2024年2月27日，由德國公立大學達姆施塔特技術大學、挪威科技大學、英國倫敦Moorfields眼科醫院和UCL眼科研究所NIHR眼科生物醫學研究中心等多個歐洲生物醫學和眼科研究人員團隊與計算機圖形專家合作，推出了一種 3D 打印人造眼球的新技術。研究團隊在「Nature」子刊「nature communications」發表研究論文「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后患者的康復對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制造義眼、可接受的舒適度、美觀和運動都是需要解決的問題。
眼部修復技術的發展始于對失明和眼部缺陷的關注。失去眼睛不僅導致視力缺陷，還在外觀上造成明顯差異，給患者心理和社會帶來負面影響。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膜下的眼眶植入物構成。傳統上，定制眼假體的制造是由定制工匠進行手工制作的，這需要高度的技能和多年的培訓，每個假體都是為每位患者手工制作的。這種方法耗時且存在質量差異，對患者的外觀和心理接受度有一定影響。
為了解決這一問題，本研究團隊開發了一種自動化、數字化的眼部修復體制造流程。這一流程利用微創光學相干斷層掃描 (OCT) 和適形器捕獲無眼窩的解剖結構以及正常眼睛的解剖結構和顏色。然后，基于數據驅動的設計軟件自動生成數字 3D 模型，并利用多材料 3D 打印技術制造眼假體。這一方法的貢獻在于提供了一種端到端的自動化方法，能夠設計和制造定制美學假體，同時考慮形狀擬合和外觀匹配。
傳統的義眼制造過程需要大量的體力勞動和手工操作，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，實現了眼假體的自動化制造，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省時間和人力成本，還可以更好地滿足患者的需求，提高修復效果和患者的滿意度。
近年來，增材制造技術在眼科領域的應用越來越受到關注。除了形狀和材料特性外，外觀在眼假體制造中也起著關鍵作用。以往的研究主要集中在形狀的數字化、自動化和數據驅動設計過程，而對于外觀的考慮較少。本研究填補了這一空白，提出了一種綜合考慮形狀和外觀的義眼制造方法，為眼部修復技術的發展帶來了新的可能性。
圖1:采用PMMA材料的傳統制造眼假體及數字化端到端過程。
如上圖示，傳統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：眼科醫師對患者的眼窩進行藻酸鹽印模，以獲取眼窩的形狀和尺寸數據。
制作蠟模型：利用眼窩印模，制作出適合眼窩形狀的蠟模型。這個過程可能需要多次調整，以確保與患者的眼窩完全匹配。
制作假體：將白色PMMA填充到蠟模型中，并在固化后進行拋光，以制作出眼假體的基本形狀。
添加細節：在眼假體的鞏膜區域添加染色和紋理，以使其外觀更加真實。
最終調整：眼科醫師可能需要在制作完眼假體后對其進行最終的形狀和外觀調整，以確保與患者的另一只眼睛匹配。
相比之下，數字化端到端的制造過程包括以下步驟：
光學掃描：使用微創光學相干斷層掃描（OCT）技術對患者的眼窩進行掃描，獲取眼窩的形狀和解剖結構數據。
數字建模：將掃描到的眼窩數據轉換為數字3D模型，并利用計算機輔助設計（CAD）軟件進行形狀和外觀的設計。
3D打印：使用多材料3D打印機將數字設計的眼假體制造出來，以確保形狀和外觀的精準復制。
顏色校準：利用顏色校準打印機和顏色特征圖像，確保眼假體的顏色與患者的伴侶眼匹配。
最終調整：盡管大部分制造過程是自動化的，但眼科醫師仍可能需要對眼假體進行最終的形狀和安裝調整，以確保與患者的眼睛完美匹配。
數字化端到端的制造過程更加精準、高效，并且可以減少人工操作和變量，從而提高眼假體的質量和一致性。
下圖詳細展示了用于創建數字假體模型的數據驅動設計軟件流程概述。
圖2:用于創建數字假體模型的數據驅動設計軟件流程概述。a. 患者5戴著眼窩適形器。b. 患者5戴著左眼（圖像右側）的3D打印假體。c. 假體的分解3D模型。d-h. 形狀預測：眼窩的OCT圖像（d），帶有提取的眼窩表面的濾波體積數據（e），轉換為深度圖以進行擬合（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. 虹膜創建：由OCT提供的虹膜幾何形狀（i），虹膜和瞳孔邊界檢測（j），展開并增強對比度的虹膜紋理（k），標準化和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的靜脈網絡（q，左），最終鞏膜紋理的渲染（q，右）。
此外，為了驗證他們的技術，該團隊向 10 名患者分發了 10 個測試人造眼球。值得注意的是，八名志愿者在外觀和舒適度方面報告了成功的結果，強調了這種創新方法的潛力。
圖3：患者使用數字設計和3D打印的義眼照片。a-h是10名患者中的8名，展示了他們經過調整后的數字設計、3D打印的義眼。患者1（a）和患者7（e）失去了他們的左眼，右側為義眼。患者2（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，左側為義眼。
2、 討論
本研究報道了一種數字化和自動化的眼部假體制造過程，該過程適合患者的眼眶并與其對側眼的外觀相匹配，通過初步的臨床評估證明了這一點。目前，這一過程正在MEH進行臨床試驗（NCT05093348），該試驗涉及另一組患者，評估其長期影響并與傳統制造的假體進行比較；一項輔助研究評估了該工藝是否適合化妝品外殼，由于小眼癥而導致眼睛有缺陷的患者需要這些非常薄的假體。
這項技術的優勢如下。
首先，使用顏色校準打印機、顏色特征圖像和 AS-OCT 數據，我們的方法準確地復制了對側眼睛的顏色和解剖結構，特別是虹膜的顏色、大小和結構，以及虹膜的外觀。鞏膜。其次，與傳統工藝相比，該工藝所需的體力勞動時間更少，使得 MEH 的眼科醫生能夠生產大約五倍的義眼。它需要一定的數量才能具有成本效益，但一旦擴大規模，就可以節省成本。理論上，義眼可以遠程提供，特別是在此類服務不易獲得的地區。第三，手工制造因眼科醫師的技能可能有所不同而導致產出不穩定，而本研究的產出非常一致并且可重復，從而可以輕松供應備件或更換丟失的義眼。第四，不必進行可能不舒適的藻酸鹽印模，因為眼窩形狀可以通過光學掃描來進行，使用AS-OCT來成像眼窩可以避免電離輻射。第五，數字化工作流程允許持續改進，所有患者都可以受益，無需對眼科醫師進行額外培訓。使用更多數據以及眼科醫生和患者的反饋，可以改進和完善軟件，以更好地確定形狀或復制眼睛的某些特征。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。材料或打印機的進步可以改善顏色和細節的再現；更好的 AS-OCT 設備可以覆蓋更深的體積或提供更高質量的彩色圖像。
然而也存在一些局限性。假體通常需要眼科醫師對形狀和驗配進行最終調整，使得輸出的是經修改的定制眼假體；雖然過程中有一些手動步驟，但大部分制造都是自動化的。非常復雜的眼窩形狀無法被AS-OCT設備或形狀模型捕獲，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據。
研究團隊預計，其研究結果將推動數據驅動設計工具和多材料 3D 打印等其他假體類型（例如牙齒修復或面部假體）的研究和開發。甚至可以將這種開發與更傳統的假體結合起來，例如生產與患者外觀精確匹配的假體套。
3、 總結
數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且質量參差不齊。增材制造技術有潛力簡化義眼的制造過程，但現有方法僅在不同程度上通過手工數字設計替代工藝，仍需要大量專業知識和時間。在這里，研究團隊提出了一種自動數字化端到端流程，用于生產定制義眼，該流程利用眼前節光學相干斷層掃描儀的圖像數據，并考慮形狀和外觀。研究團隊的方法使用統計形狀模型根據眼窩表面的不完整信息預測最佳擬合假體形狀。使用健康的對側眼睛的彩色特征圖像確定并程序化生成與對側眼睛相匹配的假體外觀。假體是使用多材料全彩3D打印機制造的，并進行后處理以滿足監管合規要求。通過展示10名接受了3D打印假體的臨床患者的結果來證明方法的有效性。與當前的手工制造過程相比，該創新方法減少了眼科專家五倍的勞動量，并產生可重復的輸出。總的來說，研究團隊的新發明有望徹底改變傳統方法，提供了更快、更準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 打印技術已成為眼科領域的游戲規則改變者，為各種與眼睛相關的疾病提供創新的解決方案。從制造更高精度的人造眼球到開發定制眼部植入物和假體，3D 打印徹底改變了眼科設備的設計和制造方式。這種先進的制造技術可以根據個體患者的具體需求創建復雜的結構，從而改善結果和患者滿意度。此外，3D 打印使研究人員和臨床醫生能夠快速制作原型并迭代設計，從而加速新療法和外科技術的開發。隨著技術的不斷發展，3D 打印在眼科領域的作用預計將擴大，為眼科護理的進一步進步鋪平道路。
原文獻：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
