3D 列印技術在胸腔以及骨盆精準手術之應用

■國防醫學院三軍總醫院醫用3D 列印中心 / 陳加恩研究員

前言

3D 列印技術過去十年間在製造業掀起革命性的變革，2012 年英國經濟學人雜誌大膽預測將掀起第三次的工業革命的關鍵技術就是「3D 列印」。在醫療產業也逐漸產生許多相關應用與研究。由於3D 列印技術能藉由影像軟體編輯、模擬、重建病灶的電腦斷層影像，並以一比一的比例實體印出，因此能針對每位病人案例設計客製化模型以及手術導引版，對醫師的診斷與手術治療有相當程度的幫助。3D 列印在醫學的未來發展大方向可以分為五個階段，分別是手術前的模擬以及規劃→客製化3D 列印手術導引模版→客製化3D列印金屬植入物→ 3D 列印可生物降解支架→生物組織器官列印。從臨床應用到基礎醫學研究，3D 列印的技術將會在近幾年內帶領醫學研究與應用進入一個新的階段。

3D 列印技術在臨床手術應用的關鍵在於發掘臨床的需求(Clinical Unmet Need )，並使用3D 列印技術導入找到最合適的創新臨床模式應用，此過程需要醫師與技術工程師大量的溝通與討論，才能激盪出創新的應用模式，而醫療3D 列印的處理標準流程整體流程可以分為四個階段來處理：(1) 醫學影像及掃描；(2)電腦輔助設計；(3)3D 列印製作；(4)3D 列印實體模型處理以及臨床應用。透過3D 列印技術的導入，可以協助醫師面對複雜的臨床個案，做術前的電腦分析以及手術規劃。

圖1：3D 列印技術在醫學領域的發展階段

3D 列印輔助胸腔外科漏斗胸手術

在胸腔外科的應用領域當中，本研究團隊與三軍總醫院胸腔外科黃才旺主任及林冠勳醫師研究團隊合作研發，過去將3D 列印技術應用於漏斗胸的手術治療當中，於105 年度開始獲得科技部三年期研究計畫，獲得2017 年臨床新創獎，並發表多篇醫學研究期刊於美國胸腔外科醫學會SCI 官方期刊<The Annals ofThoracic Surgery>。

漏斗胸是胸壁畸形最常見的一種，在臺灣新生兒的發生率約800 分之一，胸骨會向內凹陷，影響外觀，對女生來說，甚至會影響胸部肌肉組織的發育，導致高低胸，嚴重影響外觀，此外，凹陷的胸骨，也會使呼吸受限，導致患者在運動快走時，明顯有喘的情形，這類患者每年約有300 位到400 位患者接受手術，漏斗胸手術自1998 年Dr.Nuss 發表微創手術Nuss procedure，此手術是利用矯正板將內凹之胸骨向外推擠，進而達到矯正效果，傳統納式手術之矯正程度，主要仰賴醫師的主觀評估與臨床經驗，既缺乏客觀的指標，也無法預測術後的矯正程度。手術中如矯正程度不符預期或是尺寸、曲度沒抓準，則需要將矯正板移出體外調整後再次置放。除增加手術時間，也會增加心包膜組織損傷、胸腔積水風險，以及增加胸腔組織損傷與併發症發生的機會。

藉由電腦模擬輔助與3D 列印科技預先決定預計矯正板的長度、曲率與置放的位置（肋間），能夠克服傳統納式手術的缺點，並達到更好的矯正幅度。而透過3D 列印技術的輔助，得以設計出最貼合病人胸廓長度以及曲度的矯正板，達到最佳的矯正效果，由於矯正板置放容易一次到位，也可將原本的手術時間從1小時縮短到40 分鐘，省下約20 分鐘的手術時間。

3D 列印應用於肋骨骨折手術

肋骨骨折是胸部鈍挫傷中，相當常見的狀況之一。主要症狀是骨折的位置會有強烈的刺痛感，尤其是進行呼吸、舉高手臂等牽動到胸部的動作時，會特別劇烈。此外，由於肋骨是從背後的脊椎一路延伸到前胸的胸骨，因此輕壓胸骨，也常會牽動到折斷的肋骨，而引發骨折部位的疼痛。單純的肋骨骨折，傳統的手術當中，通常會有較大的傷口，若不進行手術，只要以藥物適當地控制疼痛，六周至三個月之後便會逐漸自行癒合，但隨個人健康狀況與營養建立程度不同，也可能會有不癒合的狀況產生。有的肋骨骨折會合併氣胸、血胸、連枷胸或肺挫傷等較嚴重的傷害。多半會影響呼吸，嚴重者甚至會威脅生命安全，有緊急手術的必要。

目前肋骨固定手術技術進步，以追求提升病人的生活品質與縮短恢復正常生活的時程為目標，縮小手術傷口與減少手術時間，手術後病人恢復狀況明顯優於手術前。透過3D 列印技術我們更能完成術前模擬的手術固定，增進手術的精確度與縮短手術時間，增加病患滿意度。事前製作患者受傷部位模型，提高掌握傷況精準度，減少術程中需調整時間。傷口從傳統開胸約20-30 公分降至6-7 公分，而每根骨折肋骨的手術時間也縮短20 分鐘以上，同時住院、入住加護病房的平均天數也分別減少6 天以上，以及5 天之多。

圖2：3D 列印技術在臨床手術應用流程階段

3D 列印技術輔助骨盆骨折手術

在骨科範疇中，骨盆環骨折是臺灣很常見的嚴重外傷，受傷原因大多是交通事故和高處墜落、直接撞擊骨盆擠壓所導致，年輕人或老年人都可能發生；同時，骨盆是人體結構學裡最複雜的部分，故手術難度極高，成為全球死亡率和殘疾主因之一。

骨盆和髖臼骨折長久以來是性質相當複雜的傷害類型，執刀醫師需憑經驗及很好的立體解剖概念，才能勉強拼湊出病人的受傷情形，因此醫師能做的術前規劃也十分有限。更困難的是，由於鋼板必須在手術進行過程中才能進行彎曲、塑型，且每次塑型都要經由C-arm X 光機反覆照射確認與病人骨頭的貼合程度，這些工作不僅增加病人及醫療人員曝露在輻射下的次數，也拉長手術時間，連帶導致較多的出血量。本研究團隊與三軍總醫院骨科部部主任葉祖德醫師團隊研發複雜性骨盆骨折或髖臼骨折的創新療法，利用病患的電腦斷層影像，並透過最新3D 影像模擬復位技術及3D 列印技術事先印出所需1：1 大小之骨盆模型，並在手術前依個人的骨骼表面曲度將鋼板塑形、再預先比對規劃鋼板位置、模擬以微創的傷口置入鋼板及鋼釘，以免因不適當鋼釘之長度及位置產生的併發症。

藉由進行術前的模擬、鋼板塑形以及將虛擬影像實體化，3D 列印輔助骨盆手術相較於傳統骨盆手術方式，經臨床證實可大幅縮短手術時間，平均減少70 分鐘，平均減少出血量274ml、改善術後疼痛，同時大幅縮短手術中內固定置入的時間，平均減少57 分鐘，且病人術後恢復快，第四天即可進行床上肌力及關節活動復健。■

圖3：3D 列印技術於胸腔外科漏斗胸手術之應用 圖4：3D 醫學影像重建結合電腦輔助設計於漏斗胸手術應用