醫療 3D 列印入門介紹｜貳 Introduction to 3D Printing in Healthcare

這系列文章總括了許多 3D 列印產業面、醫療端、使用需求的概略介紹。上禮拜聊了許多基本概念、市場規模、法規規範，這個禮拜我們來看看目前在健康照護場域有哪些主流的應用，希望有更多對於醫療 3D 有興趣的朋友一起討論激盪！

術前計劃解剖模型

當病人的病理發現、病灶狀況比較複雜的時候，外科醫師和放射科醫師想用目前 2D 或 3D 影像學的造影技術做視覺呈現，會遇到不少困難。無論是外科或放射科領域的專業人員，目前越來越常運用 3D 列印的技術，能夠直接從掃描病人的影像做出 1:1 的解剖模型，印出來之後隨手攜帶和病人與團隊內其他科協作的同事討論手術要怎麼計畫、劃刀、執行等細節。

針對病人的溝通，有了 3D 列印輔助，病人可以在直觀可視化的狀況下瞭解自己的病況、手術會如何規劃，在有更多資訊細節的狀態下提出自己的想法、與醫療人員共同做出決策。在醫學教育面，醫學生和年輕醫師則有機會看到非常擬真的腫瘤、骨折、各種病灶，而不是只會出現在教科書或華麗的醫學網站上。

3D 列印解剖模型是怎麼做的？

簡言之，為了做 3D 列印解剖模型，我們要把病人的二維影像（通常是 CT / MRI / PET / SPECT）轉換成三度空間，大致上可以分成幾個步驟：

原始檔案通常是 DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）的格式，可以看到以橫切面（Axial / Transverse View，XY 軸呈現病人的左右和前後方向）為主的解剖影像。
因為影像通常是每隔一段固定距離就會切一次，我們可以想像這「疊」影像堆起來後就成為了病人從頭到腳的立體模樣，而不同張影像間的距離代表解剖模型的內部容積空間，串起它們的線則可視為 Z 軸。一般來說，影像間的距離越大，會漏失掉越多細節，3D 模型的解析度就越低。
我們把這些橫切的影像倒進處理軟體後，就會人工或半自動化地開始做「分割（Segmentation）」與非線性轉換，為資料庫裡的每個影像像素賦予特定的數值。
一旦所有資料都分割完成，我們會在 2D 影像建構容積表面（Volumetric surface）並輸出成 3D 的格式（如 .STL / .OBJ）。
視最後 3D 列印規格和需求而定，我們可以幫資料做列印前處理，像是為可能懸空的模型設計額外的支撐柱、為了視覺效果上色。完成後，我們會把檔案傳輸到 3D 列印機器的處理軟體。
列印時，軟體會把檔案再轉回 2D 橫切面「G-code」檔，導引機器一層層地連續創建出病人的解剖模型。

臨床教學、醫學教育

近年來，有越來越多研究顯示醫學教育結合 3D 列印解剖模型的益處，和傳統解剖課最大的關鍵差異是對於特定的病灶在解剖學上的表徵終於能夠「有（立體）圖有真相」，也不會因為每組同學所學習的大體老師因為構造上的個別變異而讓學習相對地不標準化。以下提供四篇探討 3D 列印用於教學現場所帶來影響的研究：

3D 列印手術植入物

當外科病人的病灶比較複雜、或是市面上植入物規格不符病人需求時，病人的解剖模型可被用作標準客製化植入物的參考點。用特定病人實際模型做出來的植入物（Patient-specific implants），像是骨板、不同大小尺寸的支架，是專門為該位病人的解剖構造和手術需求所專門量身訂製的，這方面的技術也越來越成熟，製作時間變快速、成本也變低。提供一篇 Nature 談 ACL 重建手術的 3D 列印應用：

3D Printing Surgical Implants at the clinic: A Experimental Study on Anterior Cruciate Ligament Reconstruction

醫療器材原型製作

3D 列印在製造業已經發展好多年了，最近醫療器材業者在製作原型（Prototype）方面也有所創舉。以往，當我們對新產品有想法、想做初步開發測試，會先 Prototyping 來確認使用者需求、有沒有解決到真正的問題，這個製作過程傳統上需要好幾個月、複雜的甚至幾年，但現在可能只要幾天、幾個禮拜就能完成，在速度上可說是大躍進。產品設計師在幾小時內就可以拿到具體的原型成品，加速了迭代測試的步調、短時間內軸轉出對使用者有用的功能。

產品生命週期縮短，大幅降低了成本、相同時間內提升測試次數、撐出了改善空間、增加產品安全性，也讓公司競爭力變高。只要把模型設計好，無論客戶對結果的需求是要用傳統製程還是 3D 列印，都有了選擇的餘地。

客製醫材、輔具

人體在自然老化、疾病、外傷的影響之下，作為零件的器官、組織難免會有所耗損，而因此失能的病人，如果能藉由量身定做的醫療器材作為輔助，對他們重獲一般日常功能的想望可以說是有非常大的幫忙。其中，四肢裝具是最常見的，光是美國就大約有 200 萬個截肢案例需要客製化的裝具。許多公司、非營利機構、組織運用 3D 列印技術，產製相對低成本的輔具來改善病人的生活品質。