3D打印定制式醫療器械患者安全因素分析及對策

朱永麗 王學軍 夏慧琳 朱丹丹 張曉燕

（內蒙古自治區人民醫院醫學工程處，呼和浩特 010017）

隨著醫療水平的不斷提高，滿足患者對個性化醫療的需求成為醫療發展的新目標。定制式醫療器械是指滿足指定患者的罕見特殊病損情況，在我國已上市產品難以滿足臨床需求情況下，由醫療器械生產企業基于醫療機構特殊臨床需求而設計和生產，用于指定患者的、預期能提高診療效果的個性化醫療器械［1］。利用增材制造技術即3D打印技術生產定制式醫療器械已成為目前的主流趨勢。

患者個性化定制的模型、支具、護具、手術導板、植入體等醫療器械的應用，在醫患溝通、術前規劃、手術可視化以及定制植入醫療器械方面都做出突破性貢獻［2］。該方法可以降低手術難度、縮短手術時間、改善患者預后，也提高患者滿意度［3］。但其復雜性也給患者帶來了潛在的風險和安全問題。目前的定制式醫療器械尚未建立起完善的評價機制和行業標準，使其質量得不到很好的保障［4，5］。同時，對定制式醫療器械、尤其是植入體的審批流程中，較多關注其靜力學性能而忽略其磨損性能及疲勞性能等，也使其使用過程中的風險因素增加［6］。2013年4月，美國食品和藥物管理局（Food and Drug Administration，FDA）宣布，由于用3D打印制作的骨科截骨導板無法按照骨科醫生的手術計劃進行深度和角度對齊，有造成患者嚴重傷害的風險，對其進行Ⅰ類召回［7］。

本研究的主要目的是通過對3D打印定制式醫療器械的工作流程及流程中各個環節進行詳細分析，在此基礎上，深入挖掘各個環節中可能造成影響患者安全的因素，并提出預防措施和建議，為規范該領域從業人員操作行為提供依據，為保障3D打印定制式醫療器械的臨床使用安全提供參考。

1 3D打印定制式醫療器械影響患者安全因素分析

1.1 3D打印定制式醫療器械工作流程分析

3D打印定制式醫療器械的工作流程包括多個步驟。本文綜合參考Bastawrous、Matsumoto等的相關文獻［8，9］，結合定制式醫療器械在臨床應用過程中的實際情況，將臨床提出需求后的整個工作流程分為臨床需求提出、影像數據獲取、圖像分割重建、計算機輔助設計、3D打印、模型后處理及臨床應用七個階段。如圖1所示。

圖1 3D打印定制式醫療器械工作流程

整個工作流程涉及的人員包括臨床醫師、放射醫師、圖像處理及設計工程師、3D打印工程師。流程環節包括：①由臨床醫師根據患者治療需要提出定制式醫療器械的需求；②放射醫師依據患者病變部位及圖像要求，選擇合適的成像方式和參數采集影像數據，并出具診斷報告；③工程師以影像數據為基礎，通過圖像分割將患者病變部位及周圍組織解剖結構進行三維重建，并設計定制式醫療器械；④對需3D打印的解剖模型及器械進行表面網格化處理，轉化為3D打印機可打印文件格式；⑤設置打印參數、支撐，對模型進行切片處理，選擇合適的成型方式及材料進行3D打??；⑥去除支撐，對模型進行填充及再固化等后處理，進行消毒、滅菌，包裝后以備臨床使用。⑦臨床醫師按照預期目標實施手術。

1.2 各工作流程中影響患者安全因素分析

定制式醫療器械不同于批量生產的醫療器械，無法進行標準化流程進行生產，也不能采用抽樣檢測和代表性產品驗證，各個環節都可能引入一些影響患者使用安全的風險因素［10］。

本文針對定制式醫療器械的工作流程的各個階段，分析可能存在的對患者使用安全造成影響的因素。

1.2.1 預期用途確認不足

模型的預期用途和最終目標溝通不足會直接導致設計的精度、材料選擇及打印工藝選擇等出現差錯。如用于骨科的截骨導板在設計過程中要考慮骨表面附著的軟組織會影響導板使用中的貼合度，應據此修正其尺寸［11］。而用于關節置換的人工關節需考慮其材料的生物相容性、力學性能及機械性能［12］。在心臟術前，常通過對患者心臟解剖結構的三維重建模型，進行術前規劃并預選人工瓣膜、血管支架等植入物的型號。如果由于模型不精準致使選擇錯誤將會導致再手術，甚至是患者死亡等嚴重問題［13］。

1.2.2 影像數據質量差

成像方式選擇不當是造成影像數據質量差的主要原因。放射醫師需要根據預期用途和成像部位的解剖結構特點選擇成像方式。常用的成像方式中，CT是骨骼組織成像首選，而MRI和超聲檢查在軟組織方面更有優勢。對于一些心臟數據的采集還需一些特殊的、如通過心電門控技術來減少運動偽影［14］。有時還需通過造影劑增加組織間的對比度［15］。成像參數也直接影響圖像的質量［16］。例如CT的分辨率過低可能忽略結構差異，忽略微小病變。層厚過大會造成容積效應，而且在三維重建過程中會出現階梯偽影。

1.2.3 圖像分割重建和模型設計錯誤

影像數據三維重建主要通過閾值的自動分割和手動分割兩種方式實現。自動分割對特定的解剖結構或閾值差別較大的區域分割較好，但對一些邊界不清、閾值接近的區域及一些解剖變異的結構無法進行正確處理，因此需要工程師進行手動修正［17］。一旦工程師對解剖結構、影像診斷及軟件操作掌握不夠，就可能造成設計過程中出現錯誤、器械參數偏離預期的結果。

1.2.4 模型處理不當

最常用的STL格式的網格化文件是將模型表面用大小不等的三角形相連接進行覆蓋。網格數量過多將導致數據冗余、數據量過大，增加存儲和打印機處理負擔，甚至造成打印故障。數量過少，模型表面會更加順滑，但會造成模型表面形狀數據丟失，降低模型精度，尤其是一些細節信息［18］。

1.2.5 打印前準備不當

層厚、打印速度以及模型在打印機床上的放置方向及角度等參數的設置直接影響成品的精度［19］。例如FDM 打印機需結合噴頭出絲的粗細設置合適的切片層厚，層厚過厚，模型精度過低［20］；層厚過薄，小于出絲直徑，打印機精度無法達到要求。模型在打印機床上的放置方向及角度影響模型的穩定性，對懸空的部位或不易成型的結構（如中空的血管）需設置支撐結構。支撐結構過密，既費時費材料，也難以移除；支撐結構過疏，不足以發揮支撐的作用，影響打印成型，可能發生變型［21］。

1.2.6 打印材料及設備的選擇不當

器械材料的選擇需考慮其毒性、生物相容性、力學性能及成本等［22］。尤其對植入物，選擇不當會對患者造成毒性或體內發生斷裂等問題。用于醫患溝通或學習觀摩的模型可選擇熔融沉積成型（FDM）打印機打印PLA材料［23］；手術導航模板可選擇尼龍打印機；替代骨組織的植入物一般通過選擇性激光燒結打印機對金屬粉末進行燒結成型。除此之外，打印機的成型精度和成型尺寸也是重要考慮因素。打印機精度過低會造成器械力學性能和強度達不到要求。模型尺寸超過打印機成型范圍的，將會無法正常打印。有些打印機會對超出成型范圍的模型自動縮放尺寸來適應打印機，如果在不知情情況下使用將會給患者造成傷害。

1.2.7 打印過程故障

該過程中，打印機需保持穩定無故障。打印機一旦故障將造成打印中斷、成型不佳、變形、尺寸不符等問題。例如，美國退伍軍人事務部報道一例由于打印機噴頭堵塞，導致Z軸尺寸小于要求尺寸的案例。

1.2.8 后處理不當

后處理階段主要對打印完成的器械進行去除支撐結構、填充及再固化、消毒滅菌及密封等步驟。后處理不當將對模型性能和材料特性產生不利影響［24］。支撐結構去除不完全，會影響成品表面結構及性能。去除過程不當可能損壞成品。打印完成后，成品可能存在固化不完全或存在孔隙等情況，還需進行再固化。固化不足可能在部件上留下有毒樹脂，對患者造成傷害，或導致機械強度不足，使用后意外故障；過度固化會導致成品膨脹或機械脆化。手術過程中使用的定制式醫療器械需進行消毒滅菌。消毒滅菌不完全將造成患者感染；不當的消毒滅菌方式可能導致器械因受熱而翹曲或熔化、脆性增加或殘留毒性。

1.2.9 手術實施錯誤

無論是何種用途，定制式醫療器械最終將由醫生用于患者，這就要求醫生對該器械的性能、用途、使用方法充分了解，尤其是用于外科手術的醫療器械。醫生應對交付的成品進行使用前確認。一旦發生成品唯一標識與患者信息不符，性能及尺寸不滿足預期用途、包裝破損、方向標識存疑等情況，應及時核實糾正，否則用于患者后將造成不同程度的傷害。對于通過手術使用的器械，應由一定資質的醫生實施，并對整個定制過程有很好的了解和掌握，盡量減少手術使用不當或錯誤的風險。

1.2.10 過程溝通與理解不足

該技術涉及醫學與工程兩大知識體系，包括解剖學、影像成像技術、影像診斷學、圖像處理、軟件使用、設計、材料學、3D打印技術等專業知識。醫生與工程師之間存在知識壁壘，醫生對圖像處理、軟件使用、設計及3D打印相關技術了解不夠，而工程師對解剖學、影像診斷等醫學知識掌握不深。因此造成工程師無法理解醫生的需求，無法設計出滿足臨床需要、保證臨床安全使用的器械。

2 預防措施及建議

針對以上原因分析，本研究主要從技術措施和管理措施兩個角度提出預防措施和建議，為臨床使用3D打印定制式醫療器械的患者安全提供參考。

2.1 技術措施

2.1.1 加強專業技術人員培訓

3D打印是一種新型技術，將其用于個性化定制式醫療器械最早報道于2011年［25］，近幾年進入應用的迅速發展時期，亟待培養一批具有綜合知識體系的專業技術人員。因此要通過對相關人員進行系統、全面的培訓，為臨床醫師、放射醫師及3D打印相關工程師建立起醫工結合的完整的知識體系，才能將這項工作良性發展。依據3D打印過程中通常涉及到的內容及作者實際工作經驗，總結基礎知識體系包括：①醫學知識：人體解剖學、斷層解剖學、影像診斷學、影像檢查技術等；②軟件技術：影像數據三維重建軟件、計算機輔助設計軟件、3D打印切片軟件等；③3D打印知識：3D打印成型技術、3D打印材料性質、材料消毒滅菌技術等；④相關法規知識。

此外，由于各科疾病治療的差異性，建議圖像處理與設計工程師參照臨床醫師進行?？曝撠?，保證其?？祁I域的專業性。

2.1.2 加強人員溝通

在定制式醫療器械生產的整個過程中涉及的人員較多，包括臨床醫生、放射科醫生、模型設計和3D打印工程師等。需要通過充分的溝通來打破專業之間的知識與技術壁壘，達到信息對等。因此，在生產全過程中應形成一個多向溝通、協同合作的團隊，在知識及技術方面形成一個相互彌補的團隊，來保證產品的質量與患者的安全。

2.1.3 加強產品外觀與參數確認

對最終提供給臨床的產品應對照預期用途及設計參數進行外觀與參數的確認，如圖2所示。一旦發現錯誤，應對照2.2中各環節查找可能造成錯誤的原因并進行修正。

圖2 產品外觀與參數確認內容

2.2 管理措施

減少工作過程中出現差錯的有效手段是工作流程標準化。定制式醫療器械生產過程的各個環節也應當標準化，并將操作流程以標準化操作流程（Standard Operating Procedures，SOP）的形式進行規范化，減少操作過程的隨意性，避免錯誤。一旦發生新的錯誤，應分析其原因，對現有SOP進行修正。從患者臨床環節到器械最終使用的全過程操作都應進行真實、規范記錄，將操作過程文件化，并進行存檔，可以保證器械的溯源，并當器械發生差錯時，便于通過記錄文件追溯差錯原因，并采取糾正和預防措施，使定制式醫療器械生產過程良性發展。

3 結論

定制式醫療器械的應用在不斷被臨床醫生及患者所接受，也進入快速發展的階段。美國、歐盟、澳大利亞、加拿大都先后制定了關于定制式醫療器械的監管法規及注冊體系［26］。我國目前關于定制式醫療器械的監管法規有2020年1月1日開始施行的《定制式醫療器械監督管理規定（試行）》，主要針對定制式醫療器械的備案、設計加工、使用階段的監管做出相關規定，為定制式醫療器械的臨床應用規范化起到了重要作用［27］。但目前我國仍沒有定制式醫療器械的技術方面的適用性指南和質量標準，定制式醫療器械使用的適當性、安全性仍無標準可參考。

本研究分析得到的患者安全因素涵蓋3D打印定制式醫療器械各個環節，相關從業人員可以參考造成這些安全因素的原因，在實際工作中通過加強技術水平和管理水平，盡量避免發生導致安全因素發生的操作，從而為臨床提供安全、有效、滿足預期需求的定制式醫療器械，最終有效保障患者使用安全。

由于定制式醫療器械臨床應用時間較短，未達到廣泛普及，且臨床應用病例有限，患者使用安全事件相關報道較少，因此無法進行基于數據的患者安全因素分析，本研究偏重于文獻研究與實際工作經驗總結，后續將進一步基于數據進行客觀研究與深入分析。