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生物医学和技术集成中心

“我们能够创建模拟真实人体组织的模型, 实现更加逼真的手术模拟。”

—Yuwaraj Kumar Balakrishnan,生物医学和技术集成中心

生物模型定位和标記

生物模型定位和标記

颅骨钻孔

颅骨钻孔

对准活检臂

对准活检臂

活检臂和活检针就位的生物实体模型图

活检臂和活检针就位的生物实体模型图

生物医学和技术集成中心(Centre for Biomedical and Technology Integration, 简称 CBMTI)是马来西亚马来亚大学名下的一家附属商业机构,主要为政府和私立医院生产 定制医学植入体。中心同时与医疗行业紧密合作,改进医院管理并提升外科医生培训水 平。在这两类业务上,3D 打印都扮演著重要角色。借助冷压技术,公司採用3D打印原 模来塑造鈦材料植入体。在另一个突破性培训项目中,中心更成功借助 3D 打印技术,制 作出具备精确细节的多材料3D打印模型,精准模拟人体各部位的外观和质感;这一技术 甚至能成功制作出特定类型的肿瘤组织模型。

在中心创立之初,神经外科的专业人员培训只能通过计算机模拟和尸体解剖完成。了解 了3D 打印生物模型后,中心意识到这一技术这将大大提升培训水平,于是有意引进3D 打印技术,从而快速制作高质量模型。公司的首台 3D 打印机成功制作出了精准的立体模 型。但当时的机器只能支持使用一种实心材料。为进一步模拟人体病理学的细緻部分, CBMTI 需要在此模型上进行加工,添加模拟人体的软组织,其中涉及大量人工工序,且 耗时长达一周。这样的后期处理不仅耗时耗财,更需要投入不少宝贵的人力资源。

随着 3D 打印技术的发展,CBMTI 认识到多材料 3D 打印技术能以更高效、更具成本 效益的方法创制出更逼真的模型。其中两款 Stratasys 3D 打印系统吸引了中心的注意:Objet Eden 350 3D 打印机——可用17种不同材料中的任何一种创建模型;和 Objet500 Connex 3D 打印机——提供超过100 种材料选择,且可在单个模型中结合使 用不同材料。

CBMTI 决定同时引入这两款 3D 打印机。“由于 Stratasys 打印机能够打印多种材料,因 而早已我们被列入考虑之列。因其出色的精确度、打印速度及易於使用等优势, Stratasys 打印机最终成为了我们的首选,”CBMTI 运营经理 Yuwaraj Kumar Balakrishnan 表示。

数量与质量的全面提升

引入 Stratasys 3D打印机后,中心的产能提升了40%。中心将 Eden 3D 打印机用于手术规划,主要制作手术期间使用器械(例如钻模和手术导板等)。 Connex 3D 打印机则用于为大学研究项目创建原型及制作生物模型。凭藉其同时进行多材料打印的优势,CBMTI 现在可制作出高质量模型,其内外结构均能呈现不同质感与密度,精确模拟人体的不同部分。

在制作模型时,首先将病人的 CT 和 MRI 扫描数据转化为成像数据,然后为各部分设定不同特征的材料。之后,3D 打印机基于这些数据创建在空间和解剖学上均达到精准水平的实体模型。通常情况下,系统会将两种基体树脂以不同比例混合,模拟人体不同部分的各种特性——例如,在“硬”和“极软”的材料质感之间,便有多种变化选择。

“利用 Connex3D 打印机,我们成功在打印模型中模拟出真实的人体组织,例如皮肤、骨骼、硬脑膜、大脑和肿瘤等。完成的模型会被用于模拟手术。我们还结合了流体力学等其他特性,以更好地模拟出神经外科内镜手术程序,”Yuwaraj KumarBalakrishnan解释道。流体力学特性包括在不同压力下向管中加注液体,以模拟出血情况。

除了制作出的模型逼真写实外,3D 打印技术能够基于成像数据直接制作最终成品(即数字化制造),中心因而能轻鬆创建出按比例缩小的模型,用于快速测试,省时之馀更省却了不必要的材料用量。

伟大创新

自从 CBMTI 引入了 3D 打印技术,中心利润明显增加。由20名临床医生、快速原型设计工程师、电脑程序员和电气工程师组成的队伍,携手开拓了三个以 3D 打印技术为基础的业务领域:为大学研究创建原型;研发定制钛材料植入体;以及为手术培训生产定制生物模型。“自从我们开始使用这些打印机,研究员对我们模型的兴趣大大提升,” Yuwaraj Kumar Balakrishnan 表示。

“Stratasys 3D 打印机是缔造创新产品的理想平台。我们以前只能用钛板成型的方式制作颅骨植入物,现在有了 Stratasys 打印机,我们可以通过患者的实际成像数据,根据病理学的原理来制作生物实体模型。” Yuwaraj Kumar Balakrishnan 表示。

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