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3D列印的應用
身障重建中心3D列印 黃瓅瑩物理治療師
王世仁研究員
2012年《Nature》以「三度空間的科學：列印的革命」為題，報導瑞士Zurich大學Zillikofer教授的實驗室，從20年前開始發展3D列印到今天的榮景。3D列印的技術產生了顛覆世代的產品製作方式，其材料接合的製程係採用層層堆積的方式來產出立體的成品，3D列印的材料可能是線材、液體、粉末的型式，其成型方式也不一樣，其中線材大都採用熔融沉積(Fused Deposition Modeling，FDM)的方式；液態可能是利用光照來固化(stereolithography，簡稱 SLA)；而粉末則是用雷射燒結(selective laser sintering，簡稱 SLS)或黏著劑成型等。
近年來，隨著3D技術的蓬勃發展與相關專利的到期，3D列印機也隨之普及，而其應用範圍從原本的工業用途，也逐漸拓展至生活的用途，甚至是醫療相關之設計與製造。3D列印目前在醫療的應用大致有解剖模型、手術導版、客製化植入物、義肢1、輔具2等，科別則有骨科、整外、牙科、心臟血管、泌尿和手外科3等。除了客製化的特色之外，3D列印也能當成新式設計的原型(prototype)，在某方面可以取代過去需來回耗費時間與金錢的開模過程，也就是，3D列印其實是一個可以很快地將想法實體化的工具。
本院在陳威明副院長的帶領下，在東院區身障重建中心一樓，成立了本院的3D 列印技術發展暨資源整合中心，提供全院性的3D列印相關研究與發展。這幾年來在長官的支持與許多部科同仁的共同努力下，產出了許多合作之案例，像是護理部導尿模型、外科部一般外科的經口內視鏡甲狀腺切除手術安全裝置、骨科部與整形外科的肱骨巨大骨缺損惡性骨腫瘤的術後輔具、整形外科巨大骨瘤(osteoma)手術導板，以及配合防疫安裝在病房大門的手肘門把等。
- 教具
臨床對於長期需要導尿的患者，為了降低尿道感染風險，護理人員常於臨床教導具有自理能力的病患或家屬執行導尿技術。過去護理人員學習導尿技術時，通常會透過專人解說、VCR影片及假人模型來實際練習，然而原本訓練用之假人模型體積龐大、搬運不便，此種方式不利於臨床頻繁的衛教病人或家屬使用。於是本3D列印中心與神經修復科護理長合作研發協助教學的陰部模型，此模型長寬皆不超過一個手掌，相較於護理教學用之全身與半身人體模型，具更為輕巧與便於攜帶的優點。因此，患者及家屬在病床邊就可以透過護理人員配合導尿模型仔細講解、提供給患者練習直接操作。相信這種方式更能夠提升其自我照護的能力。 - 手術安全裝置
傳統甲狀腺手術經由頸部切口進行，無法避免地會在脖子上留下長達約7公分的手術疤痕。隨著醫療技術進步，除了考量成功率與安全外，術式朝美觀方向發展，例如經由腋下或乳暈等隱藏方式，近年來則有經口內視鏡甲狀腺切除手術的發展，然而，經口內視鏡手術過程中，內視鏡器械有可能會造成骸神經的壓迫或損傷，透過3D列印技術製作客製化手術安全指示裝置，在導板上指示出頦神經孔，即可於術中以避免傷及神經。此研發為外科部陳瑞裕醫師、兒童外科葉奕廷醫師與北榮3D列印中心合作，成果除了發表於期刊上4，並取得經濟部智慧財產局的新型專利權，陳瑞裕與葉奕廷醫師也榮獲本院2020年度醫師創新獎的第三名。 - 術後輔具
個案為骨肉瘤個案，術後裝有人工關節，後因感染而取出，整個肱骨有相當大的空隙而呈現不穩定，個案原有的石膏固定但是保護效果不彰，所以個案右手需要一直撐著左手。有鑑於此，我們為個案打造了客製化3D列印輔具。由於個案有傷口，我們採用不需接觸人體的體表掃描器掃描個案左上肢，進行編修與設計，待列印完成、個案試戴後，根據個案口頭回饋再進行修正，並以黏扣帶給予固定。此一輔具較個案原本使用之輔具，不但能提供良好的支撐、幫助傷口癒合，且固定保護範圍更大更佳，同時因為提升懸吊效果不需額外使用三角巾協助固定，此外，個案可自行穿脫，而右手終於可以空出來做事情，個案於出院回診時給予高度肯定的評價，此研發成果也有論文發表在SCI期刊。 - 手術導板
患者頭骨表面有一直徑約7cm骨瘤，考量欲安全切除骨瘤與保留顱骨外觀，整形外科王天祥醫師與3D列印中心合作設計一3D列印導板，原理為將此導板覆蓋於腫瘤上，其頂面之曲度與原頭骨相同，並在頂部設若干導引孔，使電鑽鑽孔方向平行於頂面與原頭骨表面之垂直方向，透過導板來使得鑽孔深度只有鑽到原頭骨表面。因此，醫師在執行手術時，配合此導板使用電鑽，會在骨瘤上打出許多深度恰好至原頭骨表面的孔，再層層切削，若切削過程中孔洞消失，則代表已至原頭骨表面，也就是透過這些鑽孔在維持原本頭骨的外型下來切除此巨大骨瘤，而此手術成功的過程也發表於中華醫誌5。 - 防疫門把
2020年初，新冠病毒造成全球的大流行，本院的病房也配合管制，而關閉各病房的大門，從而走出病房時，就必須用手去拉門，雖然病房門口都配合有消毒用酒精，但是醫院長官們還是體恤醫護同仁們的辛勞，尤其更希望有進一步的防疫措施，來減少手去接觸門把的機率！當然裝設電動門是一勞永逸的作法，但是需要有時間規劃和配合的施工，退而求其次就是安裝手肘開門用手把，經過統計中正樓有40間病房，但其中有4 間病房是從不同方向開啟，曾經想找廠商用射出成形來開模製作，但是因為所需數量不足以大量生產，而且開模所費不貲，於是轉而在3D列印中心設計與印製門把，由於成本考量只能選擇以FMD的PLA材質來印製，由於PLA材質的耐用性，所以偶而會有門把斷裂的問題，還請各位長官與同仁們見諒。再則，在感染科林邑聰老師與莊茜醫師幫忙做感染管控的研究，本院的防疫手把也有文章也登在The American Journal of Medicine。
而3D列印的應用除了上述的教具、手術輔具、術後輔具、手術導板等，3D列印製作的便利性，甚至也有各種廣泛的運用，以下就是我們最近完成的簡單案例。
- 整形外科慢性傷口照護中心的燈具外支撐
整形外科慢性傷口照護中心有個照明用的落地燈，其支架處由軟硬管組成，其軟管功能為可彎折，可調整至想要的角度，然而當軟管使用次數超過負荷，其軟硬管銜接處呈現崩壞現象，使得燈具無法乖歸聽話固定所需的位置與角度。面對這個問題，本中心就設計了一個外支撐(如圖一)，透過3D列印機來製作出外支撐，使得原本的支撐軟管不會再不自主地晃動，讓原本可能無法固定位置與角度的燈架，能夠繼續使用和發揮其功能(如圖二)。 - 復健用傾斜床(tilting table)之防撞
傾斜床為復健科常用之器具，使用對象常為無法自主承重、又需要承重之個案，因為考量不同腳長的個案和搬運者的人因工程因素，此床係設計上下高度可以調整；而為了讓個案從平躺到站立，此床斜度可以漸進式調整；旁邊尚可加裝活動式扶手。然則，也是因易於調整的特色，臨床人員在操作時，腳常會不小心撞到傾斜床下的鐵造構造，常導致瘀青或疼痛等傷害，有鑑於此，我們設計一3D列印緩衝墊(如圖三)，此緩衝墊不需要額外的鑽孔或綁帶固定，可直接套住使用，達到緩衝之效果，可使得工作人員在不小心碰撞時，減少受傷的風險性。
結語：
綜上所述，3D列印技術的普及可廣泛加以應用，如本文所述的護理部導尿模型、外科部一般外科的經口內視鏡甲狀腺切除手術安全裝置、骨科部與整形外科的肱骨巨大骨缺損惡性骨腫瘤的術後輔具、整形外科巨大骨瘤(osteoma)手術導板，以及配合防疫安裝在病房大門的手肘門把等。尤其，透過3D列印技術可很快的把想法或概念加以實體化，而能夠做具體的呈現，進而達成良好的溝通。此外，3D列印運用於醫療輔具與生活輔具，能輕鬆解決相關的問題，其中對於複雜手術或創新術式之開發，透過3D列印技術的協助，更是其優勢之一。期待各單位有興趣的長官與同仁與我們3D中心共同合作，持續各種腦力激盪的開發，造福更多的病友們。本院3D中心位於東院區身障中心一樓，院內分機7534轉369，非常歡迎長官與同仁們蒞臨指導。
附錄：
- Tack P, Victor J, Gemmel P, Annemans L. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomed Eng Online. Oct 21 2016;15(1):115.
- Lin KW, Hu CJ, Yang WW, et al. Biomechanical Evaluation and Strength Test of 3D-Printed Foot Orthoses. Appl Bionics Biomech. 2019;2019:4989534.
- Matter-Parrat V, Liverneaux P. 3D printing in hand surgery. Hand Surg Rehabil. Dec 2019;38(6):338-347.
- Yeh YT, Chen JY, Kuo PC, et al. Printing a Three-Dimensional Patient-Specific Safety Device for Reducing the Potential Risk of Mental Nerve Injury During Transoral Thyroidectomy. World J Surg. Feb 2020;44(2):371-377.
- Wang TH, Ma H, Huang LY, et al. Printing a patient-specific instrument guide for skull osteoma management. J Chin Med Assoc. Oct 2020;83(10):918-922.
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