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3D立體列印 癌症治療新利器(上)
「立體列印」 (Three-Dimensional Printing; 3DPrn) 原本是工業上用於「快速原型製造(或快速試製)」 (Rapid Prototyping) 的一種技術，近年來，3D立體列印技術被運用在醫療領域，係利用立體列印機製造仿真的患者模型，可用於術前評估、規劃或模擬治療。
本文以利用立體列印機製造仿真的患者模型，用於術前評估、規劃或模擬治療，可增進治療的成效；我們以牙科植齒、頭頸部腫瘤放射治療、腹腔外科手術、和胸腹部主動脈瘤套模支架置入為例，介紹此方面應用的最新發展。
立體列印技術的背景
「3D立體列印」 (Three-Dimensional Printing; 3DPrn) 技術原本是工業上「快速原型製造(或快速試製)」 (Rapid Prototyping) 的一種技術，讓使用者能以較傳統工業用原型製造機便宜的價格，完成模型的試製，使設計者得以透過肉眼觀察其設計的產品實體，從而提升產品設計的效率。
立體列印技術的背景
「3D立體列印」 (Three-Dimensional Printing; 3DPrn) 技術原本是工業上「快速原型製造(或快速試製)」 (Rapid Prototyping) 的一種技術，讓使用者能以較傳統工業用原型製造機便宜的價格，完成模型的試製，使設計者得以透過肉眼觀察其設計的產品實體，從而提升產品設計的效率。
材料科學的突飛猛進，使得立體列印的成品在精密度和強度等方面已大幅提升，在不同產業應用方面，逐漸能達到一般工業產品要求的規格。
既然立體列印的成品能達到實用的規格，以電腦程式有效率地進行產品的「客製化設計」 (Customized Design) 的獨特性，使其逐漸在醫藥界展露頭角，並吸引世界各國研究團隊積極的投入研發。
既然立體列印的成品能達到實用的規格，以電腦程式有效率地進行產品的「客製化設計」 (Customized Design) 的獨特性，使其逐漸在醫藥界展露頭角，並吸引世界各國研究團隊積極的投入研發。
以下個別介紹立體列印技術在下列醫學專科輔助治療的最新發展，包括：牙科、腫瘤放射治療科、腹腔外科、和血管科。
立體列印在模擬治療的應用
現代醫學受惠於相關醫療科技的發展，已能處理許多以前無法處理的人類異常狀況或疾病，不過，引進各種先進技術與器材，亦使得治療過程更趨於複雜，而有事先妥善規劃的需求。為此，乃有針對各種療法而設計的「治療計畫軟體」 (Treatment Planning Software) 。
固然治療計畫軟體可透過各種「視覺化技術」 (Technologies of Visualization)，在電腦螢幕顯示治療的立體圖像或影片，不過，若能搭配立體列印技術，治療師除了能於實體世界觀察立體的模擬物體，還可以印製的模擬體進行各種測試或實驗，以初步預估不同治療計畫可能達成的效果。
立體列印在模擬治療的應用
現代醫學受惠於相關醫療科技的發展，已能處理許多以前無法處理的人類異常狀況或疾病，不過，引進各種先進技術與器材，亦使得治療過程更趨於複雜，而有事先妥善規劃的需求。為此，乃有針對各種療法而設計的「治療計畫軟體」 (Treatment Planning Software) 。
固然治療計畫軟體可透過各種「視覺化技術」 (Technologies of Visualization)，在電腦螢幕顯示治療的立體圖像或影片，不過，若能搭配立體列印技術，治療師除了能於實體世界觀察立體的模擬物體，還可以印製的模擬體進行各種測試或實驗，以初步預估不同治療計畫可能達成的效果。
以下介紹結合治療計畫軟體與立體列印技術在各種不同療法的應用，以及單獨利用立體列印技術在模擬治療方面的應用。
(一)、牙科植入治療
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(一)、牙科植入治療
德國現行的牙科植入治療程序，需完成幾項複雜的診查與準備，至少需要患者進行 三次門診：首先，在患者初次門診時，完成口內印模 (Intraoral Impression) ，以製作「掃描用膺體」 (Scan Prosthesis) 。
再次門診時，對患者進行「錐束電腦斷層造影」 (Cone Beam Computed Tomography; CBCT) ，以取得患者口部的立體放射影像資料。
牙醫師根據前述的立體放射影像資料，並搭配標示於掃描用膺體的相關標記資料，在診所利用植牙治療計畫軟體，完成植入治療的規劃，然後將數位資料傳輸給特殊的牙科實驗室，由其製做「手術植體鑽孔導引器」 (Surgical Implant Drilling Guide) 。
最後在第三次門診，才利用所得的手術植體鑽孔導引器，實際執行口內植入治療。倘能簡化前述的治療程序，將能更便利患者。
為此，德國艾伯特-魯文大學口腔顎面外科手術科 (Department of Cranio-maxillofacial Surgery, Albert-Ludwig University, Germany) 的符陸基氏等人 (Fluegge et al) ，探討利用立體列印技術簡化前述的治療流程可能性，並於 2013 年，發表研究結果。
前述研究在一位右下顎有 1 顆缺齒的 64 歲的男性患者進行。志願患者在首次門診時，接受口內光學印模 (Intraoral Optical Impressions) ；該影像經過後處理 (Post-Processing) ，在 24 小時內轉換成「立體光固化成形法格式」 [Stereolithography (STL) Format] 。
下顎的錐束電腦斷層造影亦於當次門診取得，而患者口內全景的放射影像 (Panoramic Radiograph) ，則由先前門診的資料取得。
前述的各種數位影像資料於輸入治療化軟體後，以半自動化的方式融合為一 (Image Fusion) ，而製成虛擬模型 (Virtual Model) 。
牙醫師由治療計畫軟體的數位牙齒資料庫，挑選合適的牙齒規格，規劃合適的角度以捕入患者缺齒的部位，並完成所需的手術植體鑽孔導引器的數位設計。
然後，前述數位資料被輸入立體列印機，利用符合 2009年 版歐盟第 10993-1 號標準 (EN 10993-1:2009) 對生物相容性要求的高分子材質印製。
最後，在患者的第二次門診，牙醫師利用印製的手術植體鑽孔導引器，成功將義齒植入患者缺牙部位。該研究顯示，牙科植入手術確實可利用立體列印技術簡化，並減少患者門診的次數。
(二)、腫瘤放射治療
目前國際常用的腫瘤放射線療法的標準程序，是在以放射源實際照射患部之前，先將患者的患部和週邊部位的醫學影像，例如：愛克斯光影像 (X-Ray Images) 、愛克斯光電腦斷層影像、或磁振造影影像 (Magnetic Resonance Images) 等，輸入放射治療計畫軟體。
再根據前述影像，利用軟體建立患者的數位立體模型 (Digital Three-Dimensional Model) ，然後規劃射源的數目、位置和強度等治療參數的最佳組合，在消滅患部腫瘤組織的前提下，犧牲最小體積的健康組織5。
由於，目前立體列印技術能將數位立體模型輸出，印製成現實世界的立體模型，有些研究人員開始探討，結合治療計畫軟體的功能和立體列印機所得的「患者獨有的仿體」 (Patient-Specific Phantom) ，預先測試治療計畫軟體所得的治療參數組合的合適性，以提升治療效果。
首先，將患者的醫學影像建構的數位模型，以立體列印機透過能模擬放射線患者各部位組織傳播和吸收行為的材料，列印出患者患部的立體仿體。
其次，將治療計畫軟體所得的治療參數，輸入放射治療儀，對患者的立體仿體進行模擬治療，同時，量測該仿體各部位所吸收的劑量。然後，評估仿體測得的「劑量分布」 (Dose Distribution) ，決定治療計畫軟體建議的參數，是否適合對患者進行放射治療。
若不適合，則根據在仿體量測的劑量分布和治療計畫軟體預測者的差異，用計畫軟體再做修正。
卡達 (Qatar) 的黑魅德醫學公司 (Hamad Medical Corporation) 之帕帕斯氏等人 (Pappas et al.) 和希臘的奎特大學 (University of Crete) 合作，對結合放射治療計畫軟體與立體列印技術的效果進行研究，並於2013 年發表成果2。
該研究針對頭頸部腫瘤的患者，利用患者的愛克斯光電腦斷層影像，以立體列印技術印製患者頭部的立體中空仿體，再於其內填入高分子膠體製成的模擬材料和量測輻射劑量的感測器，成為測試用的仿體。
研究人員透過測試仿體量得的劑量分布，再使用治療計畫軟體和該團隊所開發的演算修正法逐步修正，結果顯示，經過前述開發的修正方式，軟體模擬的劑量分布和測試仿體時計量得的劑量分布的空間差異，可以控制在大約 1.8 公厘 (mm) 左右。
詳情請見：3D立體列印 癌症治療新利器(下)MD News
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