源于心 践于行|郝永强:3D打印关节,让骨肿瘤患者重燃生命之光

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3D打印个性化关节假体,为盆骨肿瘤等过去无法治疗的骨科严重疾病找到了新的治疗方式,不仅给患者创造了生存下来的机会,也让很多原本生活质量很差的骨科疾病患者提高了生活质量。

上海第九人民医院是国内最早开展3D打印个性化关节假体探索的医院,从上世纪八十年代开始,戴尅戎院士就已经通过医工合作开展了个性化人工关节的研发,奠定了3D打印在骨科领域应用的基础。在此基础上,戴尅戎院士的弟子郝永强教授带领团队,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。为了真正实现“个性化”和“精准化”,郝永强教授团队自主研发医学图像处理软件和金属3D打印个性化骨盆重建假体。

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教授领衔完成的项目《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》获得上海市科学技术进步奖一等奖。

图:郝永强教授领衔项目获上海市科学技术进步奖一等奖

经过多年的努力,3D打印个性化关节假体从一个理念、一种尝试,逐渐变成了如今临床上已经可以成熟应用的技术,而且,这一套成熟的技术及治疗模式已经被推广到国内其他医疗机构以及除了骨盆以外其他疾病的治疗中。

3D打印个性化关节假体,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式,不仅给患者创造了生存下来的机会,也让很多原本生活质量很差的骨科疾病患者提高了生活质量。

郝永强教授说:基于3D打印技术的个性化医疗,在一些疾病的治疗上能锦上添花,对某些疾病,就是救命的雪中送炭。

至今,郝永强教授团队已经为近200名患者实施了3D打印个性化金属骨盆功能重建,“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打印个性化治疗上走到了世界前列。

骨盆肿瘤患者,绝望中有了希望

上海第九人民医院十号楼五层,玻璃门上“3D打印接诊中心”非常醒目,白色基调的室内空间,让人感受到“未来感”。记者走进一个房间,陈列架上摆放着大大小小的人体各个解剖部位的骨骼、关节模型,其中最多的是骨盆模型。

骨盆模型每一个都不同,郝永强教授向记者介绍,这些模型就是根据患者真实的影像检查数据,通过计算机软件的计算和绘制以后,用3D打印技术打印出患者1:1的骨关节模型。

记者看到,有的骨盆模型上有绿色标识的肿物,那就是患者真实的肿瘤形态。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等信息一目了然。

郝永强教授介绍,这些模型是以往患者的模型,放在这里展示用来向大家介绍3D打印技术在骨科疾病治疗中是如何具体应用的——毕竟,3D打印与医学结合的新技术,初识者理解起来的确不容易。

今年33岁的陈蕾(化名),一开始也很难理解这项新技术究竟跟她的病有什么关系。但现在,当3D打印个性化关节假体成为她身体的一部分,真实地改变了她的生命质量,这个技术,就变得有了温度。

5年前,陈蕾因为患骨盆、髋关节及周围软组织恶性肿瘤,辗转从福建山区慕名到上海九院就诊。按照传统的观念,陈蕾的病情几乎没有办法医治,因为骨盆及髋关节肿瘤如果彻底切除,那么留下的巨大缺损很难有适当的办法修复,最终可能肿瘤没控制好,还带来严重的残疾。

经过影像学检查、骨与软组织肿瘤MDT多学科讨论,郝永强教授为陈蕾制定了个性化手术规划,应用3D打印个性化骨盆模型、3D打印个性化手术辅助导板、3D打印个性化骨盆金属假体“三位一体”的个性化模式进行治疗。2014年,陈蕾接受了精准、完整切除骨盆、髋关节巨大肿瘤的手术,然后再接受了个性化保肢功能重建。

5年多过去了,作为两个孩子的母亲,陈蕾重新回到了正常的家庭生活中,享受现代医学创新带来的美好生活。

陈蕾的治疗过程体现的正是郝永强教授团队经过多年自主创新与转化的科研成果。如今,“骨盆肿瘤精准切除与个性化功能重建”这一由中国医生自主创新形成的关键技术,让中国的骨科肿瘤重建走在了世界前沿。

3D打印“三部曲”,实现个性化精准治理

如今,3D打印已经越来越普及,甚至在幼儿启蒙教育里都已经有了3D打印课程。诞生于上世纪八十年代的3D打印技术最早被应用在航空航天领域,而在上海,上海九院骨科戴尅戎院士与上海交通大学王成焘教授医工结合、率先将3D打印与医学尤其是在骨科领域结合在一起,成为医学发展的新方向,实现了骨科手术由“削足适履”向个性化的“量体裁衣”转变。

郝永强教授介绍,早期,同一款假体几何形态基本一致,仅有不到十种尺寸差异。后来假体设计不断改进,组成假体的部件有多种规格并在连接部设计了更多的调节接口。但即便如此,还是难以实现最优化重建。尤其对存在显著解剖畸形、肿瘤及翻修的患者,例如骨盆恶性骨肿瘤,标准化的假体无法替代缺损。

比如骨盆肿瘤病人,每个患者病变与切除范围存在很大的不确定性,为了保障手术彻底,降低肿瘤复发率,医生需要个性化地采用各种根治术或扩大根治术,一般骨盆缺损的范围会比较大,这就增加了骨盆修复难度,而商业化的积木式假体往往很难完美匹配与替代缺失的解剖结构。

因此,长久以来骨盆肿瘤被视为骨科手术的“禁区”。3D打印出现后,个性化定制终于有了实现的载体。

郝永强教授团队首创的3D打印技术“三位一体”骨盆肿瘤精准切除和个性化功能重建的治疗模式,将3D打印与骨科治疗相结合的治疗模式推向成熟。

3D打印“三部曲”的第一部,是应用数字医学和3D打印技术,通过医工结合,创建术前3D打印个性化骨盆病变模型,有了这个模型,医生们可以进行手术模拟与设计,精确地给出手术范围、手术方式,确定手术方案,对手术中可能出现的各种情况做好充分的准备。

过去外科医生手术前只有患者的影像学资料,图像毕竟是二维的信息,经验不同的医师理解都不一样。“有了3D打印,半天时间就可以给患者打印一个1:1的骨盆模型。速度快、精准,外科医生在手术前通过病人病变模型就胸有成竹,手术时间缩短、质量大大提高。”

郝永强教授说,骨盆邻近有消化、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。

有了3D打印,手术中,医生在3D打印个性化手术导板的辅助下操作,导板可精确地引导医生确定手术切除方向和位置,将肿瘤精准切除。

上世纪80年代前,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,但即便能够存活,生存质量极差。骨盆肿瘤的保肢是世界性难题,难在骨盆肿瘤切除后骨盆缺损形态复杂、个体异大,传统方法无法重建或重建效果不佳。

3D打印“三部曲”的最后一部,是3D打印的个性化金属假体。10年前,3D金属打印技术的出现,戴尅戎院士、郝永强教授团队终于有了“放大招”的利器。手术前,医工讨论,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打印一个订制的金属假体,肿瘤切除后,医生就可以为患者植入这个“量身订制”的个性化金属假体。

目前,3D打印的个性化金属假体,可以实现解剖学、力学及生物学重建,功能的补偿,多数骨盆肿瘤患者在肿瘤切除及植入3D打印个性化假体后,恢复日常生活。

为了圆满实现这“三部曲”,团队自主研发影像快速建模与多模图像配准软件,实现骨盆肿瘤边界的精准确定;自主研发多种类型的金属3D打印个性化骨盆重建假体,实现假体植入后的解剖适配、力学适配和生物学适配。

该项目发表SCI论文83篇;授权专利48项;获软件著作权3项。举办了国家级学习班14次,在国内外受邀做主题发言、特邀报告共计108次;创立医学3D打印创新研究中心全国联盟,将个性化治疗理念和医学3D打印技术推广到23个省份56家医院,取得了良好的社会效益。

有工程师上班的骨科

上海第九人民医院在3D打印医学应用能如此超前,得益于医工的紧密合作,在九院骨科,医生们的同事不仅仅是医生,还有工程师。

记者旁听了郝永强教授主持的一次多学科诊疗讨论(MDT)。一位女性患者,20年前因患大腿骨肿瘤,切除了大腿股骨远段,并安装了肿瘤型人工关节。现在,人工关节出现了问题,走路只能拄着拐杖。这是一位典型的“人工关节翻修”病人,经过多学科专家的讨论,考虑到患者年龄、体质、人工关节损坏的位置等因素,郝永强教授准备为患者更换部分人工关节,用3D打印订制的关节,与她原有的人工关节连接在一起。

诊断基本确定后,郝永强教授请工程师一起参与讨论。“你觉得能实现吗?技术上有没有问题?”工程师负责回答医生们提出的各种疑问并解决它们。在骨科,一共有十多位工程师与医生们一起工作。

郝永强教授团队已经为近200名患者实施了3D打印个性化金属骨盆功能重建。

通过预先设计,制造出符合个体化需求、完美匹配而且能顺利植入体内的假体——30年前,正是在这种设想下,戴尅戎院士迈出了医工结合探索个性化假体关节技术的第一步。

郝永强教授告诉记者,戴尅戎院士是我国最早接触3D打印技术的医学专家之一。在烟台的一次人工关节学术会议上,戴尅戎教授与时任上海交通大学精密机械系主任王成焘教授相识,返沪后双方立即带领团队相互参观交流,从此开始了两人和两个科室长达30多年的合作。

当时3D打印技术的雏形被称为快速原型技术。戴尅戎院士和王成焘教授合作尝试将计算机辅助设计与加工制造技术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物数字制造系统,合作产品获得了定制型人工关节的生产许可证,为越来越多的疑难病例重建运动和负重功能提供了有自主知识产权的定制型人工假体。

“早期,戴院士做手术,王成焘教授站在手术台边随时待命,解决问题。”郝永强教授说,这是医工结合最有代表性的画面,也是上海第九人民医院骨科在探索3D打印技术医工结合上传承的优良传统。

2013年,上海第九人民医院在全国成立第一家医院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,中心拥有了高分子、金属等多种材料与规格及生物3D打印设备,2015年成立了医学院打印中心,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多个省成立医学3D打印分中心,通过辐射进一步推动了医学3D打印的发展。

迄今为止,医学3D打印技术已推广到骨科(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。

郝永强教授说,上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印团队,越来越受到了世界同行的瞩目,这个技术平台不仅是一个为全国患者服务的接诊中心,还是一个不断创新的研究中心。医院内的接诊中心、位于浦东新区的研发中心、位于浦江镇的加工中心,组成了上海第九人民医院3D打印平台从科研到治疗的完整学科链。

现代医学的发展,事实上就是医学与现代科技结合的成果,3D打印与医学的结合,为患者带来新的希望!

专家介绍

郝永强 上海第九人民医院骨科副主任,主任医师、教授、博士生导师

医疗专长:骨与软组织肿瘤的诊断及综合治疗;骨盆及四肢骨与软组织肿瘤的切除及个体化保肢重建;复杂、疑难性骨关节疾病及初次手术失败后翻修的个性化治疗(应用医学3D打印技术等);骨质疏松症及相关骨折的规范治疗;转移性骨肿瘤的诊断与综合治疗。

专家门诊:周一下午,周三上午


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