郝永强:3D打印,改变医疗与未来
2020-08-03 浏览( 来源: 
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挑战骨科手术禁区

工作人员导入设计好的数字文件,给3D打印机铺上一层细若微尘的钛粉,轻轻按下“开始”按钮,电子束在照射区形成的1100摄氏度高温会让金属微粒自然熔解……24小时左右一件打印好的1∶1比例的金属骨盆重建假体摆放在了上海交通大学医学院附属第九人民医院(以下简称“上海九院”)骨科专家郝永强教授的面前。过去几年里,郝永强团队在戴尅戎院士的带领下率先将3D打印技术应用在骨科领域,已为近200名患者实施了3D打印个性化金属骨盆功能重建,实现了骨科手术从“削足适履”到“量体裁衣”治疗模式的重大突破,成为未来医学发展的新方向。

近年来,3D打印作为最具代表性的国际前沿技术之一,已经成为世界各国竞相研究的热点。从非金属到金属材料,从航空航天、国防军事到高端制造的金属部件,3D打印技术也将我们带入到了具有颠覆性的个性化医疗的全新时代。

郝永强所在的上海九院是国内最早开展3D打印个性化关节假体探索的医院,从20世纪80年代开始,戴尅戎院士就通过医工合作开展了个性化人工关节的研发应用,奠定了3D打印在骨科领域应用的基础。在此基础上,作为戴院士弟子的郝永强带领团队继往开来,继续在3D打印个性化关节假体的研发与临床转化应用上大胆开拓,应用3D打印技术首创3D打印模型、3D打印手术辅助导板、3D打印定制金属假体“三位一体”的骨盆肿瘤精准切除和个性化功能重建的治疗模式,让过去无法治疗或疗效不佳的严重骨盆疾病患者,有了更好的治疗效果和生活质量;并将“三位一体”的治疗理念、模式、技术推广应用到骨科及口腔外科、整形外科等医学领域。为了实现真正意义上的“个性化”与“精准化”,经过多年的努力,3D打印个性化关节假体从一种理念、一种尝试,逐渐形成了如今临床上已成熟应用的模式与技术规范,而这一完全由中国医生自主创新形成的关键技术,也让中国以骨肿瘤切除重建为代表的个性化骨科医疗走在了世界医学前沿。

郝永强介绍说,骨盆解剖位置特殊,邻近有消化、泌尿、生殖等脏器及重要血管、神经,解剖极为复杂。骨盆肿瘤患者面临肿瘤切除安全边界难以确定,重要脏器、组织易发生损伤等诸多问题,因此,长久以来骨盆肿瘤被视为手术的“禁区”,是公认的世界性难题。“尤其是20世纪80年代以前,如果患者确诊了骨盆恶性肿瘤,便面临着生死抉择。四分之一半骨盆截肢是病人能够存活下来的唯一治疗选择,但即便侥幸活下来,生存质量也极差。”郝永强描述了当年骨盆肿瘤患者所面临的绝境。

随着医学影像学、手术技术等不断发展进步,新辅助化疗、放疗等疗效的不断提高,为骨肿瘤患者长期生存提供了可能,而相同生存率下,选择生存质量高的保肢治疗成为病人及家属更强烈的愿望与需求。目前,保肢治疗已成为骨肿瘤患者的主要治疗模式,而骨肿瘤的异质性需要保肢治疗的个体化,其中,个体化的手术规划及个体化骨肿瘤保肢重建假体的设计、制造及术中个体化的准确安装是实现骨肿瘤患者完美保肢的关键。

时至今日,3D打印个性化关节重建假体,为骨盆肿瘤等过去无法治疗的骨科严重疾病找到了新的治疗方法,不仅给患者创造了生存下来的机会,更让原本生活质量很差的骨科疾病患者提高了生活质量。郝永强说:“3D打印技术在医学中的应用不止于打印出骨关节修复重建假体,还包含了在3D打印骨骼病变模型上模拟切除病灶及模拟安装假体、3D打印个性化手术导板帮助精准定位等一系列的辅助技术,从而突破了不少此前的手术禁区,也给手术带来了更多的安全性,给外科手术方式带来了翻天覆地的变化。一句话:将复杂手术简单化、危险手术安全化”。

作为国内从事相关研究最早的团队之一,郝永强与同事们突破了多项关键技术瓶颈,为骨盆肿瘤精准切除和个性化功能重建技术体系的创建、发展和推广做出了国际领先的贡献。在2019年度上海市科学技术奖励大会上,上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科郝永强领衔完成的项目“骨盆肿瘤精准切除与个性化功能重建的关键技术创新与推广应用”获得了上海市科学技术进步奖一等奖。

近30年持续不断的3D打印技术医学应用,形成了上海九院个性化治疗的模式。郝永强特别强调,与传统的标准化模式相比较,个性化医疗模式是一个崭新、颠覆性的模式,根据临床的需求,临床医生与影像、材料、软件设计、装备制造等工程师合作,形成产、学、研一体化的多学科合作模式,由此创立的基于3D打印技术的“三位一体”的创新治疗模式成功实现了从研究到临床的转化,使得中国在骨科3D打印个性化治疗上领跑于世界。

薪火相传 更新迭代

1995年,郝永强考入上海交通大学医学院攻读博士学位,正式拜在戴尅戎院士门下。在此之前,他曾在上海中医药大学师从全国著名中医骨伤大家施杞教授攻读中西医结合骨科专业硕士学位。在中国的医学工作者之中,同时接受两种医学体系洗礼过的人并不多。

“东方医学理论体系成形于两千多年前,强调‘整体观’‘个体化’等理念。而西方医学的发展是与现代科学技术紧密结合的,这是东方医学需要积极汲取的。”从西医到中医,又从中医再回到西医,郝永强回忆起当年求学时的经历,直言中西医结合的学习经历让自己受益匪浅,“所以我一直以为东方医学的理念加上西方医学的技术,这才堪称当代完美的医学新体系。医学要发展、完善,就必须多学科的交叉融合,从其他学科吸取营养,我们现在用到的3D打印技术也是如此。”

师从戴尅戎院士后,郝永强开始把全部的身心投入到骨肿瘤等骨科复杂疾病的个性化治疗当中。“由于骨肿瘤保肢治疗中肿瘤切除后重建没有标准化假体,所以必须由医师自己想办法解决,个性化重建假体是骨肿瘤保肢治疗的刚需。但在增材制造出现之前,减材制造制备的个性化的重建假体仅在少数发达国家能够实现,定制费用一般要在10万美元以上,定制周期一般需3个月左右。国内的骨肿瘤病人一来是经费上承担不起,二来是时间上也等不起。”


郝永强同戴尅戎院士(左二)讨论病情

早在20世纪70年代后期,戴尅戎院士就开始了骨关节的个性化假体设计的应用与转化研究。在一次国内人工关节学术会议上,戴院士与上海交通大学精密机械系的王成焘教授相识,从此开始了两人长达30多年的合作,国内最早医工合作,将计算机辅助设计引入个体化假体制造领域,初步建成了直接面向临床的个体化植入假体数字制造体系,2003年获得了定制型人工关节的生产注册许可证,为众多的复杂疑难病例重建肢体功能提供了有独立自主知识产权的定制型人工假体。20世纪80年代初,他们就设计出包括人工半骨盆、人工踝关节、肩关节的第一代个性化假体,并于80年代末基本上建立起个性化假体的技术体系基础。随着假体设计的不断改进,制备工艺的不断提高,到了2000年,第二代个性化假体日臻完善,不仅完全涵盖了骨科领域所需的个性化关节,还应用到了口腔颌面外科、眼科、整形外科等学科领域;不仅解剖形态个性化,力学性能也实现了个性化。但即便如此,临床医师提出的关键设计传统制造技术也难以实现,假体制造时间也难以满足临床需求。2010年,金属3D打印机的面世及技术的日臻成熟,郝永强在两位前辈的研究成就基础上,聚焦临床需求,开始了第三代个性化假体的研究探索。

“经过从第一代、第二代再到第三代,个性化假体的设计与制造技术体系不断优化完善,为此,我们做了大量原创及自主的工作,包括设计及应用软件的研发,我们可以应用自己研发的CT/MRI数字融合计算机软件来重建肿瘤真实边界,并通过3D打印把病变模型打印出来,在3D打印病变模型上讨论手术规划,如何把肿瘤精准切除掉?如何精准地安装个性化重建假体?为此,我们研发设计了3D打印手术辅助导板,使复杂的手术简单化。除了让假体解剖形态、力学性能个性化外,如何根据病人疾病的特殊需求,赋予假体个性化的特殊功能?如3D打印最常用的金属材料钛合金是惰性金属,与骨骼之间无法整合,永远存在金属假体-骨骼界面,也是前两代个性化失效的最主要原因。为此,我们团队做了大量的研究,应用3D打印技术,经过不断筛选,凡是与骨接触的假体表面都打印了能够骨长入的金属骨小梁,这样钛合金就能跟骨骼长在一起,3D打印的个性化关节假体真正成为患者身体的一部分,改变了假体的生存周期。通过3D打印技术赋予了金属生物活性,这种理念和技术上的突破堪称一个里程碑。”郝永强谈到当前的3D打印个性化假体技术创新如数家珍。

上海九院在3D打印医学应用领域能如此超前,一个重要的原因还得益于医(生)工(程师)的紧密合作。在九院骨科,医生们的同事不仅仅是医生,还有工程师。“医工交叉合作已经融入到我们医院每个医生的血液里面去了。戴院士和王教授是医工合作的先行者及践行者,他们两位前辈完全可以听懂对方的工作语言。如果工程师听不懂医生说什么,医生看不懂工程师做什么,那么产品设计、制备及应用上一定会出偏差的!”郝永强解释道:“所以我们首创了3D打印接诊中心,工程师跟医生一道看病,一道讨论手术规划、假体设计的工作模式。我规定工程师必须进手术室看手术,看自己的设计在实际应用中有无问题?是何问题?如何优化改进?包括手术后随访,工程师也须参与,发现问题,解决问题。因为个性化医疗模式有别于传统的标准化治疗模式,是真正给病人‘量身定做’的医疗模式,是一种医疗理念及实践的颠覆性革命。”

理念的转变至关重要,医生所承担的医疗责任、所付出的辛勤劳动等要比标准化医疗要多得多。每次手术前,医生和工程师都会反复多次讨论,应用计算机模拟骨盆肿瘤的边界及肿瘤切除后的骨盆缺损状况,再设计并3D打印个性化的骨骼病变模型及定制的个性化金属假体,郝永强介绍:“个性化骨骼病变模型就是根据患者真实的影像检查数据,通过计算机软件的融合数字化设计后,再3D打印出患者完全真实的1∶1骨骼模型。有了3D打印模型,肿瘤有多大?长在什么位置?与周围重要脏器、血管神经等之间是什么关系等一目了然、迎刃而解。应用3D打印手术辅助导板精准切除肿瘤后,医生就可以植入为患者‘量身订制’的个性化金属重建假体。”

致力推广 未来可期

上海九院的3D打印团队,越来越受到世界同行的瞩目,这个平台不仅是一个收治全国疑难病例的接诊中心,还是一个不断创新的研究中心,培养医学3D打印人才的培训中心,医学3D打印应用的转化推广中心。

2013年,上海九院在全国发起成立了第一家医院的3D打印技术临床转化中心,由3D打印接诊中心、3D打印创新研发中心、3D打印后处理中心组成,中心拥有高分子、金属、生物等多种材料与规格的3D打印设备,中心一经成立,迅速将多项3D打印技术成果在临床转化应用,经过不懈努力,2015年成立了上海交通大学医学院打印中心,2016年成立了上海交通大学医学3D打印创新研究中心,并在全国20多个省、直辖市成立分中心,通过技术交流辐射进一步推动了国内医学3D打印的发展。

不仅仅是3D打印个性化重建假体的转化应用能力,其实从3D打印材料到设计软件、3D打印机装备,每一个关键技术环节上,上海九院及合作团队都形成了自己原创的核心技术,形成了3D打印中心从研究到临床的完整的转化学科链。“如果某一个环节出现‘瓶颈’问题,我们就难以实现整体的突破。所以,在3D打印相关领域,我们3D打印创新研究中心及合作团队开展了大量的研发工作,希望能将这些核心技术牢牢掌控在中国人自己手里,只有这样才不会被国外‘卡脖子’,才能更好地应用我们的原创技术及产品解决医学难题。”郝永强如是说。

郝永强

近年来,上海九院3D打印中心也陆续接待了国外好多知名院校和医院前来参观交流。2018年,全美规模最大、设备最先进的梅奥医学中心的骨科团队到上海九院的3D打印中心参观,对上海九院的医学3D打印工作给予了高度赞许。“他们说,来之前的一个礼拜,梅奥医学中心骨科才开始利用打印骨盆模型来辅助完成骨盆肿瘤切除手术。而应用3D打印骨盆肿瘤模型辅助手术规划、模拟肿瘤切除与假体设计、术中辅助手术,我们20年前就开始做了,现在已是常态。所以,从治疗理念、应用模式、核心技术,以及病人的复杂程度等综合来看,我们非常自信,我们已经走在了国际前沿。”郝永强自豪地表示。

在骨科3D打印个性化假体研发及转化应用领域辛勤耕耘多年,郝永强感触良多,骨肿瘤在骨科领域是最难、最具挑战性的,大多数骨科医生可能会敬而远之。“因为需要付出太多,太累了。骨肿瘤外科医生,不光经常要挑战难度极高、充满未知、风险极高的手术,还要掌握化疗、放疗、免疫治疗等方法与技术,还要对病人及家属做心理疏导。”郝永强解释道,“这需要骨肿瘤外科医生不光会做手术,还需具备多种能力,扮演多种角色。为此,多年前,我们就组建了多学科合作团队(MDT),包括影像科、病理科、临床手术科室、化疗、放疗、输血科及中医科等;此外,为个性化假体设计及制备,组建了医工交叉多学科团队,包括软件设计、材料、机械制造等工程师。个性化医疗医生需要参与整个过程,既是个性化需求的提出者,个性化治疗方案的制定者,个性化假体设计的决定者,也是个性化医疗产品应用到病人的执行者。”正因为它复杂程度高、风险大,需要的团队力量非常强,所以,当前国内大部分的医院还没有开展,这让郝永强感觉到肩上的担子很重,“我们需要尽快将个性化医疗理念及相应技术推广至全国,造福于千千万万亟须治疗的病人”。

为了更好地推广个性化医疗理念及医学3D打印技术,这些年来,郝永强团队不遗余力地开办国家级继续教育学习班14次,国际会议12届。在国内外受邀作主题发言、特邀报告共计108次。通过举办学习班、手术示教、创立医学3D打印创新研究中心全国联盟、远程会诊等多种形式,将个性化医疗理念、3D打印骨骼模型、3D打印手术辅助导板和3D打印个性化植入体“三位一体”治疗模式及技术推广到全国23个省,56家医院。迄今为止,医学3D打印技术不光已推广应用到骨科(骨盆、髋、膝、肩、踝、肘、腕、脊柱),也广泛用于口腔、整形外科、神经外科,眼科、耳鼻喉科等全身各个部位的修复与重建。此外,3D打印技术还在康复领域如打印个性化的康复支具,推动康复医学的发展。上海九院也成为全国开展医学3D打印最广泛、最成熟、最普及的领军医院。

一路走来,从最初的不解、质疑,甚至于嘲讽,到现在大家对于3D打印个性化医疗的逐渐接受、认可和重视,过程来之不易。郝永强非常欣慰,也非常自豪自己拥有着一支跨越行业、甚至跨越系统的“大团队”,这支团结协作、勇于创新的队伍里不仅有医院的医务人员,还有合作的材料工程师、软件设计工程师、制造工业工程师等,这支大团队在一步一个台阶地努力前行,解决了医学难题,通过创新还带动了相关高科技产业的发展。

在郝永强30年的医疗生涯中,没有发生过一起医患之间的纠纷。他时常告诫团队的年轻成员,做一名医疗工作者除了练就高超的医术,更需具有仁爱之心。医学的发展离不开患者的奉献与支持,任何一种医疗新方法、新技术、新产品,都需要有敢于冒生命风险的患者第一个去尝试。病人也是医生的老师,医生的成长需要不断从病人身上学习、总结经验教训。他意味深长地说,其实患者与医师是守护健康与生命的命运共同体。“医学3D打印有利于将抽象、难以说明白的疾病立体化地呈现,比如,3D打印的骨盆肿瘤模型,肿瘤大小及周围重要脏器、血管神经关系在模型上一目了然,让病人及家属更加清楚地理解手术的难度及风险,便于医患沟通。”郝永强解释说,“从治疗方案及费用等的选择,我都会站在患者及家属的角度替他们考虑,把病人及家属所有的疑虑及问题都在手术前消除,这是我多年一直坚持的做法。”

没有骨骼的健康,就无从谈起“大健康”,现代医学未来发展的方向是个体化、精准化,基于3D打印实现的个性化骨关节功能重建是个性化医疗的成功典范,带动着个性化医疗的发展。放眼未来,郝永强表示,3D打印会越来越多地应用在医学各个领域,同时,以打印活性组织细胞、器官为代表的生物打印有望在不久的将来应用于人体,将会对人类的健康做出巨大的、前所未有的贡献。

科技改变未来,医学3D打印可帮助人类“脱胎换骨”梦想成真。


原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/kFRkIYIlCZR6EL-Y5yflwQ

 

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