以下是CAD和3D打印共同推动医疗保健向前发展的六种方式。就在短短几十年前，其中一些结果似乎还会被认为是“科幻小说”。
高级编辑Jean Thilmany
25年前，计算机断层扫描(CT)或x光扫描变成三维手持医疗模型成为可能，这将完全符合患者的解剖结构。外科医生可以向第三方供应商订购这些模型之一，只需发送病人的图像，并在几周内获得由人手从各种材料制成的手持模型。
3D打印的广泛出现很快使发送和塑形过时。现在，打印个性化医疗图像的医生在几小时甚至几分钟内就可以得到3d模型，这取决于打印机的位置。
这是包括计算机辅助建模和3D打印在内的工程技术在过去几十年里在医疗领域取得巨大进展的一个例子。
在医学中使用CAD建模软件继续发展，即使它在各种医学和生物医学环境中得到更广泛的采用。下面，我们将了解CAD继续进军医疗保健行业的方式。
手术指南
因为每个病人都是不同的，所以每次手术都是不同的，无论多么微小。几十年来，在医学界，外科医生和他们的专业支持团队依靠x射线、计算机断层扫描(CT)扫描和磁共振成像(MRI)数据来准确地规划患者的手术。
医生们使用这些指南来学习和实践病人特定手术所需要的技术。
但是这些图像的分辨率和2D视角可能很难确定解剖几何的全部细节。耶鲁大学纽黑文医院前颅面外科主任德里克·斯坦巴赫说:“在这些平片上，细微的异常或隐藏的几何图形可能不会被注意到。”
今年，斯坦巴赫被任命为耶鲁大学医学院创新和新兴技术医学主任。在提名这一晋升时，学校的董事们赞扬了斯坦巴赫在复杂而常规的面部整形手术中使用人工智能和3D规划。
今天，由于CAD和3D打印机的连接，特定患者的解剖模型通常是3D打印的。Steinbacher指出，这种专门的软件可以将器官、骨骼或身体其他部位的2D医学图像转换为3D CAD模型，然后进行打印。
“多亏了3D成像提供的虚拟现实操作技术，外科医生能够使用导轨和夹具来计划手术，之后在手术中使用这些导轨和夹具为外科医生提供精确的切割路径或精确的钻孔角度。在许多情况下，外科医生在做切口之前会评估几个不同的情况，”耶鲁大学医学院的整形外科医生丽莎·拉坦萨(Lisa Lattanza)说。
利用这项技术，Lattanza能够检测创伤后畸形或先天性畸形的指标。双侧3D效果图是通过扫描来显示患者的骨骼解剖结构。这些镜像图像相互叠加，这使得Lattanza可以直接比较和评估三个平面的骨地形和畸形，并进行精确的矫正，以及更好地确定可能需要的钻导、切口和螺钉的位置。
Lattanza说:“这种技术使我能够执行一些我以前无法执行的操作，或者至少不能准确执行。”
这项技术已经被证明可以在手术过程中节省时间。
《学术放射学》杂志2020年8月号上的一篇论文发现，在手术护理中使用3D打印解剖模型可以从手术本身缩短23分钟到1小时，并将手术成本削减高达3720美元，主要作者是圣路易斯华盛顿大学医学院放射学助理教授大卫·巴拉德。
为了帮助医院实现这些节约，一些CAD软件制造商提供了将解剖数据转换为CAD文件的服务。一个例子是来自SolidWorks的BioCAD。翻译是由生物医学建模公司完成的，该公司可以对心脏、血管、骨骼和内脏进行精确的三维解剖重建，”BMI总裁克里斯平·温伯格说。
培训，设备开发
其他模型并非直接取自患者的CAT、x光或MRI;相反，基于普通患者CAD数据的3D患者解剖模型可用于更普遍地指导手术，并培训医生和其他医疗工作者。温伯格说:“医疗设备开发人员在开发微创医疗设备时也会使用这些模型。
3d打印医疗模型的应用非常普遍，以至于2019年，美国医学协会批准了4个3d打印模型的初始程序终端(CTP)报销代码。这些代码用于提交医疗程序的报销请求。
资料来源:合众传媒集团
辛辛那提大学医学院放射学质量与安全副主席Frank Rybicki说:“美国放射学会和北美放射学会已经为这些变化的代码工作了一段时间。
Rybicki补充道:“医学模型和手术指南作为利基应用已经3D打印了十多年，没有CPT代码。”“例如，颅颌面护理提供者普遍认为3D打印对患者护理是有价值和不可或缺的。然而，当申请CPT代码时，很明显，这种‘普遍接受’缺乏同行评审的文献来证明价值。”
Rybicki指出，像巴拉德和他的同事这样的期刊论文正在帮助3D打印进入主流。
“这些临时代码用于定义3D打印在医疗领域的用途。定义这个角色一直很困难，因为传统上该技术被用于一系列技术，而且其用途没有很好的记录，”Rybicki说。
Rybicki成立了一个RSNA 3D打印特别兴趣小组。2019年，该协会帮助建立了一个登记处，以收集医疗3D打印的临床数据。
由RSNA和ACR收集的医院设置内的3D打印信息将有助于设置正式的CPT代码命名。
这是娱乐
一些医疗CAD模型实际上并不用于医疗目的。例如，如果你看过电影《空心人》(Hollow Man)，你就会看到来自合众媒体集团(Zygote Media Group)的数字CAD模型，该公司基于MRI和CT数据构建并销售详细的人体3D模型。
“他们的模型包括人类骨骼、心脏、动脉、神经和肌肉组织，”Zygote执行合伙人大卫·邓斯顿(David Dunston)说。
“合众特的一些客户确实使用CAD模型来开发生物医药产品。生物医学公司可能会使用3D心脏模型来开发支架，或者使用骨骼模型来设计支架来矫正弯曲的脊柱，”Dunston说。
邓斯顿说:“但这些模型也被用于在视频游戏、广告和电影中植入逼真的人体部位。”
该公司的CAD模型已经出现在电影《空心人》、电视广告和探索频道中。他补充说，他们还出现在许多大学教室和企业培训视频中。
创造身体部位
2017年，新泽西州居民克里斯·卡希尔(Chris Cahill)从脑损伤引起的长达两个月的昏迷中醒来。罗格斯大学罗伯特·伍德·约翰逊医学院(Rutgers Robert Wood Johnson Medical School)神经外科助理教授高拉夫·古普塔(Gaurav Gupta)说，他的大脑因未知创伤而肿胀，危及生命，患者的头骨本身也受到了感染。
古普塔说:“卡希尔颅骨感染的额叶需要被替换。”
他补充说，手术团队必须为卡希尔的头骨量身定做。利用卡希尔的CT扫描，古普塔的团队3D打印了一个头骨模型和一个定制的植入物，以取代缺失的部分。
卡荷尔对手术很紧张，但他醒来后又恢复了原来的样子。
Gupta指出了3D CAD文件和CT扫描工作方式的相似之处。“对于3D打印，3D CAD模型被切割成二维图形文件，然后每一层都是一层一层地打印，直到完成最后一部分。CT扫描还能将3D图像分解成2D图像，每张图像只有一片厚，”Gupta说。
据新闻报道，卡希尔对结果很满意，他说自己看起来“像新的一样”。
印刷假肢
通过3D打印实现假肢设计和创作的民主化，使世界各地数百万人能够从这种新普及的制造技术中获益。
最近无处不在的3D打印机和假肢设计、制造和分销方面的创新为世界各地数百万失去肢体的人提供了可行的解决方案。仅在美国，每年就有近20万例截肢手术，然而，假肢的价格从5000美元到5万美元不等，拥有一个假肢几乎可以被视为一种奢侈，根据Enable社区基金会的数据，该基金会是一个由志愿者组成的全球网络，打印假肢的价格约为50美元。
资料来源:Enable Community Foundation
传统上，获得假肢的过程可能需要几周到几个月的时间。由于假肢属于私人物品，每一个都必须(或应该)定制或适合佩戴者的需要。然而，随着3D打印机变得越来越便宜，一些打印机的价格不到200美元，任何人都可以在家里或当地社区设计和打印假肢的可能性可能成为现实，Enable董事会主席乔恩·舒尔(Jon Schull)说。
在不久的将来，义肢将以最小的努力无缝地融入人们的日常生活。来自body Labs等公司的新型3D扫描和身体建模技术使人们能够3D扫描他们的四肢，并以他们为原型制作义肢，使其更自然地贴合和外观。
来自诸如麻省理工学院生物物理学家、攀岩者休•赫尔(Hugh herr)等创新者的技术发展带来了新的能力，包括推进传感器和复杂的算法，它们共同工作以实现更自然的关节运动自动化。
“假肢预测运动的发展将使人们不必努力思考如何控制设备。很快，假肢的移动将更加流畅，模仿自然运动，人们将能够通过直接的自然触摸输入系统，部分地用大脑和身体来控制它们，”赫尔说。
用于移植的新身体部位
从假肢到实际的身体部位:研究人员正在研究如何从CAD文件中实际打印活体组织。
近年来，3D生物打印技术已经朝着打印可以成功移植到人体的器官的目标迈进了一大步。耶鲁大学医学院的Steinbacher说:“虽然这还很遥远，但这种方法仍在继续研究，进步可以导致新的和改进的治疗方法，如脊髓损伤、阿尔茨海默病、帕金森病、脑癌等。”
活细胞的3D打印遵循标准的3D打印方法，只是稍加改动。打印机按照CAD文件打印出一层又一层的材料来构建一个形状。生物打印机使用生物墨水作为材料，而不是金属或塑料。它们在海藻酸盐或明胶等粘性物质中含有活细胞。“细胞通常建立在脚手架上，以支持和保护细胞，”Steinbacher说。
信贷:RSNA
正如这些例子所示，医疗保健和3D打印的交集才刚刚开始。这不是科幻小说里的东西。3D打印、CAD和医学结合在一起，给我们带来了更好的生活质量。即使在20年前，这些结果也是不可想象的。
卡希尔，在他的日子里，感谢时代已经改变，3D打印已经进入了医学领域。
了下:3D CAD世界
