把人體模型變成積木，3D 列印科技幫助醫師排練手術 作者 Sharon Shih | 發布日期 2016 年 02 月 18 日曾想過你的醫師是怎麼做手術前準備嗎？如果患部是臉或手腳，這些看得見的地方切開縫合就好，但如果病灶是在人體裡，腸子、胃甚至是腦部，天啊，這些埋在深處、動輒血管神經圍繞著的病源，醫生究竟是如何快狠準地切除？ 也許你會說藉助影像科技，但你可能不知道的是，無論電腦斷層、核磁共振、血管攝影以至於 3D 重建影像，雖然能夠提供器官、解剖構造的概念，但執刀者還是必須在自己腦中構建手術狀況，劃刀、撥離、切除、縫合，過程中必須閃避血管、避免傷及神經，非常重經驗和技巧，也難怪日劇《醫龍》裡的朝田龍太郎，手術前都要在天台上演練一番。拜科技發達之賜，現在的醫生不需要這麼有想像力，只要藉由精密電腦斷層加上 3D 列印科技，就能製作出人體模型，甚至能像積木一樣拆解成一塊塊，供執刀醫師模擬真實手術。之前曾介紹過，紐約醫院的外科醫生利用核磁共振（MRI scan）的影像資料，列印出患有先天性心臟病的嬰兒心臟，做術前模擬。其他案例，像是紐約 Jacobs Institute 打印出患者顱內動脈瘤（aneurysm）模型，結果不僅讓原本高死亡率的手術安全，手術時間更從平均 3 至 4 小時，降低為 45 分鐘；而倫敦的 Guy's and St. Thomas' 及 Great Ormond Street 醫院，則將 3D 列印應用在「將成人腎臟移植入 3 歲孩童」的手術規畫。以上這些案例，也許還不夠神奇，在 2015 年底，美國放射醫學會（Radiological Society of North America，簡稱 RSNA）年會上，就發表一篇案例──利用 3D 列印協助連體嬰分離手術。相信人們對於雙胞胎不陌生，但連體嬰恐怕就只能在新聞裡看到。一般來說，雙胞胎的胚胎，會在母體第 12 天至 14 天分裂，並且發育，但如果過程中分裂不完全，就會形成連體嬰，最常見的是胸、腹部相連，更甚者至臀部，而且彼此共享器官或血管。根據馬里蘭大學（the University of Maryland）統計：世界每 20 萬個新生兒裡，會有一對是連體嬰，其中約四分之三是女性，無論如何，連體嬰的存活率約為 5 到 25%，大多都胎死腹中至流產，即便順利出生，有 35% 的機率活不過一天。然而，連體嬰分離手術成功的關鍵，在於他們身體共享的程度，連結組織愈少，愈容易成功，但如果共用一個心臟、肝臟和其他內臟器官，則機率渺茫，若恰好骨盆關節相連，那麼手術難上加難。
最複雜的連體嬰分離手術 美國放射醫學會年會所發表的案例為 Knatalye 及 Adeline，這對姊妹生於 2014 年 4 月 11 日，一出生就是從胸腔至骨盆腔相連（thoraco-omphalo-pyopagus）的連體嬰，包含胸壁、肺臟、心包膜、橫膈膜、肝臟、小腸、大腸、骨盆部分，根據主負責的美國德克薩斯兒童醫院（Texas Children's Hospital）心臟影像及放射研究醫師 Dr. Rajesh Krishnamurthy 表示：「這個案例非常特別，她們身體連結的方式，將會是有史以來最複雜的連體嬰分離手術。」也因此醫療團隊決定運用 3D 列印來協助手術模擬。術前的資料收集採用先進的影像科技──體積式掃描電腦斷層儀（Toshiba aquilion one 320-slice CT scanner） 。一般來說，在拍攝時，患者的閉氣技巧會直接影響影像品質，因此為求精準，儀器追求的是快速取得、減少照射時間。而這台 Toshiba aquilion one，具備 320 個偵測器，能讓每張切面的厚度變薄，有助於增加解析度，此外，每圈掃描範圍大幅度增加，因此能縮短時間、降低輻射暴露劑量。在照射過程中，為了強化組織的對比度，醫生會為雙胞胎注入靜脈顯影劑（intravenous contrast），目的藉由碘劑讓血管、內臟組織的顯像明確，更容易辨認出共用器官及血管。另外，其中一名女嬰使用了口服顯影劑，利用硫酸鋇易吸附壁面而顯像的特質，做腸胃道攝影，進而判斷食道、胃腸是否相連。當然，最關鍵的是心臟區，要讓會跳動的心臟，呈現出完整而不模糊的影像十分艱難，團隊採用心電圖同步擷取模式（Prospective EKG triggering）電腦斷層照射法，也就是避開心臟收縮時期，選擇性在心臟舒張靜止時，以軸狀法（axial）掃描，再將影像重組，以得到清晰的影像，而且拍攝是間斷且不連續的（step and shoot），降低了輻射暴露劑量。Rajesh Krishnamurthy 醫師表示：「這對連體嬰很幸運，因為影像顯示她們的心臟雖然在同一個空腔，但各自獨立沒有融合，即便肝臟相連，但我們發現一個很適合分離的切入點，能夠降低術中大出血的可能性。」在資料獲取後，醫療團隊花了 3 天，採用 Materialise 公司的 Mimics Innovation Suite 軟體進行影像重建，又耗費 3 天在 3D 列印 1：1 的實體模型。特別的是，他們利用不同顏色來進行列印，其中骨骼架構以硬樹脂製成，臟器為橡膠，但肝臟特別用透明樹脂，讓裡面的血管呈現白色，為的是讓肝動脈及肝門靜脈系統（hepatic portal system）顯像更清楚。這樣的實體，可以很清楚辨別連體嬰的臟器及血管是如何連結，而且還能像積木一樣，自由翻轉、組裝或分開。對於連體嬰分離手術而言，最重要的是「如何適當分配器官」，以維持兩人身體正常運作。此外，嬰兒的血量少，必須「精準地找到血管分割部位」，恰到好處地分開，否則稍不留意就大出危及性命。因此模型能夠協助醫師訂定開刀計畫，揣摩手術途徑，找到最佳切入點、重建方式，以及計算傷口關閉所需的皮膚覆蓋面積。經過模擬後，醫療團隊在分離手術前 3 個月，於女孩體內植入組織擴張器，緩慢延展胸腔和腹部的皮膚，這是為了因應手術分離後，有足夠的皮膚能覆蓋傷口。2015 年 2 月 17 日，這對連體嬰近 1 歲時，她們接受了分離手術，歷經近 30 個小時，在 12 名外科醫生、6 個麻醉師及 8 個外科護士的合作下完成這項艱難任務，同年 5 月 Knatalye 出院，而術中有出血併發症的 Adeline 在一個月後也返家。歷經一年多來的等待，對她們的媽媽 Elysse Mata 來說，女兒像是得到重生的機會，能夠獨立又健康地活著，這一家人共同見證了醫學奇蹟。3D 列印人體積木，影響的不僅是讓醫生能做更充分的準備，它還包含兩個層面──「教學」以及「醫病溝通」。傳統的醫學教育，尤以外科為例，是手把手的「師徒教學制」，面對一大群的學生，僅有少數幾位能親身參與手術的「助手」工作，而其他人只能在場邊觀看，或藉由實況影像學習。現在，「精密影像」與「3D 列印」的結合，將改變培養醫師的模式，讓醫學生能夠在無風險的環境中訓練技能。而醫病溝通方面，一般醫師術前解說開刀方式時，多對著黑白影像比手畫腳一番，但病人和家屬往往鴨子聽雷，有看沒有懂。現在有了實體，可移動、可操作，難度跟技巧能夠被呈現，減少醫與病之間的誤會，多些理解。可惜，3D 列印模型仍有待突破的點，雖然科技大為減少手術的不可預測性，但目前模型材質仍以橡膠、樹脂為主，和人體組織不同，而依現今發展，使用細胞或分子進行生物列印的技術尚不成熟，無法打造出和人體質感一模一樣的型體，也因此一些大廠，如 Stratasys 致力於研發近似組織的光聚合材料 TangoPlus，但對於醫師而言，模型還是難以取代真實下刀的觸感經驗。另一方面，普遍性也成一個問題。Dr. Rajesh Krishnamurthy 表示：「3D 列印科技進步神速，且成本降低，但真正限制它發展的，是沒有保險公司願意給付，目前都由各家醫院自行吸收。」
台灣是否也該投入研發 科技雖迷人，但放眼全世界，卻僅有少數醫院能以研究之名，負擔得起這種「精準」而「昂貴」的醫療。但這是現狀，未來呢？會不會是極具潛力的藍海。2016 年 1 月，中國上海復旦大學附屬兒科醫院，以 3D 列印技術應用於連體嬰分離手術，為中國史上第一次應用電腦輔助手術系統。亮點是他們採用國產海信計算機輔助手術系統（Computer Assisted Surgery）和海信外科智慧顯示系統（Surgical Intelligent Display system），除了影像處理技術外，還加入 3D 手勢辨識功能。這背後的意義，是對岸已鎖定國際「精準醫療」的市場，因此我們該思考的是，這類外科導航系統（Surgical Navigation Advanced Platform）和 3D 列印的醫療科技，以台灣醫師和工程師的人才素質而言，會不會也是值得投入研發的領域呢？那我們的優劣勢，又是什麼？
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