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戴尅戎院士:个性化理念与3D打印

(文末附演讲视频链接)

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戴尅戎院士:我的题目是个性化理念与3D打印,这里面有两个关健词,一个是个性化,一个是增材制造。

    先谈一下背景。第一个背景,为什么我要强调个性化医疗?这跟3D打印有什么关系?

    大家都知道,我们的关节有病以后现在有一个很好的办法,就是做人工关节,把关节换掉,用一个金属的把原来的骨头换掉。这个是整个医学发展,特别是骨科发展当中二十世纪进步的一个很大的一个标志,很多关节疾病都是这样治疗的。但实际上还有很多关节的疾病是得不到这样的治疗的,比如有很严重的畸形,往往有的时候我们的治疗就很困难了。有的是一个巨大的肿瘤,肿瘤切除以后它有一个巨大的缺损,还有严重的不溶解,这些方面往往治疗就产生了困难。所以有人就说,这张图片天上和地上都是叶子,但是全世界找不到两个叶子是完全相同的,树叶如此,人也是一样,全世界人跟人完全一样的即使是双生的也不是。

    所以在这种情况下,我们每年要做200多万例的人工关节手术,每一个公司能给我们的只是四到五种类型,它要覆盖200万个病人,怎么覆盖?所以在这方面就产生了很大的问题,所以要做到个性化就需要测量,要量的非常准确,要进行设计,要进行计算机化,要省时间还要便宜,这些东西只要缺一样,我们就做不到可措施性。这是一个个性化的基本要求。

    第二个背景,我们现在为什么行了呢?我们现在为什么能够大谈个性化了呢?这是很多工程学的进步,这个工程学进步首先是计算机技术的进步,比如CAD、CAM,这就是的,柔性制造技术也是的。3D打印以前叫做快速原型技术,它是打3D打印模型,我们可以根据病人的模型为每一个病人造一个人工关节。现在到了这个世纪以后我们又可以直接制造出来,我们设计了以后用不着再用简材制造技术去做,直接可以用增材制造技术去进行。因此我们有了一串一串从设计到加工,一直到使用的全过程链条,就这么形成了,所以我们也就逐步从去材制造环境慢慢进入到增材制造的环境。

    下面以关节为例,给大家举一些例子。我们现在不需要模具了,可以在比较复杂的条件下完成很多东西,因此有人认为增材制造是在蒸汽机、电脑、互联网以后又一项非常伟大的发明,对我们的工作、生活都会有巨大的影响。

    (PPT图示)下面谈一些在医疗上的具体应用。角上是目前九院的3D打印中心,在前面那一大段发展过程当中,我们发现首先是发现了3D打印这么一个技术,然后不断的创造各式各样3D打印的机器。所以也就是说,在前面这一段发展中,在上一个世纪后半段的时候是一个3D打印的方法和设备以及材料的进步。从我们院涉及到的情况来看,我们大概在98年的时候就已经开始用3D打印的快速原型技术进行假体的设计,做到个性化。到了13年的时候,我们开始拿到了国家食品药品监督管理局的批准,批准进行个性化定制的假体的生产。本来在03年以后从一张证变成三张证,从三张证变成六张证,个性化假体就得到了允许。再然后建立了3D打印的中心,这些中心直接到了医院,3D打印机也开始进入了医院。再往后金属打印机出来了,以前用打印机打模型,然后用简材制造的机器做实物。现在像这样的肿瘤病人,我们可以把他的图象搞出来以后,前面是金属打印机,前面是金属打印的假体,后面是塑料打印出来的模型,根据这个模型来设计。所以现在打印到什么程度呢?内心是实心的,而外表面是多孔的,为什么要多孔?轻了,重量轻了,另外骨头能长进去,肌肉能长进去,血管能长进去,这样有利于它跟周围组织的整合。

    (PPT图示)白白的这个东西是一个导板,我们在手术前在模型上模型虚拟的一套手术技术,到了手术当中能不能按照术前的方法去进行肿瘤的切除?因为如果切的跟术前设计不一样,假体装进去肯定是歪掉的,甚至不能安装的,所以这又是用3D打印打印出来的导板,根据这个导板把肿瘤切下来,然后把假体装上去,装上去以后就达到了替代原来骨头的目的。像这个病人是骨盆的并且,10个月之后他就能开车了,这个病人可以100%下蹲,两边是对称的,分不清哪边开过刀。

    (PPT图示)这个女孩子从小跳了18年,坚决不用拐杖,现在她要上大学了,到处找医生。所以这个孩子来了以后,我很爽快,我说你不要再跑下去了,截肢。因为这个腿畸形很厉害,截肢之后我保证你两年以后上大学,可以两条腿走路。最后我们给她做了3D打印。她的畸形到处都有,而且膝盖扭转了60度,要转过来需要把所有韧带都切段,这样关节就都坏掉了。所以最后签了两张知情同意书,第一张她愿意做这个手术,但是预知这个手术失败。第二张同意书,如果在手术当中失败了她同意截肢。当然很幸运,她最后做了手术矫正,当然骨骼上面还有弯曲,不能再做了,因为太多补丁,定制的。所以这个孩子到了18岁以后,有生以来第一次在拐杖帮助下两条腿下地走路,因此第二年她就考上了大学,因为她能上楼下楼,她就考上了大学。大学毕业以后她开始做一些教学的工作,然后到了泰国工作,那边有很多孔子学院,她的英文很好。九年以后她结婚了,我们后面又给她做了一个手术,我们用的是记忆合金髋管器,把骨头全部矫正了,所以九年以后她结婚了。我从来不参加人家的婚礼,也不参加葬礼,这个婚礼我去了。这就提出一个问题,如果九年以前这个孩子和她的妈妈同意我的意见截肢截掉,她有没有今天这么愉快?所以科学的进步对每个人、对每个家庭都会有很多影响。我们可以用3D打印做各种体外的东西,这些体外的东西以前大家带上假板都不愿意出去,很难看,现在这种假体可以出去,它可以根据自己的设计变成世界上独一无二的拐杖。这是病人为自己制造的假肢,他说这是世界上最漂亮的假肢、最轻的假肢、最便宜的假肢。

    (PPT图示)这个病人整个骨盆烂了一个大洞,也就是说哪怕定做的关节摆进去,它掉到洞里面去了。所以这种情况下用3D打印了一个骨盆的模型,跟病人实际模型一样留一个大洞,就在这个模型上做设计,设计假体。这是在手术当中清理出大量的黏性肉芽组织,最后做完手术,功能又重新得到了恢复。

    (PPT图示)这是更严重的肿瘤病人,肿瘤从骨盆蔓延到大腿上端,这是已经比较后期的病人了。我们老规矩,用3D打印做了模型,然后做各种手术和假体的设计,在3D打印白颜色的导板下面把手术切除,然后用3D打印的假体装在骨盆这一侧,然后再接上骨骨侧的假体,把这两边连起来。这是手术后一年半的情况,他也跟那个女孩子一样,他现在有了自己的家庭,他已经手术后将近四年,他说我现在什么都不想,就想有一个小孩子。所以我们用3D打印模型进行虚拟手术设计,然后用3D打印打印导板确定范围,然后再用3D打印技术确定手术的组织,这些过程中任何细节都离不开3D打印。

    (PPT图示)这是颈椎高度肿瘤,这个肿瘤在病人入院以后哪怕晃一晃,或者在厕所里解大便的时候就可能发生错位,一旦错位就可能引起猝死,几分钟内病人就可能死亡,所以这个病人面临非常大的生命危险。他找到我们,怎么办?首先这个手术难度太大,因为手术一碰就可能死在手术台上。所以我们用3D打印假体确定这个刀怎么开,最后确定这个刀要分两次开,第一次开后面,第一次开前面。开了刀如果很幸运把肿瘤拿掉而病人没有死亡我们怎么补上去?让上颈椎怎么样重新得到重建?所以又给他设计了一个非常怪的,当中是红心的假体。结果我们确实做了手术,先做后面,再做前面。红箭头的地方骨头都真到假体里面去了,也就是说,这个时候他就稳定了,猝死的可能性就不存在了。三个月的时候他已经能够非常好的走路,能够自然的下蹲,所以这个时候我们把手术以后的保护性的石膏给他解除了。我们一直跟他保持联系,两年以后突然联系不上了,电话也打不通了,最后问了他家庭才知道他现在在船上,他不是去旅游,是在做船工,在船上做劳动,所以他到了亚洲、澳洲,其中左上角是美洲,是美国的海岸,所以他完完全全换了一个人。当然我们对他的工作还是提出异议的,好象太重了一些。

    (PPT图示)这是一个肩部肿瘤,我们用3D打印技术打印出来,发现肿瘤交织在一起,因此这个手术非常困难。我们一个多学科团队给他做手术,利用3D打印切除肿瘤,装上假体。也就是说,在很多特殊病人当中,我们进行诊断和开始治疗设计就已经依靠上了3D打印,最后依靠3D装上假体。这个技术不仅仅限于骨骼,比如这是一个面部肿瘤,一个很大的肿瘤,我们进行设计,手术以后不仅把肿瘤切除,而且确保了两个眼睛是基本对称,这个病人还能够走到社会上去。

    (PPT图示)这可能是我们所安放的肿瘤中最小的一个,手里面有8个骨头,最当中的是月骨,这个骨头跟周围的骨头一起动这个手就可以动。他的月骨断了,而且死掉了,死掉的骨头怎么办?我们用3D打印打一个,怎么设计的呢?把另外对称的月骨做一个静相,反过来就是这边的,做好以后它比一个铜板还小,给病人安上去了。一个半月以后,它可以跟好手一样旋转,都能够恢复了。

    (PPT图示)现在有人说4D、5D,5D是什么?我打了细胞,打了生长因子,这个细胞长成肌腱来了,我们能不能用3D打印打一个关节出来呢?我们做了一些尝试,大家可以看到右下角软骨的图象,上面是软骨,下面是软骨下骨,这两者之间界限画不出一条线来,它是渐变的,这就是关节的表面。这两种组织结构、细胞类型、发育生物学、生物力学都不一样,在3D打印的时候就打出一种是专门生产软骨的两种材料,打出一个支架来,然后专门生长骨头的又有两种材料,一共四种材料共同构成了关节。上面一排种软骨,中间是种骨头的,底下的是套在一起的,我们把它养在老鼠身上八个多礼拜,养老鼠的意思是什么?将来我们可以养在人身上,养好了以后放在他自己身上去,这是一个活性的生物反应器,这个生物反应器可以帮我们养出一个关节,当然也可以给我们养出一个肾脏或者是养出一个肝脏。

    (PPT图示)这是软骨部分,非常逼真,都是健康的软骨。这是骨头部分,白颜色是3D打印出来的支架,现在开始第四个D在变了,红颜色的东西是新长出来的骨头,慢慢白颜色被吸收,红颜色全部被取代,这就是第四个D。

    (PPT图示)这个上面是软骨,下面是硬的骨头,我们叫软骨下骨,这之间界限也分不清楚,互相交织,非常逼真,这只羊走的非常好。下面是两个研究生,一个是材料研究生,一个是医学研究生,是他们两个的合作。

    现在由于疾病导致有很多患者是等肝脏的、肾脏的、角膜的,只有1—4/100人能够得到满足。所以这是一个很大的挑战,我们人的寿命越来越长,健康状况越来越好,但是有些人在等,所以这是一个死结,是解不开的。但是现在我们已经开始有人做出耳朵来了,这个在九院做的最早,单单九院至少有10个以上耳朵全没有的重新做出来了。有人做了虚拟的肾脏,还有人作出了心脏,还有做出了支气管,支气管在美国已经有将近10个病例直接用在小孩身上了,国内也有将近10个病例在不同的医院用在小孩身上,都是先天性支气管的异常。

    所以不能不说这是一个伟大的事情,是一个非常伟大的事情。也就是说,再生医学里面所面临的我刚才讲到的,缺乏脏器和组织的死结有可能因为3D打印和工程组织的结合而得到彻底的解决,这是我们的未来。

    最后讲一下我们的未来,现在开始越来越多领域引发研究、设计、生产,是流通的革命性变化。还有很多偏远地区,我们有很多分院、分中心或者联盟,我们也一样建立了很多,这是一个非常好的互相帮忙的方式,在新疆有一个病人,可以通过远程会诊,我们给他设计好,给他做一个东西出来拿飞机运过去。有人说这太费事情,这边传过去,那边用一个3D打印机在新疆打出来。这个无所谓,因为跑一趟也不要紧。但如果在飞船上面有一个螺丝钉断了,是不是要派一个人送一个螺丝钉到飞船上去?应该在飞船上有一个3D打印机,它可以打印出很多东西来。我们的技术展望,通过不断的普及可以使得少数人掌握变成多数人掌握,甚至于变成每个人掌握。刚刚有电脑的时候,谁有那么多钱来买电脑?现在在城市里几乎家家有电脑,甚至一家有三四个电脑,打印机会不会这样?所以我们这些设备本来局限在工厂生产单位的,将来能不能进学校,能不能进医院,能不能进家庭?所以3D打印我个人觉得确实它的发展是无限的,它的应用能力正在不断的扩大,它在制造业以及其他的行业也在不断的提高,它的研发和市场链条越来越形成,所以出现了良好的竞争力,当然它也不断产生各种各样的问题。所以在打印设备、技术成熟度以及怎么样做到国产化,使得国产的设备和材料能够占有一定的市场。我们的教育培训系统怎么样把它完善化,现在我们派了几个专人来组织创客中心,使得把它的技术推广出去。当然我们要做很多的监测,要定规范,定生产的要求,这还有很多事情要做。

    简单做一个预测,3D打印本来是做模型的,然后直接制造了假体,制造了产品。我们本来只是把本来的一些制造技术加以补充,加以提高,现在替代,将来有很多增材制造可以替代简材制造。我们的产量从小批量个性化,逐渐变成大批量个性化。所以现在我们提个性化那是个别人的事,但是我们做人工关节一年200多万例,怎么个性化?所以怎么样批量化的生产?所以将来在医学上面3的P都要沾光,个体化、精准化、皮肌化都要沾光,还要省时间、省钱。

    第二是大规模制造,将来假眼睛,现在好的老师八周做一只,我们能不能3D打印?3D打印不需要8周,打印机很大,我们没有必要一次打一个假眼睛,一次打一排10个行不行?如果行两排就是20个,或者一次打60个假眼睛,这不就行了嘛。英国一个公司计算出来,平均一个钟头做150个假眼睛,而且效果可以跟最有经验的老师相媲美。

    所以个性化定制将成为一个非常热门的词汇,现在已经不是为个别人服务了,它的定制范围是包罗万象的,以不可思议的速度进入我们的生活,在各个方面,包括做眼睛等等。所以有各种各样的APP横空出世,我们就可以直接用它来打印东西,它会进入到每家每户,而且价格在降低。所以我们可以通过打印得到一个高品质的东西,而它的价格是平民的价格。

    美国乔治华盛顿大学GV预测,改变未来的十大技术,就是大规模的定制。这个大规模定制是两个技术捆在一起的,没有3D就没有Mass Customn,所以把这两个技术捆在一起了,认为是影响未来十大技术之二。

    刚才讲到4D、5D,刚才第一个女孩子就用了形状记忆合金的产品,所以这当中还有很多其他的D。

    我们的辅助设备在提高,我们做很多手术的时候都需要用激光进行扫描,现在有一些扫描仪,扫全身只需要4秒钟,全身扫出来给你数据10美元。这就可以完全普及了。

    另外是很多的标准,现在我们总认为是可以静下心来写标准的时候了,但是很多人认为早就应该写标准了,不是现在写标准的问题,比如日本,到现在没有作出很多个性化的东西,但是它写了很多标准出来了,个性化的髋、个性化的踝等等都写出来了。现在我们国家是遍地的产品,但是标准没有出来。

    所以我个人感觉到,一旦用了3D金属打印技术以后,看到了它的方便、简洁、紧缺之后,就再也不愿意回到原来旧的服务方式中去了。

    非常感谢大家。

 

附戴尅戎院士演讲完整视频链接https://v.qq.com/x/page/x0738jcx28a.html

 

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2018-07-30 22:10:01   
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