CN106696293A - 一种采用3d打印技术制作听小骨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种更加准确高效，能提高手术质量和安全性的采用3D打印技术制作听小骨的方法。先通过CT、MRI或正电子发射计算机断层显像获取患者高分辨率和高对比度的中耳影像资料；再从中耳影像资料中提取出听小骨的详细图型数据；并通过计算机三维软件建立出听小骨的3D模型；采用羟基磷灰石和光敏高分子材料作为原料，用3D打印设备直接打印出听小骨；或者以钛粉粒子为原料，通过使用高能量激光束，局部熔化金属基体同时烧结固化粉末金属材料，生成听小骨骨架，然后在表面喷涂生物陶瓷层形成听小骨；将打印完成的听小骨与之前采集的3D模型数据进行比对，吻合率在99.99％时判定为合格，低于上述吻合率则再次精修或者重新制作。

Description

一种采用3D打印技术制作听小骨的方法

技术领域

本发明涉及一种采用3D打印技术制作听小骨的方法。

背景技术

听骨为人体中最小的骨，又称为听小骨，左右耳各三块。听骨由锤骨、砧骨及镫骨组成，大部分居于上鼓室内，借韧带及关节相连接组成听骨链。锤骨柄在鼓膜的内侧面，位于粘膜层与纤维层之间。镫骨足板为环韧带连接在卵圆窗上。锤、镫骨之间为砧骨。锤骨、砧骨及镫骨三块的排列方式如下：锤骨相连在砧骨上，砧骨相连在镫骨上。即镫骨与砧骨相连而砧骨的另一段与锤骨相连。锤骨将力传递到耳蜗的卵圆窗。这三块听小骨构成一个序列力学***，通过杠杆原理来放大声音的作用力。其主要目的是实现空气和耳蜗内液体之间的阻抗匹配。三块骨的功能如下：空气中的音波传至外耳道末端时，引起鼓膜上压力改变，鼓膜因而前后震动，复制声源，而附着于鼓膜上的锤骨亦随之震动，震动再经砧骨传至镫骨，镫骨另一端与卵圆窗相连，振动时可引起内耳液体的运动，进而刺激内耳的听觉受器。三块听小骨之间的排列犹如杠杆***，具有放大声波或降低声波的功能。当声音过大或过小时可经由听骨肌的控制，调整三个听小骨间的相对位置，以调节进入内耳的能量多寡。

听小骨在人的中耳中有着举足轻重的地位，目前听力障碍的患者都是听小骨损伤引起的，在医疗界的听力重建领域，如何解决由各种原因导致的以传声结构为主要病变的传导性听力下降，用何种听骨链重建材料和方法进行替代手术，是目前耳显微外科研究的重点方向之一。迄今，用于听骨链成形的有钛合金听骨、HA听骨等，因为其良好的生物相容性、稳定性以及可塑性而在临床中应用较为广泛。

但是听小骨结构精细、病变类型复杂以及个体外形差异等原因，术中只能选择长度、角度、外形与其接近的人工假体加以塑形、雕刻后植入。上述过程不仅增加手术时间与操作难度，而且影响听骨链的传声效率。

本发明的研究人员同时注意到，目前3D打印技术已经兴起，在医疗领域也得到了较好的运用。3D打印技术被认为是制造业的一次革命。基于计算机技术的发展、生产工艺的进步和新型材料的问世，目前3D打印已经在包括生命科学在内的多个领域获得长足进步。在生物医学领域，其发展过程是从早期的探索性术前模型复制，到成功打印适形性假体修复骨质缺损。

但是在3D打印听小骨这一领域，目前仍然是技术空白，没有相关的专利和成体系的技术文献，而考虑到目前用于替代患者损伤的听小骨的制作都是手工制作的，其效率和准确性都很低，因此，再现急需要一种更加准确高效，能提高手术质量和安全性的制作听小骨的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种更加准确高效，能提高手术质量和安全性的采用3D打印技术制作听小骨的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种采用3D打印技术制作听小骨的方法，它包括如下步骤：

第一步，通过CT、MRI或正电子发射计算机断层显像获取患者高分辨率和高对比度的中耳影像资料；

第二步，从中耳影像资料中提取出听小骨的详细图型数据；

第三步，将听小骨的详细图形数据输入计算机，并通过计算机三维软件建立出听小骨的3D模型；

第四步，将听小骨的3D模型数据输出到3D打印设备；

第五步，采用羟基磷灰石和光敏高分子材料作为原料，用3D打印设备直接打印出听小骨；或者以钛粉粒子为原料，采用打印精度为20μm的直接金属激光烧结模式打印机，在3D模型数据控制下，通过使用高能量激光束，局部熔化金属基体同时烧结固化粉末金属材料，并自动逐层堆叠，最终生成致密的听小骨骨架，然后在表面喷涂生物陶瓷层形成听小骨；

第六步，将打印完成的听小骨进行3D扫描；获取3D数据，然后将获得的数据与第三步中的3D模型数据进行比对，吻合率在99.99％时判定为合格，低于上述吻合率则再次精修或者重新制作。

作为优选，步骤二中，同时将中耳内的听小骨周边的组织的3D资料进行采集，然后输入3D打印机，采用动物蛋白质作为原料，将周边组织打印出来，用于辅助医生植入听小骨和检验听小骨的尺寸。

采用上述结构后，本发明具有如下优点：3D打印技术打印出来的听小骨在安装到用户身体前，还可用于手术计划或虚拟建模，即手术前“带妆彩排”。外科医师可以使用与他们即将实施手术的同尺寸的器官和部位进行操作训练，使得术者预先“胸中有丘壑”。3D手术演练可缩短手术时间，发现术中可能发生的问题并预测手术结局，同时打印出来的组织可以很好的替换患者的损伤组织，比人工制作的精度更高，效率也更高，有效避免了潜在风险，提高了手术质量和安全性。

综上所述，本发明提供了一种更加准确高效，能提高手术质量和安全性的采用3D打印技术制作听小骨的方法。

具体实施方式

一种采用3D打印技术制作听小骨的方法，它包括如下步骤：

第一步，通过CT、MRI或正电子发射计算机断层显像获取患者高分辨率和高对比度的中耳影像资料；

第二步，从中耳影像资料中提取出听小骨的详细图型数据；

第三步，将听小骨的详细图形数据输入计算机，并通过计算机三维软件建立出听小骨的3D模型；

第四步，将听小骨的3D模型数据输出到3D打印设备；

第五步，采用羟基磷灰石和光敏高分子材料作为原料，用3D打印设备直接打印出听小骨；或者以钛粉粒子为原料，采用打印精度为20μm的直接金属激光烧结模式打印机，在3D模型数据控制下，通过使用高能量激光束，局部熔化金属基体同时烧结固化粉末金属材料，并自动逐层堆叠，最终生成致密的听小骨骨架，然后在表面喷涂生物陶瓷层形成听小骨；

第六步，将打印完成的听小骨进行3D扫描；获取3D数据，然后将获得的数据与第三步中的3D模型数据进行比对，吻合率在99.99％时判定为合格，低于上述吻合率则再次精修或者重新制作。

作为优选，步骤二中，同时将中耳内的听小骨周边的组织的3D资料进行采集，然后输入3D打印机，采用动物蛋白质作为原料，将周边组织打印出来，用于辅助医生植入听小骨和检验听小骨的尺寸。

采用上述结构后，本发明具有如下优点：3D打印技术打印出来的听小骨在安装到用户身体前，还可用于手术计划或虚拟建模，即手术前“带妆彩排”。外科医师可以使用与他们即将实施手术的同尺寸的器官和部位进行操作训练，使得术者预先“胸中有丘壑”。3D手术演练可缩短手术时间，发现术中可能发生的问题并预测手术结局，同时打印出来的组织可以很好的替换患者的损伤组织，比人工制作的精度更高，效率也更高，有效避免了潜在风险，提高了手术质量和安全性。

本发明在具体实施时，几个主要的因素很重要：

材料与打印技术：目前，用于人体组织修复的材料主要为钛合金和医用高分子材料。钛合金在大块骨组织缺损的适形修复方面取得了一定进展，随着打印技术的发展和打印精度的提高，将会在精细修复中发挥作用。随着3D打印的医用高分子材料研究的深入，其在人体软组织修复方面也将表现出令人期待的前景。但是高分子材料打印技术仍处于初始阶段，包括生物相容性、生物响应性、降解性能、力学性质等问题尚待解决。3D打印与后处理过程中如何保持成型材料的良好特性，以及表面或内部细胞的存活率因素等都对医用高分子材料3D打印提出了挑战。

2.医学成像和计算机辅助设计：3D打印须将人体图像中的细微阴影逐一解码，才能在计算机设计文件中构建模型。在医学成像中，由于不同类型的组织或细胞有相似的物理密度，导致其在图像中会出现相似的灰度阴影，这种混淆的阴影势必对打印精度产生不利影响。也就是说，将复杂的人体结构简单的转化为“白.灰.黑”的渐变并不能为3D打印提供足够的信息。这些难以区别的灰色阴影是将图像数据转换为可实施3D打印文件格式的一大技术障碍。可以预言，随着数字影像技术的进步，人们已着手在图像提取、分辨率提升、后处理技术等方面努力攻关，这将为获得更加清晰而有意义的人体数字影像信息提供技术支撑，并将再次加速3D打印技术向临床应用转化的前进步伐。人体结构的复杂性与差异性以及人体疾病的多样化决定了3D打印在精密复制、虚拟设计、材料组合等诸多方面必须与之高度契合，才能使之具有真正的临床应用价值。目前的3D打印技术可用于制备特殊尺寸、形状、结构及功能的生物材料和生物组织，在研究疾病发生、发展机制，发展新型疾病诊断、治疗技术，研发新型医疗装置、治疗药物、医疗器械、人造器官等方面尚有许多问题需要进一步探索。除了诸多技术上的困难外，还涉及并面临伦理道德争议以及严格法律监管等社会问题。

3D打印技术的不断成熟催生了耳鼻咽喉头颈外科领域的应用需求，且初现广泛的应用前景。基于影像学数据对内部结构的精确还原使其在教学、解剖训练和手术模拟等方面的应用迅速发展；而外形的逼真复制使其在头颈颌面部外形的无生命形式修复方面可取代传统的制作模式；尤其是原位修复在骨组织重建方面取得了初步进展。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实际的实施方法并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方法及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种采用3D打印技术制作听小骨的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

第一步，通过CT、MRI或正电子发射计算机断层显像获取患者高分辨率和高对比度的中耳影像资料；

第二步，从中耳影像资料中提取出听小骨的详细图型数据；

第三步，将听小骨的详细图形数据输入计算机，并通过计算机三维软件建立出听小骨的3D模型；

第四步，将听小骨的3D模型数据输出到3D打印设备；

第五步，采用羟基磷灰石和光敏高分子材料作为原料，用3D打印设备直接打印出听小骨；或者以钛粉粒子为原料，采用打印精度为20μm的直接金属激光烧结模式打印机，在3D模型数据控制下，通过使用高能量激光束，局部熔化金属基体同时烧结固化粉末金属材料，并自动逐层堆叠，最终生成致密的听小骨骨架，然后在表面喷涂生物陶瓷层形成听小骨；

第六步，将打印完成的听小骨进行3D扫描；获取3D数据，然后将获得的数据与第三步中的3D模型数据进行比对，吻合率在99.99％时判定为合格，低于上述吻合率则再次精修或者重新制作。

2.根据权利要求1所述的采用3D打印技术制作听小骨的方法，其特征在于：步骤二中，同时将中耳内的听小骨周边的组织的3D资料进行采集，然后输入3D打印机，采用动物蛋白质作为原料，将周边组织打印出来，用于辅助医生植入听小骨和检验听小骨的尺寸。