3D打印是以数字文件为基础，采用金属、塑料等黏合材料经过逐层堆积的方式构建实体的技术。医学3D打印的常规流程是：①选择合适成像手段获取扫描数据；②对图像进行分割等后处理；③将图像格式转换为标准镶嵌语言(Stereolithography，STL)格式；④选用合适的打印机成型。为保证医学3D打印产品的质量，应结合不同组织及应用目的选择合适的扫描方式和参数，目前基于影像技术的医学3D打印已有许多临床应用研究，多在解剖模型和个体化模板的分类中，见表1。"

2.1   基于X射线成像在医学3D打印的应用研究 2.1.1   CT   在各种成像方式中，CT是获取骨影像数据的首选方式，常用于涉及骨骼系统的外科分支，如口腔颌面外科、骨科和整形外科。3D打印采集CT数据时，为保证图像质量，一般选用螺距小的多排螺旋CT，扫描间距≤1 mm，像素大小为0.1-0.5 mm，像素矩阵为512×512[1]。三维成像采集技术的发展促进了3D打印医学应用的发展，现除了常规CT扫描能作为3D打印模型的数据源之外，特殊CT扫描也可以作为数据源进行3D打印。比如薄层CT扫描、低剂量CT扫描以及CT血管造影等[2-4]，其中低剂量锥束CT技术的费用和辐射剂量相对较低，因此在骨科也越来越受欢迎[5]。现有产品的临床应用主要从以下4个方面概括。 首先，构建实体CT数据模型。3D打印技术依据CT数据的实体模型清晰地还原了原始损伤状态，在术前规划和术中解剖参考使用，更加精细地显示疾病病理和解剖位置，给医生和患者提供了立体直观的视觉效果，增强了外科医生对疾病解剖结构的熟悉程度，提高医学教学的成效，成为临床医生向患者宣教的有效工具以及新的法医证据显示形式[6-8]。学者IZATT等[9]基于CT数据制作26例复杂脊椎病变的患者模型，发现大约65%的病例中生物模型的解剖细节比影像学更清晰可见，其中89%的病例手术时间减少，平均每个病例减少了63 min的手术时间，通过这种方式可提高手术效率及准确性，减少医疗费用及手术创伤风险，而且可以实现数字化存储。 其次，基于CT数据设计手术导板。骨科3D打印手术导板用途广泛，尤其适用于脊柱螺钉置入、骨性结构畸形截骨矫形及其他需要精确定位的骨科手术或操作，可以辅助手术精准定位、定向、定深、定角等情况，避免了因误差引起的治疗效果不佳，而3D打印模型基于患者自身CT数据所创建，具有高度贴合患者解剖结构的特性，为医生进行定制化手术提供有效方法[1]。严斌等[10]获取CT数据后制作3D打印个体化导板，制定更适合患者的手术方案，辅助腰椎椎弓根对应的螺钉置入，最终患者置入率是100%，相比之前提高了螺钉置入成功率，提升了手术效率，减少了术后风险，值得推广于临床。 另外，内植物的构建。复杂的骨缺损或者颌面部缺损时，会导致结构变化或者功能退变丧失，利用CT和3D打印进行个性化匹配设计，可以精准吻合缺损处，使得接触界面紧密及初期稳定性良好，且内植物具有微孔结构，可促进正常骨细胞的黏附和增殖，减少患者的卧床时间，降低术后风险的发生。全球首例3D打印人工椎体及术后X射线片表现如图2所示[11]。石磊等[12]选取15例脊柱肿瘤患者，对其采用手术方式行椎体切除后，进行3D打印人工椎体重建，结果表明，术后使用3D打印个体化人工椎体能提供更合适的界面匹配以及良好的远期稳定性，可以满足脊柱重建的需要。 最后，骨科3D生物打印。生物打印是3D打印技术与组织工程相结合，基于影像手段采集目标物体的结构图像，通过后处理和计算机建模，利用特殊的生物材料和机器打印活性器官的一项技术。目前3D打印骨骼、骨组织支架以及种植牙在临床已有应用，但是当前技术不成熟限制了其广泛应用，更多的仍处于基础研究中。刘燕等[13]采用仿生矿化法合成多孔的胶原基质支架材料，这种材料具有良好的纳米机械性能和生物相容性，能促进骨髓间充质干细胞增殖和迁移，促进新骨形成，是具备临床应用前景的骨再生支架材料。"

在CT设备管理方面，CT机质量管理是通过体模来测试和验证，而传统体模制作成本较高且制作流程复杂，3D打印优于传统流程，有望代替传统方法。CT图像的质量管理是指以最低辐射剂量获得最高影像质量，充分满足临床诊断需要为目的所进行的设备引进、质量保证、质量开发和改进所进行的组织管理活动[14]。JAHNKE等[15]打印出具有高精度解剖细节和辐射衰减特性的体模，这种体模可广泛应用于放射学诊疗，如CT扫描方案优化、设备测试、机器校准、质量保证、剂量学研究、工作人员培训和演示目的，使得CT图像有更多的可能性与灵活性。最新创建的体模是基于CT图像进行骨骼模型再现，其中包括患者的病理和生理结构，用以模拟脊柱手术，该体模既具有触觉特性又兼容X射线透视特性，可以更真实地反映所携带信息[16]。 2.1.2   数字减影血管造影   数字减影血管造影是利用对比剂显影特性，对患者不同时期采集的图像进行同位置相减，是血管数字成像中重要的组成部分，被称作脑血管成像的“金标准”。颅内的血管解剖错综复杂，且毗邻重要神经，对临床医生来说，颅内空间结构的掌握程度直接影响手术的成功率。3D打印血管模型可以更全面直观地显示血管及其病变毗邻信息，不会因二维屏幕对信息释放有所限制，有助于患者对疾病的理解和二级预防，近年有越来越多的研究证明了3D打印模型对处理血管类疾病的重要性。 当前基于数字减影血管造影图像所创建的3D打印产品主要发展在第一应用层次，即构建患者的血管模型。该模型整合了目标血管及其分支，用来辅助医生决定术式、术中参考以及供年轻医师进行手术模拟培训。目前的3D打印模型可以很好地还原血管结构，有研究对比了数字减影血管造影影像与模型精度，发现模型和源解剖图像之间有很好的一致性[17]。陈光忠等[18]基于数字减影血管造影影像成功打印脑动静脉畸形实体，用于指导患者及其家属术前谈话及手术方案设计，提高了术前谈话效率及手术满意度，且术后并发症为零例。金国良等[19]以颅内动脉瘤患者的数字减影血管造影影像为数据源，进行3D打印，模型清楚显示了动脉瘤尺寸外形以及其与周围血管情况，为颅内动脉瘤瘤夹选择和夹闭方式提供了有效的参考，模型制作过程如图3所示[19]。随着真实动脉瘤形状的3D打印仿真模型的发展，神外各领域在传统的动脉瘤治疗的方法上都发生了很大的变化。但需要明确的是，目前选择手术策略完全是依靠数字减影血管造影本身，特别是3D-数字减影血管造影，而非3D打印仿真模型，但是仿真模型可以帮助选择更个性化的瘤夹类型，也可以对基于数字减影血管造影治疗策略的准确性行反向验 证[20]。 "

2.1.3   放射治疗   放射治疗作为一种治疗手段，与3D打印结合应用有别于其他影像基础方式，主要是通过3D打印技术创建体模和辅助治疗模板后，应用于放射治疗的临床或者设备应用，提高放射治疗的精准度以及效率、改善剂量分布的均匀性，保护危险器官。在肿瘤放疗治疗中，3D打印模板辅助有效减少了因医生技术原因造成的插值误差，可以准确实现术前剂量分布规划。 放射性粒子组织间永久植入(简称粒子植入)是近距离肿瘤放疗中有效的治疗手段，为了对靶区植入高剂量射线粒子，其周围的组织提供低剂量的治疗，为确保手术前后计划剂量一致，粒子植入时需要借助影像引导和模板辅助从而实现粒子在靶区的高适形分布。3D打印的辅助模板个性化程度高，有助于实现粒子植入的高适形分布。辅助模板根据其针道是否平行分为3D打印非共面模板和3D打印共面模板，前者适用活动器官或不规则部位，后者适用于平行插植部 位[21-22]。3D打印模板很大程度上提高了粒子植入的精准度，它的出现被认为是放射粒子植入发展的一个里程碑，有学者将3D打印模板辅助组与传统组进行剂量学验证，表明模板辅助组术后主要的剂量指标均满足术前计划，相比传统治疗大幅提高了精度[23]。基于3D打印技术与近距离放射治疗的现状，已于2017年达成专家共识[24-25]。近年来，3D打印模板在放射治疗中的应用领域逐渐扩大，现已分布在直肠癌、宫颈癌、头颈癌、肺癌等肿瘤治疗领域[26-29]，提高了植入放射针的精度，使术前术后剂量学规划一致，改善了患者预后。有研究比较了2种模板差异，结果表明基于3D打印非共面模板的治疗方案明显优于3D打印共面模板，前者更有助于局部控制和减少复发，但就目前3D打印非共面模板的设计以及制作成本偏高，对大规模推广来说是一项挑战[29]。 为了进一步提高放射治疗的准确性，一般会使用放射或非放射方法的定位系统进行质量保证，每个质量保证过程都需要有自己的模型，并且彼此独立，每个系统的偏差不通用，因此为不同的定位系统开发和评估设计单个集成的质量保证体模是很有必要的[30]。KAMOMAE等[31]构建了相关系统，用于生成患者特定的3D打印体模，对放射治疗剂量进行预测定，并比较了实际体模和3D打印体模的形状、CT值和吸收剂量，实际体模和打印体模之间的形状差异小于1 mm，剂量差异不到2%，这些结果证明了3D打印体模在放射治疗质量保证中用于人工活体剂量测量的可行性。 2.2   基于非电离成像在医学3D打印的应用研究 2.2.1   MRI   MRI是一种对人体软组织进行高分辨率三维成像的非侵入性成像技术，可以获得器官各断面的解剖信息，此外，MRI能提供各种组织的功能信息，例如血流和分子信息特性。尽管目前的多数3D打印应用是建立在CT数据基础之上，但几乎在每个亚专科领域都有利用MRI数据创建模型，MRI良好的软组织分辨率在3D打印数据采集方面展现了巨大的潜力，目前应用在不同领域包括心内科、乳腺外科、神经外科、泌尿外科和儿科等，经MRI打印出个体化模板或模型，作用在临床诊断评估、术前计划、患者宣教、功能代替、基础研究等方面[32-33]。在临床应用领域中，软组织中含有相对较多的水质子，因此MRI对其有较高的分辨率，其中MRI扫描序列中T1序列适合观察解剖结构，T2序列适合观察病理结构，同CT扫描一样，特殊MRI序列如MRI造影作为数据源打印出颅内动脉瘤模型是可行的[34]。基于MRI的3D打印应用研究主要分为以下两部分。 第一，MRI数据的实体化。MRI尤其擅于显示神经、血管、韧带、肌肉等结构及其空间位置，将解剖或病理结构打印成触体，能直观反映出心血管及胎儿的空间关系，提高家属或患者对疾病的理解能力，深入了解这些影响，方便配合医生合理安排先心病产前计划及治疗方案[35]。MRI模型用于医学生教学时，比传统授课更能调动五官感知和好奇心，巩固其医疗知识，节省医疗资源，减轻老师负担[36]。另外，打印的透明局灶性肝脏模型显示清晰，如图4所示，能看到由于二维屏幕受限易忽略的小病灶[37]，同时辅助常规影像检测，可以给临床疾病诊断及分期提供可靠参考[37]。 第二，个体化模板辅助功能。在乳腺肿瘤的术前成像中，MRI成像比钼靶或超声检查更有价值，但由于患者检查与手术姿势不同，术中难以准确标记到MRI图像中所观察到的肿瘤区域，为防少标或漏标肿瘤区域，有学者开发了3D打印乳腺癌定位器以及乳腺外科指南辅助定位肿瘤边缘，向医生准确提供了仰卧MRI的成像信息，精准了乳腺癌边缘定位，改善了患者预后[38-39]。LINDEGAARD等[27]基于3T MRI T2WI序列对阴道部位成像，将3D打印阴道模板用于宫颈癌治疗，结果表明，MRI清晰地显示了尿道、阴道、肛管和耻骨直肠肌之间的关系，同时利用个体化模板辅助治疗提高了最佳剂量分布的可能性。 除了辅助诊疗外，3D打印在MRI设备应用方面，也可以构建各种体模以及机器组件。首先，打印MRI射频线圈，常见的3D打印聚合物的MRI频率范围为63-300 MHz，利用这些材料的频率特性进行3D打印，使用打印的线圈比传统线圈得到的图像信噪比要更高[40]。其次，利用3D打印可以创建体模，该体模能被抽取液体，进行真人注射模拟，并且在MRI质量管理活动中可以重复使用，进行MRI序列评估和制定MRI对比剂注射量的参考标准[41]。另外，STENROOS等[42]打印出了大鼠固定模具，此模具与接收线圈和发射线圈兼容，可以使大鼠在清醒状态下进行脑实验，减少实验误差。  2.2.2   超声检查   超声检查是非电离辐射的另一种成像手段，主要是基于多普勒效应，利用人体内部组织对声波的反射或者散射造成的频率偏移现象获取人体内部器官的运动信息，多用于观察血流和心脏动态信息，是围产保健的一项重要项目，但就超声图像来说三维图像始终局限于二维屏幕显示，基于超声影像数据的三维虚拟导航和物理模型打破了这一局限性，使图像具有立体性和可触性。 超声检查自与3D打印结合以来，主要集中在心脏的医疗模型制作上，如先天性心脏病、左心耳和房间隔封堵术的解剖模型，有助于心脏手术的术前计划、模拟和患者宣教。MILLER等[43]打印出脊髓脊膜膨出的胎儿模型，将此作为术前演练模型，提高了手术成功率。NICOT等[44]创建了唇腭裂胎儿超声图像的三维打印模型，供术前规划，为唇腭裂治疗提供了一种新的工具，它也为父母提供了更好的产前信息。邱旭等[45]采集房间隔缺损患者的超声影像数据，设计打印出心脏疾病的三维模型，并使用模型仿效房间隔缺损封堵的手术过程，辅助确定了最佳封堵方案，且短期随访结果良好。宋宏宁等[46]分别打印出房颤患者经食管超声心动图的心腔模型和心壁模型，在行左心耳封堵术前，利用模型进行手术模拟，最后所有患者均封堵成功，证明了三维模型对左心耳封堵治疗手段的有效性。这些研究证明了基于超声影像数据打印的3D模型对于房间隔缺损精度和左心耳封堵评价有重要意义。 在教学应用方面，LOKE等[47]利用3D打印制作法洛四联症的3种独立模型，分别来自于正常婴儿的心脏CT、修复法洛四联症成人患者的心脏MRI以及未修复的法洛四联症婴儿的三维超声心动图，并用此模型对18名医学生授课，与另外17名仅学习二维图像的医学生比较，结果发现3D模型能明显提升学生的学习满意度。可见其发展优势，若解剖模型能广泛应用于教学，不仅能缓解医学解剖教学中尸体获取困难的情况，还可以解决其带来的伦理问题。 2.3   基于分子放射性核素成像在医学3D打印的应用研究   正电子发射断层显像术(Positron Emission Tomography，PET)和单光子发射型计算机断层显像术(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)/CT是目前核医学主要代表技术，其中PET/CT和SPECT都是通过从患者体内发射γ射线成像，同时依赖于CT设备得到清晰的断层图像，通过计算机将患者体内功能代谢影像与解剖形态学影像进行同机融合的成像技术，通常经过一次检查就可以获得功能图像、CT图像及两者融合图像。3D打印技术与核医学学科结合点多在于体模，传统的体模制作耗时长成本高，而3D打印制作速度快、价格相对低，且3D打印机分辨率满足临床需求，3D打印体模可以测试和验证辐射剂量学，调整最适重建参数，为患者个性化治疗建立标准的定量成像。 核医学与其他成像方式不同，是从分子层面上显示的功能成像。有研究利用3D打印制作了一套患者病变肾脏模型，直接用于机器和患者特异性校准，确定核素依赖的SPECT/CT 校准因子，以评估肾剂量定量成像的准确性，这对空间分辨率较低的SPECT来说有较大意义，且3D打印技术具有相对较低的成本和高分辨率，证明了在核医学临床应用中具有制造个性化拟人模型的潜力[48]。PET/CT类似于SPECT/CT，但PET/CT不使用准直器，分辨率及灵敏度明显高于SPECT/CT。由于物体对γ射线的衰减严重影响了PET的定量精度，所以成像时需要进行衰减校正技术，最重要的就是获得物体的线性衰减系数。有研究设计了可以对示踪剂摄取并扫描显示的3D打印体模，模拟了PET/CT扫描到放疗过程，结果模型剂量与预估剂量一致，证明了3D打印体模适用于调强同步补量技术在整个过程的可行性[49]。 "