3D打印技術與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

3D打印 (Three-dimensional printing, 3DP) 是一種增材制造技術, 即以數(shù)字模型為基礎, 運用原材料逐漸累加制造實體零件的技術, 通常用于制造難以或不能用常規(guī)方法制造的物體, 其靈活多樣、高度個性化的特點, 在醫(yī)療領域得到充分發(fā)揮, 具有重要的應用價值。腦神經(jīng)系統(tǒng)是人體最重要的組織結構, 神經(jīng)外科技術復雜, 稍有不慎就會導致嚴重后果。近年來, 3DP開始進入神經(jīng)系統(tǒng)疾病領域, 在術前模擬訓練、顱骨與椎骨替代、組織支架等方面展示出誘人的前景。

3DP的基本原理
3DP技術借助電子計算機斷層掃描、血管造影術、磁共振成像、3D超聲心動圖、X射線等技術手段建立數(shù)學模型, 再采用不同的材料, 通過3D打印機分層切割模型, 逐層打印, 疊加構建成三維物體[1,3-4]。
主要的3D成型技術有光固化立體印刷、箔材疊層實體制作、三維噴印、選擇性激光燒結和熔融沉積成型、液體界面連續(xù)生產(chǎn), 而常用的材料包括液態(tài)光敏樹脂、熱縮性高分子材料、塑料、陶瓷、金屬粉末、去細胞化的細胞外基質、特定供體內(nèi)的細胞。

3DP與體外模擬訓練

3DP的立體腦結構模型逼真地呈現(xiàn)手術中見到的腦組織結構, 能用于醫(yī)生在術前的模擬操作訓練, 并有助于設計合理的手術方案。近年來, 3DP已開始在一些醫(yī)院的神經(jīng)外科術前模擬中得到應用。

動脈瘤與腦血管畸形
動脈瘤是腦動脈的異常膨大, 其生長較快, 各個患者生長形態(tài)又各有差異, 故手術難度較高。Ryan等參照腦血管影像學獲得的參數(shù)打印出患者大腦結構與動脈瘤模型, 其精度雖不能將細小血管表現(xiàn)出來, 但較大的動脈與周圍腦組織結構清晰逼真, 模擬的動脈可以用外科手術器材處理, 產(chǎn)生真實的外科手術操體驗。Waran等采用多種材料, 制造出與組織類型密度一致的模型, 其“皮膚”可進行切割與縫合、“骨骼”堅硬、“腦膜”厚度同肌體相似, 并為“腫瘤”添加方便識別的橙色, 方便進行練習操作。3DP依據(jù)病人數(shù)據(jù)建立個性化模型, 具有準確真實、成本低廉、結實耐用的特點, 在術前模擬訓練上十分有效。

腦動靜脈畸形 (Arteriovenous malformations, AVMs) 是非常復雜的腦血管結構異常, 其血管結構錯綜復雜, 結構識別困難, 相互關系難以把握, 手術風險較大。3DP模型制作快、成本低, 直觀可靠地反映AVMs的結構, 為手術方案的設計提供重要的參考。Conti等認為, 術前使用高精確的3D透視模型進行訓練, 能夠提高手術質量, 減少手術失誤與并發(fā)癥, 如大腦區(qū)域性破壞域性壞死、出血等。Weinstock等對3名AVMs和1名Galen 靜脈畸形兒童患者,根據(jù)其MRI圖像制作了多種材料組成的血管結構模型,逼真地模擬了血管的分布格局, 并以此為依據(jù)預測血栓位置,制定手術方案。在實際的手術中,操作順利,手術時間明顯縮短,較常發(fā)生的并發(fā)癥癱瘓和感覺喪失都沒有出現(xiàn),且術后1周就能獨立下床活動。

腦室積液與顱內(nèi)壓監(jiān)控
腦室積液是引起腦部不同病變的原因,影響了病患腦脊液的分泌吸收和循環(huán)環(huán)路,腦脊液含量增加引發(fā)腦室系統(tǒng)的擴張,常伴隨著顱內(nèi)壓的增高。顱內(nèi)壓監(jiān)控檢測由于顱內(nèi)血液、腦組織、腦脊液的積壓導致的顱腔壁壓力,對病患顱內(nèi)壓變化的分析,可以幫助判斷患者的傷情與腦水腫的情況,有助于治療方案設計。以往的術前訓練主要在尸體組織和計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行,近年來開始使用3DP技術。Ryan等使用多種材料制作出CSF患者頭部模型,經(jīng)醫(yī)學學生和非醫(yī)學專業(yè)人員的使用測試,發(fā)現(xiàn)能很快學會 EVD手術的操作,完成導管放置等專業(yè)技術。Tai等設計了腦室外引流安置模擬器的3D模型,模型可以顯示顱內(nèi)壓力,能夠提供導管軌跡和可視化的液體,讓操作者從視覺和觸覺上感受不同皮膚、腦、骨,逼真地模擬出人類腦室與周圍組織,這種模型可以用于對外科醫(yī)生的 EVD放置進行訓練,具有實際應用價值。

椎骨置釘
椎骨置釘是針對椎骨嚴重損傷患者必不可少的外科操作,脊柱各部位椎體骨骼形態(tài)各異,脊髓周圍有血管等重要臟器組織,導致在脊柱外科手術中存在風險。外科醫(yī)生要盡量避免損傷到相鄰的組織、神經(jīng)、血管等,使用3DP制作仿真模型,能在術前設計優(yōu)化手術方案,有效解決手術中的諸多難點,降低病人風險。其根據(jù)術前CT進行三維重構,得到病人特異性的脊椎椎體模型,供醫(yī)生術前模擬訓練,設計最佳置釘位置和角度,幫助鎖定位置,從而順利完成手術操作。3DP 模型有助于全面分析椎骨周圍結構,為復雜手術提供了可行性方法。高方友等采用3DP制作顱頸交界區(qū)個體化模型,設計手術方案,并以模型輔助手術,通過后路減壓及內(nèi)固定方法,成功地為25例患者完成置釘手術。術后無病人死亡,寰椎齒突間隙縮小,延髓頸髓角增大。尹一恒等在顱底凹陷合并寰樞椎脫位手術過程中針對 10名患者自身狀況,使用3DP模型分別設計不同手術方案,使得患者癥狀改善,植骨融合率高達100%。

3DP與體內(nèi)替代植入，顱骨修復
顱骨修復是根據(jù)現(xiàn)有患者頭顱的DIACOM圖像, 針對外傷引起的頭顱骨破壞、先天性顱骨畸形等異常, 設計出合適的顱骨替代物加以植入。3DP技術充滿個性化的量身定制模型,更好的擬合了患者自身的特征, 因而具有更好的適用性。同時,3DP制備使得顱骨替代物的獲取更容易、更經(jīng)濟,考慮到生物相容性、經(jīng)濟、重量、生物力學性質、空狀結構以及植入后的有無膨脹等問題,目前使用的材料主要是金屬、塑料、陶瓷, 其治療的患者并發(fā)癥發(fā)生率極低,且患者及家庭滿意度較高。

Fiaschi指出顱骨的缺失、畸形會引起多種并發(fā)癥,顱骨的修復移植隨年齡增長就愈加困難,因而顱骨的缺損需要及早修復,并選擇理想的材料。他采用聚甲基丙烯酸甲酯作為顱骨的修復材料,經(jīng)3DP等技術加以成型,在多例臨床病人的植入試驗中取得滿意療效,追蹤調(diào)查顯示并發(fā)率低、滿意度高,表現(xiàn)優(yōu)Silfhout和Verstegen利用3DP技術為頭骨增厚患者量身制作了一個完全由塑料構成的顱骨模型,并成功移植到患者體內(nèi)。手術后,患者手術恢復良好,幾乎沒有手術痕跡,因顱骨增厚造成的大腦壓迫所致視力減弱、腦功能損傷等癥狀得到恢復。

椎間盤突出與脊髓側彎
腰椎間盤突出是老年人群的常見病,椎間盤替代是這種疾病的治療方法之一。Mroz等使用3DP技術制造了腰椎間盤假體,相關參數(shù)分析顯示這種3D模型有可能被實際應用于臨床病人。 Spetzger等借助患者CT數(shù)據(jù),3D打印出個體特異性的脊椎融合器,其作為脊椎或者脊椎與顱骨間的植入物在脊椎病治療中常常使用。頸椎硬化性脊髓病、神經(jīng)根型頸椎患者使用這種3DP的植入結構,精確地匹配了患者的脊椎椎體,具有較好的初期穩(wěn)定性與更好的承重面,降低了因錯位、沉降引起二次手術的可能。

在外科手術中,對于脊椎側彎病人也常采用椎骨置釘?shù)姆椒ㄟM行治療。 Takemoto等使用3DP制備的鈦模板椎弓螺釘治療46例患者,420 枚孔釘植入位置準確率達到98．6%,手術成功率達到100%。Kaneyama等設計打印出指導脊椎置釘?shù)囊环N安全準確的螺釘指導模板,包括位置模板、鉆具引導模板、螺旋引導模板,能精確指導脊椎置釘手術過程。在使用這種方法治療的20例患者中,80枚植入螺釘都精確地插入到預定位置,有97．5%的螺釘完全放置在脊椎根部。證明這種3DP模板體系對指導椎骨置釘手術具有精確、經(jīng)濟、縮短手術時間、減少手術風險的優(yōu)點。

腦機接口
腦機融合感知(Brain-machineinterface,BMI)又被稱為腦機接口,可以實現(xiàn)計算機與大腦數(shù)據(jù)的直接記錄和交換。神經(jīng)義肢(neuroprosthetics)就是一個典型的例子。通常,植入電極的電極間距越小,意味著電極密度越高,大腦傳輸?shù)男盘栐骄�確,可能會出現(xiàn)更高性能的BMI系統(tǒng)。當前常規(guī)手術的電極間距只能達到 10mm,Morris等在3DP制作的個性化模型上,插入直徑1mm的鉑電極,制作成為符合腦溝內(nèi)側曲面率的硅膠型植入片,植入到肌肉萎縮硬化患者的大腦內(nèi) 21d,測試證明了這種植入電極具有較好的腦機交流性能。該方法將電極距離降到2．5mm,且物理性能、組織細胞毒性、生物相容性等方面,較常規(guī)方法有著很大的改善。

作者：徐帥 , 吳彬好 , 陳曉萍