2024年2月27日，由德国公立大学达姆施塔特技术大学、挪威科技大学、英国伦敦Moorfields眼科医院和UCL眼科研究所NIHR眼科生物医学研究中心等多个欧洲生物医学和眼科研究人员团队与计算机图形专家合作，推出了一种 3D 打印人造眼球的新技术。研究团队在「Nature」子刊「nature communications」发表研究论文「Automatic data-driven design and 3D printing of custom ocular prostheses」。
1、 介绍
世界上大约 0.1% 的人口佩戴着义眼。失明或可能毁容手术后患者的康复对于美观和心理接受度非常重要。它需要满足许多要求、更换眼眶容积、在接受腔愈合后及时制造义眼、可接受的舒适度、美观和运动都是需要解决的问题。
眼部修复技术的发展始于对失明和眼部缺陷的关注。失去眼睛不仅导致视力缺陷，还在外观上造成明显差异，给患者心理和社会带来负面影响。眼球失明的原因多种多样，包括外伤、疼痛性失明和无法保守治疗的眼部肿瘤等。在眼球被摘除后，眼眶容积由放置在结膜下的眼眶植入物构成。传统上，定制眼假体的制造是由定制工匠进行手工制作的，这需要高度的技能和多年的培训，每个假体都是为每位患者手工制作的。这种方法耗时且存在质量差异，对患者的外观和心理接受度有一定影响。
为了解决这一问题，本研究团队开发了一种自动化、数字化的眼部修复体制造流程。这一流程利用微创光学相干断层扫描 (OCT) 和适形器捕获无眼窝的解剖结构以及正常眼睛的解剖结构和颜色。然后，基于数据驱动的设计软件自动生成数字 3D 模型，并利用多材料 3D 打印技术制造眼假体。这一方法的贡献在于提供了一种端到端的自动化方法，能够设计和制造定制美学假体，同时考虑形状拟合和外观匹配。
传统的义眼制造过程需要大量的体力劳动和手工操作，由于是手工制作，可能存在形状和外观上的差异。而新方法利用增材制造技术，实现了眼假体的自动化制造，减少了人为因素的干扰，提高了制造效率和一致性。这种方法不仅可以节省时间和人力成本，还可以更好地满足患者的需求，提高修复效果和患者的满意度。
近年来，增材制造技术在眼科领域的应用越来越受到关注。除了形状和材料特性外，外观在眼假体制造中也起着关键作用。以往的研究主要集中在形状的数字化、自动化和数据驱动设计过程，而对于外观的考虑较少。本研究填补了这一空白，提出了一种综合考虑形状和外观的义眼制造方法，为眼部修复技术的发展带来了新的可能性。
图1:采用PMMA材料的传统制造眼假体及数字化端到端过程。
如上图示，传统制造眼假体通常使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，制作过程涉及以下步骤：
眼窝印模：眼科医师对患者的眼窝进行藻酸盐印模，以获取眼窝的形状和尺寸数据。
制作蜡模型：利用眼窝印模，制作出适合眼窝形状的蜡模型。这个过程可能需要多次调整，以确保与患者的眼窝完全匹配。
制作假体：将白色PMMA填充到蜡模型中，并在固化后进行抛光，以制作出眼假体的基本形状。
添加细节：在眼假体的巩膜区域添加染色和纹理，以使其外观更加真实。
最终调整：眼科医师可能需要在制作完眼假体后对其进行最终的形状和外观调整，以确保与患者的另一只眼睛匹配。
相比之下，数字化端到端的制造过程包括以下步骤：
光学扫描：使用微创光学相干断层扫描（OCT）技术对患者的眼窝进行扫描，获取眼窝的形状和解剖结构数据。
数字建模：将扫描到的眼窝数据转换为数字3D模型，并利用计算机辅助设计（CAD）软件进行形状和外观的设计。
3D打印：使用多材料3D打印机将数字设计的眼假体制造出来，以确保形状和外观的精准复制。
颜色校准：利用颜色校准打印机和颜色特征图像，确保眼假体的颜色与患者的伴侣眼匹配。
最终调整：尽管大部分制造过程是自动化的，但眼科医师仍可能需要对眼假体进行最终的形状和安装调整，以确保与患者的眼睛完美匹配。
数字化端到端的制造过程更加精准、高效，并且可以减少人工操作和变量，从而提高眼假体的质量和一致性。
下图详细展示了用于创建数字假体模型的数据驱动设计软件流程概述。
图2:用于创建数字假体模型的数据驱动设计软件流程概述。a. 患者5戴着眼窝适形器。b. 患者5戴着左眼（图像右侧）的3D打印假体。c. 假体的分解3D模型。d-h. 形状预测：眼窝的OCT图像（d），带有提取的眼窝表面的滤波体积数据（e），转换为深度图以进行拟合（f），与眼窝表面拟合的形状（g），平滑和后处理的几何形状（h）。i-l. 虹膜创建：由OCT提供的虹膜几何形状（i），虹膜和瞳孔边界检测（j），展开并增强对比度的虹膜纹理（k），标准化和UV映射的虹膜几何形状（l）。m-q. 彩色图像和巩膜纹理：原始彩色图像（m），颜色特征化、去噪和清理的图像（n），分水岭分割（o），去除静脉以提取巩膜颜色（p），染色纹理的渲染和程序增长的静脉网络（q，左），最终巩膜纹理的渲染（q，右）。
此外，为了验证他们的技术，该团队向 10 名患者分发了 10 个测试人造眼球。值得注意的是，八名志愿者在外观和舒适度方面报告了成功的结果，强调了这种创新方法的潜力。
图3：患者使用数字设计和3D打印的义眼照片。a-h是10名患者中的8名，展示了他们经过调整后的数字设计、3D打印的义眼。患者1（a）和患者7（e）失去了他们的左眼，右侧为义眼。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）失去了他们的右眼，左侧为义眼。
2、 讨论
本研究报道了一种数字化和自动化的眼部假体制造过程，该过程适合患者的眼眶并与其对侧眼的外观相匹配，通过初步的临床评估证明了这一点。目前，这一过程正在MEH进行临床试验（NCT05093348），该试验涉及另一组患者，评估其长期影响并与传统制造的假体进行比较；一项辅助研究评估了该工艺是否适合化妆品外壳，由于小眼症而导致眼睛有缺陷的患者需要这些非常薄的假体。
这项技术的优势如下。
首先，使用颜色校准打印机、颜色特征图像和 AS-OCT 数据，我们的方法准确地复制了对侧眼睛的颜色和解剖结构，特别是虹膜的颜色、大小和结构，以及虹膜的外观。巩膜。其次，与传统工艺相比，该工艺所需的体力劳动时间更少，使得 MEH 的眼科医生能够生产大约五倍的义眼。它需要一定的数量才能具有成本效益，但一旦扩大规模，就可以节省成本。理论上，义眼可以远程提供，特别是在此类服务不易获得的地区。第三，手工制造因眼科医师的技能可能有所不同而导致产出不稳定，而本研究的产出非常一致并且可重复，从而可以轻松供应备件或更换丢失的义眼。第四，不必进行可能不舒适的藻酸盐印模，因为眼窝形状可以通过光学扫描来进行，使用AS-OCT来成像眼窝可以避免电离辐射。第五，数字化工作流程允许持续改进，所有患者都可以受益，无需对眼科医师进行额外培训。使用更多数据以及眼科医生和患者的反馈，可以改进和完善软件，以更好地确定形状或复制眼睛的某些特征。第六，这些变化还可以为以前不符合条件的患者（例如儿童）提供服务。材料或打印机的进步可以改善颜色和细节的再现；更好的 AS-OCT 设备可以覆盖更深的体积或提供更高质量的彩色图像。
然而也存在一些局限性。假体通常需要眼科医师对形状和验配进行最终调整，使得输出的是经修改的定制眼假体；虽然过程中有一些手动步骤，但大部分制造都是自动化的。非常复杂的眼窝形状无法被AS-OCT设备或形状模型捕获，仍需要眼假体师的手工制作。目前，大约 80% 需要义眼的患者符合上述流程；患有某些眼部疾病的患者不适合，，例如患有眼球震颤或斜视的患者无法获取所需的扫描数据。
研究团队预计，其研究结果将推动数据驱动设计工具和多材料 3D 打印等其他假体类型（例如牙齿修复或面部假体）的研究和开发。甚至可以将这种开发与更传统的假体结合起来，例如生产与患者外观精确匹配的假体套。
3、 总结
数百万人因眼睛丧失或先天缺陷需要定制义眼。目前高技能眼科专家使用的完全手工制造流程耗时且质量参差不齐。增材制造技术有潜力简化义眼的制造过程，但现有方法仅在不同程度上通过手工数字设计替代工艺，仍需要大量专业知识和时间。在这里，研究团队提出了一种自动数字化端到端流程，用于生产定制义眼，该流程利用眼前节光学相干断层扫描仪的图像数据，并考虑形状和外观。研究团队的方法使用统计形状模型根据眼窝表面的不完整信息预测最佳拟合假体形状。使用健康的对侧眼睛的彩色特征图像确定并程序化生成与对侧眼睛相匹配的假体外观。假体是使用多材料全彩3D打印机制造的，并进行后处理以满足监管合规要求。通过展示10名接受了3D打印假体的临床患者的结果来证明方法的有效性。与当前的手工制造过程相比，该创新方法减少了眼科专家五倍的劳动量，并产生可重复的输出。总的来说，研究团队的新发明有望彻底改变传统方法，提供了更快、更准确和更具成本效益的替代方案，而且使得义眼的外观更加自然，适配度更加完美。
4、 展望
3D 打印技术已成为眼科领域的游戏规则改变者，为各种与眼睛相关的疾病提供创新的解决方案。从制造更高精度的人造眼球到开发定制眼部植入物和假体，3D 打印彻底改变了眼科设备的设计和制造方式。这种先进的制造技术可以根据个体患者的具体需求创建复杂的结构，从而改善结果和患者满意度。此外，3D 打印使研究人员和临床医生能够快速制作原型并迭代设计，从而加速新疗法和外科技术的开发。随着技术的不断发展，3D 打印在眼科领域的作用预计将扩大，为眼科护理的进一步进步铺平道路。
原文献：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
