彩打印机Spectrum Z-Corp 510,为客户定制义眼。3D打印的每一个义眼都精确描绘出不同虹膜,静脉网络等细节,以匹配佩戴者的另一只眼睛,并且有速度快、成本低的优势。

3D打印与精准眼科手术

立体定向眼科肿瘤手术

肿瘤的常规治疗方法是放射治疗,包括质子束治疗、带电粒子治疗、伽马刀立体定向治疗等。立体定向治疗需要十分准确的病灶定位和肿瘤体积,从而确定射线走向和放射剂量。成人眼内肿瘤最常见的是葡萄膜黑色素瘤,体积通常较小且在人眼后极部,不易精确对准,如图3所示。

图3 人眼结构示意图

精准给药

3D打印制药是通过层层打印的方式,打印出具有特殊外形或复杂内部结构的药品,从而控制药物到达病灶的位置或药物释放的进程,让人体对药物的利用更为合理。例如,当医生对患有眼内肿瘤的病人采用放射治疗手段时,需要确定放射射线的方向和剂量,由于患者面部高低起伏不一,实际到达病灶处的放射量可能不均匀甚至放射射线没有准确到达病灶。为了解决这一问题,通常会在患者体表放置一层石蜡,以减小可能存在的位置差异。

石蜡层的制作通常有两种方式:

一是医生根据病人脸部形状进行手工制作,该方法可以根据每个病人的情况进行给药,但是准确度较差,且费时费力;

另一种方法是通过计算机控制的铣床进行研磨制造,与手工制造相比,该方法准确度较高,但该技术掌握在美国Decimal公司手中。

采用3D打印技术有望改变这一现状,Lukowiak等对此进行了尝试,使用3D打印机为11位病人量身定做不同的石蜡层。由于打印时间过长,这种3D打印石蜡层技术尚处于试验阶段,未应用于临床。但试验结果表明,相比于传统手工制作,3D打印的石蜡层精度更高,更适合表面不规则的皮肤,均匀性更好。

精细眼科手术器材

人眼体积小、结构复杂,眼科医疗器材必须十分精密。例如,应用在经结膜玻璃体切除手术中的套管针,直径通常在0.5 mm左右。

2017年,加拿大Navajas等人尝试使用3D打印机打印此类套管针。他们采用的是一台商业化激光烧结类型(LS)打印机,打印材料是一种树脂材料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物),最终获得了直径为0.7~0.8 mm的套管针。虽然与商业化套管针相比,他们获得的结果并不完美,但若使用精度更高的3D打印机以及更有强度和韧性的打印材料,应该可以带更好的实验结果。

3D打印与移动眼科医疗

眼部疾病通常给患者带来非常大的痛苦,而且许多眼科疾病不单单是眼部一个器官的问题,更是全身系统性疾病的反映。比如,糖尿病、高血压等慢性病均会造成眼部的病变。此类病人会被建议去眼科做检查以便医生更准确的了解病情。越早发现异常,越能及时进行诊断和预防,越能在基层进行确诊,越有利于诊治和疾病控制。然而,眼科医疗具有高度的专业性,眼科检查设备昂贵,导致在基层诊所或者社区医院进行较为全面眼科检查非常困难。

3D打印技术凭借其独特的高效率、低成本、易于定制化的特点,开始在面向大众、面向社区的眼科基层医疗中发挥作用。2015年,新西兰Chong使用3D打印机,制备出可使用在智能手机上的眼底照相机和裂隙灯显微镜,成功获得青光眼视盘和白内障患者的图像。

眼底相机由7个不同的打印部件组成,主要包括一个可调节的支臂,如图4(a)所示;手机相机夹持部件,如图4(b)所示,需要成对使用;镜头夹持部件,如图4(c)所示;相应的螺丝和螺母等附件。整套眼底相机的组装示意图如图4(d)所示。

图4(a)可调节支臂,(b)手机夹持部件,(c)镜头夹持部件,(d)整套组装图

若采用面向家庭或个人的熔融沉积(FDM)打印机,打印材料可使用常见的商业材料,如尼龙等,整套材料费用在40美元以内,而成像效果却可以和专业眼科检查器械相媲美。

这些设备和手机相连,所采集的图像可以方便地分享给专业眼科医生。相应的手机应用也已经推出,可智能分析疾病隐患。该课题组为了在全球范围内推广这一应用,整套3D打印设计代码是开源代码,任何基层临床医生或者普通人均可以下载并使用。

2017年,Jansen等在一位22岁的年轻人眼中发现了金属异物,所使用的检查工具即为在普通智能手机上可以使用的3D打印眼底照相机。

3D打印技术出现在大家面前,让越来越多的医疗诊断成为可能,其廉价与便利会给广大患者带来福音,普通人有望在接受检查和治疗的最初阶段—在社区医院、基层诊所甚至在家里—就能得到专业高效的诊断和指导。

3D打印与复杂视光学镜片

视光学是普通人接触眼科最多的领域,包括验光和获配镜。使用3D打印机打印镜框较简单,而制造透明的镜片则比较困难,这主要是因为若透明材料的选择不当或打印不均匀,可能出现杂光和鬼像。

俄罗斯khmyrov等人尝试使用透明的石英颗粒作为材料,采用SLM来制造透镜。他们使用直径小于20 μm的石英玻璃粉末,用波长10.6 μm的紫外激光照射,打印的单层厚度在100~200 μm。为了保证打印镜片的均匀性,紫外激光的参数必须要精确控制以便熔化温度保持恒定,这对于工业SLM打印机可能难以实现,因此尚未得到优良激光3D打印透镜零件。

在2017年年初,荷兰3D打印光学公司Luxexcel取得突破性进展,首先他们采用构筑板确定镜片的形状,使用喷墨系统将硅聚合物喷洒到构筑板上,然后照射紫外激光或者红外激光进行固化。这样生产出来的镜片不用打磨抛光等后续处理便可直接使用,且部分眼镜镜片已经达到了相关行业标准。

随着技术的不断发展,3D打印镜片也会取得更大的发展。可以期待未来3D打印镜片质量更加优异,结构更加复杂,比如:激光3D打印多点、不规则曲面的镜片。

飞秒激光写入与眼科仿生

飞秒激光写入(FDLW)技术是一种新型的3D打印技术,可用于微细精密加工领域,成功应用在微米或纳米光学中。该技术利用超短脉冲激光,在微时间尺度加工光敏材料,该材料可直接打印在多种基板上,打印出的模型无需后续处理便可直接使用。 激光3D打印技术可轻松打印多种形状且不会增加更大的加工压力,在设计光学镜头时可以设计任意曲率的表面,而不用担心非常规曲率带来的加工难度和高昂的成本。

Thiele等利用该技术将微小透镜直接喷绘在一块金属氧化物半导体元件(COMS)成像面板上,打印出了高度小型化的相机,用来模仿动物的眼睛,其中微小透镜用于模拟眼睛晶状体,CMOS成像面板则用于模拟接收图像信号的视网膜。

首先利用专业光学软件Zemax计算出想要的光学系统(即要模拟的动物眼睛)的各种参数,比如镜面曲率、成像距离等。

然后根据这些数据设计3D 打印文件,并由FDLW 打印机制备透镜。由于打印基板就是CMOS成像面板,因此当打印结束时,透镜直接和CMOS成为一体,不需要采取其他措施便可以接收图像信息。Thiele 等一次性打印了4 个直径为300 μm的不同焦距的小透镜,每个透镜的制备需要1-2 h。与一个真正的动物眼睛相比,该仿生眼的感光细胞数量过少,所成图像的分辨率不高。

若采用更高密度的COMS成像面板,仿生眼可以拥有更多的成像像元,从而提高成像空间分辨率。随着激光3D打印技术的进步,小透镜的尺寸可以做得更小,这样可令仿生眼用在更微小的成像领域,例如内窥镜检查等。

眼科新未来

激光3D打印技术具有易于定制化、高效率、低成本的优点,提高了医疗服务水平和眼科医疗器械的研发效率。

目前,激光3D 打印技术在眼科许多领域,如微小医疗器械、透明镜片等领域还处在探索阶段。但是,随着激光3D 打印技术以及材料等方面的发展,很多问题将迎刃而解。

国内眼科也在关注激光3D 打印技术,2016年国内首家激光3D 打印眼科应用研发中心落户青岛市立医院。 可以预见,激光3D打印技术在不久的将来会为眼科医疗带来新的革命。


参考文献:

段沐森,吴凡,刘瑞雪 激光增材制造技术在眼科中的应用[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(1): 11406




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