2024年2月27日，由德國(guó)公立大學(xué)達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)、挪威科技大學(xué)、英國(guó)倫敦Moorfields眼科醫(yī)院和UCL眼科研究所NIHR眼科生物醫(yī)學(xué)研究中心等多個(gè)歐洲生物醫(yī)學(xué)和眼科研究人員團(tuán)隊(duì)與計(jì)算機(jī)圖形專家合作，推出了一種 3D 打印人造眼球的新技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)在「Nature」子刊「nature communications」發(fā)表研究論文「Automatic data-driven design and 3D printing of custom ocular prostheses」。
1、 介紹
世界上大約 0.1% 的人口佩戴著義眼。失明或可能毀容手術(shù)后患者的康復(fù)對(duì)于美觀和心理接受度非常重要。它需要滿足許多要求、更換眼眶容積、在接受腔愈合后及時(shí)制造義眼、可接受的舒適度、美觀和運(yùn)動(dòng)都是需要解決的問題。
眼部修復(fù)技術(shù)的發(fā)展始于對(duì)失明和眼部缺陷的關(guān)注。失去眼睛不僅導(dǎo)致視力缺陷，還在外觀上造成明顯差異，給患者心理和社會(huì)帶來負(fù)面影響。眼球失明的原因多種多樣，包括外傷、疼痛性失明和無法保守治療的眼部腫瘤等。在眼球被摘除后，眼眶容積由放置在結(jié)膜下的眼眶植入物構(gòu)成。傳統(tǒng)上，定制眼假體的制造是由定制工匠進(jìn)行手工制作的，這需要高度的技能和多年的培訓(xùn)，每個(gè)假體都是為每位患者手工制作的。這種方法耗時(shí)且存在質(zhì)量差異，對(duì)患者的外觀和心理接受度有一定影響。
為了解決這一問題，本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種自動(dòng)化、數(shù)字化的眼部修復(fù)體制造流程。這一流程利用微創(chuàng)光學(xué)相干斷層掃描 (OCT) 和適形器捕獲無眼窩的解剖結(jié)構(gòu)以及正常眼睛的解剖結(jié)構(gòu)和顏色。然后，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成數(shù)字 3D 模型，并利用多材料 3D 打印技術(shù)制造眼假體。這一方法的貢獻(xiàn)在于提供了一種端到端的自動(dòng)化方法，能夠設(shè)計(jì)和制造定制美學(xué)假體，同時(shí)考慮形狀擬合和外觀匹配。
傳統(tǒng)的義眼制造過程需要大量的體力勞動(dòng)和手工操作，由于是手工制作，可能存在形狀和外觀上的差異。而新方法利用增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了眼假體的自動(dòng)化制造，減少了人為因素的干擾，提高了制造效率和一致性。這種方法不僅可以節(jié)省時(shí)間和人力成本，還可以更好地滿足患者的需求，提高修復(fù)效果和患者的滿意度。
近年來，增材制造技術(shù)在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。除了形狀和材料特性外，外觀在眼假體制造中也起著關(guān)鍵作用。以往的研究主要集中在形狀的數(shù)字化、自動(dòng)化和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程，而對(duì)于外觀的考慮較少。本研究填補(bǔ)了這一空白，提出了一種綜合考慮形狀和外觀的義眼制造方法，為眼部修復(fù)技術(shù)的發(fā)展帶來了新的可能性。
圖1:采用PMMA材料的傳統(tǒng)制造眼假體及數(shù)字化端到端過程。
如上圖示，傳統(tǒng)制造眼假體通常使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，制作過程涉及以下步驟：
眼窩印模：眼科醫(yī)師對(duì)患者的眼窩進(jìn)行藻酸鹽印模，以獲取眼窩的形狀和尺寸數(shù)據(jù)。
制作蠟?zāi)Ｐ停豪醚鄹C印模，制作出適合眼窩形狀的蠟?zāi)Ｐ?。這個(gè)過程可能需要多次調(diào)整，以確保與患者的眼窩完全匹配。
制作假體：將白色PMMA填充到蠟?zāi)Ｐ椭?，并在固化后進(jìn)行拋光，以制作出眼假體的基本形狀。
添加細(xì)節(jié)：在眼假體的鞏膜區(qū)域添加染色和紋理，以使其外觀更加真實(shí)。
最終調(diào)整：眼科醫(yī)師可能需要在制作完眼假體后對(duì)其進(jìn)行最終的形狀和外觀調(diào)整，以確保與患者的另一只眼睛匹配。
相比之下，數(shù)字化端到端的制造過程包括以下步驟：
光學(xué)掃描：使用微創(chuàng)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)對(duì)患者的眼窩進(jìn)行掃描，獲取眼窩的形狀和解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
數(shù)字建模：將掃描到的眼窩數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字3D模型，并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行形狀和外觀的設(shè)計(jì)。
3D打?。菏褂枚嗖牧?D打印機(jī)將數(shù)字設(shè)計(jì)的眼假體制造出來，以確保形狀和外觀的精準(zhǔn)復(fù)制。
顏色校準(zhǔn)：利用顏色校準(zhǔn)打印機(jī)和顏色特征圖像，確保眼假體的顏色與患者的伴侶眼匹配。
最終調(diào)整：盡管大部分制造過程是自動(dòng)化的，但眼科醫(yī)師仍可能需要對(duì)眼假體進(jìn)行最終的形狀和安裝調(diào)整，以確保與患者的眼睛完美匹配。
數(shù)字化端到端的制造過程更加精準(zhǔn)、高效，并且可以減少人工操作和變量，從而提高眼假體的質(zhì)量和一致性。
下圖詳細(xì)展示了用于創(chuàng)建數(shù)字假體模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)軟件流程概述。
圖2:用于創(chuàng)建數(shù)字假體模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)軟件流程概述。a. 患者5戴著眼窩適形器。b. 患者5戴著左眼（圖像右側(cè)）的3D打印假體。c. 假體的分解3D模型。d-h. 形狀預(yù)測(cè)：眼窩的OCT圖像（d），帶有提取的眼窩表面的濾波體積數(shù)據(jù)（e），轉(zhuǎn)換為深度圖以進(jìn)行擬合（f），與眼窩表面擬合的形狀（g），平滑和后處理的幾何形狀（h）。i-l. 虹膜創(chuàng)建：由OCT提供的虹膜幾何形狀（i），虹膜和瞳孔邊界檢測(cè)（j），展開并增強(qiáng)對(duì)比度的虹膜紋理（k），標(biāo)準(zhǔn)化和UV映射的虹膜幾何形狀（l）。m-q. 彩色圖像和鞏膜紋理：原始彩色圖像（m），顏色特征化、去噪和清理的圖像（n），分水嶺分割（o），去除靜脈以提取鞏膜顏色（p），染色紋理的渲染和程序增長(zhǎng)的靜脈網(wǎng)絡(luò)（q，左），最終鞏膜紋理的渲染（q，右）。
此外，為了驗(yàn)證他們的技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)向 10 名患者分發(fā)了 10 個(gè)測(cè)試人造眼球。值得注意的是，八名志愿者在外觀和舒適度方面報(bào)告了成功的結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了這種創(chuàng)新方法的潛力。
圖3：患者使用數(shù)字設(shè)計(jì)和3D打印的義眼照片。a-h是10名患者中的8名，展示了他們經(jīng)過調(diào)整后的數(shù)字設(shè)計(jì)、3D打印的義眼?；颊?（a）和患者7（e）失去了他們的左眼，右側(cè)為義眼?；颊?（b）、患者3（c）、患者6（d）、患者8（f）、患者9（g）和患者10（h）失去了他們的右眼，左側(cè)為義眼。
2、 討論
本研究報(bào)道了一種數(shù)字化和自動(dòng)化的眼部假體制造過程，該過程適合患者的眼眶并與其對(duì)側(cè)眼的外觀相匹配，通過初步的臨床評(píng)估證明了這一點(diǎn)。目前，這一過程正在MEH進(jìn)行臨床試驗(yàn)（NCT05093348），該試驗(yàn)涉及另一組患者，評(píng)估其長(zhǎng)期影響并與傳統(tǒng)制造的假體進(jìn)行比較；一項(xiàng)輔助研究評(píng)估了該工藝是否適合化妝品外殼，由于小眼癥而導(dǎo)致眼睛有缺陷的患者需要這些非常薄的假體。
這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下。
首先，使用顏色校準(zhǔn)打印機(jī)、顏色特征圖像和 AS-OCT 數(shù)據(jù)，我們的方法準(zhǔn)確地復(fù)制了對(duì)側(cè)眼睛的顏色和解剖結(jié)構(gòu)，特別是虹膜的顏色、大小和結(jié)構(gòu)，以及虹膜的外觀。鞏膜。其次，與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝所需的體力勞動(dòng)時(shí)間更少，使得 MEH 的眼科醫(yī)生能夠生產(chǎn)大約五倍的義眼。它需要一定的數(shù)量才能具有成本效益，但一旦擴(kuò)大規(guī)模，就可以節(jié)省成本。理論上，義眼可以遠(yuǎn)程提供，特別是在此類服務(wù)不易獲得的地區(qū)。第三，手工制造因眼科醫(yī)師的技能可能有所不同而導(dǎo)致產(chǎn)出不穩(wěn)定，而本研究的產(chǎn)出非常一致并且可重復(fù)，從而可以輕松供應(yīng)備件或更換丟失的義眼。第四，不必進(jìn)行可能不舒適的藻酸鹽印模，因?yàn)檠鄹C形狀可以通過光學(xué)掃描來進(jìn)行，使用AS-OCT來成像眼窩可以避免電離輻射。第五，數(shù)字化工作流程允許持續(xù)改進(jìn)，所有患者都可以受益，無需對(duì)眼科醫(yī)師進(jìn)行額外培訓(xùn)。使用更多數(shù)據(jù)以及眼科醫(yī)生和患者的反饋，可以改進(jìn)和完善軟件，以更好地確定形狀或復(fù)制眼睛的某些特征。第六，這些變化還可以為以前不符合條件的患者（例如兒童）提供服務(wù)。材料或打印機(jī)的進(jìn)步可以改善顏色和細(xì)節(jié)的再現(xiàn)；更好的 AS-OCT 設(shè)備可以覆蓋更深的體積或提供更高質(zhì)量的彩色圖像。
然而也存在一些局限性。假體通常需要眼科醫(yī)師對(duì)形狀和驗(yàn)配進(jìn)行最終調(diào)整，使得輸出的是經(jīng)修改的定制眼假體；雖然過程中有一些手動(dòng)步驟，但大部分制造都是自動(dòng)化的。非常復(fù)雜的眼窩形狀無法被AS-OCT設(shè)備或形狀模型捕獲，仍需要眼假體師的手工制作。目前，大約 80% 需要義眼的患者符合上述流程；患有某些眼部疾病的患者不適合，，例如患有眼球震顫或斜視的患者無法獲取所需的掃描數(shù)據(jù)。
研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，其研究結(jié)果將推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工具和多材料 3D 打印等其他假體類型（例如牙齒修復(fù)或面部假體）的研究和開發(fā)。甚至可以將這種開發(fā)與更傳統(tǒng)的假體結(jié)合起來，例如生產(chǎn)與患者外觀精確匹配的假體套。
3、 總結(jié)
數(shù)百萬人因眼睛喪失或先天缺陷需要定制義眼。目前高技能眼科專家使用的完全手工制造流程耗時(shí)且質(zhì)量參差不齊。增材制造技術(shù)有潛力簡(jiǎn)化義眼的制造過程，但現(xiàn)有方法僅在不同程度上通過手工數(shù)字設(shè)計(jì)替代工藝，仍需要大量專業(yè)知識(shí)和時(shí)間。在這里，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種自動(dòng)數(shù)字化端到端流程，用于生產(chǎn)定制義眼，該流程利用眼前節(jié)光學(xué)相干斷層掃描儀的圖像數(shù)據(jù)，并考慮形狀和外觀。研究團(tuán)隊(duì)的方法使用統(tǒng)計(jì)形狀模型根據(jù)眼窩表面的不完整信息預(yù)測(cè)最佳擬合假體形狀。使用健康的對(duì)側(cè)眼睛的彩色特征圖像確定并程序化生成與對(duì)側(cè)眼睛相匹配的假體外觀。假體是使用多材料全彩3D打印機(jī)制造的，并進(jìn)行后處理以滿足監(jiān)管合規(guī)要求。通過展示10名接受了3D打印假體的臨床患者的結(jié)果來證明方法的有效性。與當(dāng)前的手工制造過程相比，該創(chuàng)新方法減少了眼科專家五倍的勞動(dòng)量，并產(chǎn)生可重復(fù)的輸出?？偟膩碚f，研究團(tuán)隊(duì)的新發(fā)明有望徹底改變傳統(tǒng)方法，提供了更快、更準(zhǔn)確和更具成本效益的替代方案，而且使得義眼的外觀更加自然，適配度更加完美。
4、 展望
3D 打印技術(shù)已成為眼科領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者，為各種與眼睛相關(guān)的疾病提供創(chuàng)新的解決方案。從制造更高精度的人造眼球到開發(fā)定制眼部植入物和假體，3D 打印徹底改變了眼科設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造方式。這種先進(jìn)的制造技術(shù)可以根據(jù)個(gè)體患者的具體需求創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而改善結(jié)果和患者滿意度。此外，3D 打印使研究人員和臨床醫(yī)生能夠快速制作原型并迭代設(shè)計(jì)，從而加速新療法和外科技術(shù)的開發(fā)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，3D 打印在眼科領(lǐng)域的作用預(yù)計(jì)將擴(kuò)大，為眼科護(hù)理的進(jìn)一步進(jìn)步鋪平道路。
原文獻(xiàn)：Reinhard, J., Urban, P., Bell, S. et al. Automatic data-driven design and 3D printing of custom ocular prostheses. Nat Commun 15, 1360 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45345-5
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