3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用研究進(jìn)展

作者：黃星，劉禎，姜曉兵，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)外科
來源：中國(guó)臨床神經(jīng)外科雜志

隨著打印技術(shù)的不斷成熟，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。本文就3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.3D打印技術(shù)
目前，打印技術(shù)主要分四種。一是熔融沉積（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)，通過加壓噴頭沉積熱敏材料來重建物體。雖然現(xiàn)行的FDM技術(shù)能給外科醫(yī)生提供不錯(cuò)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，但其在真實(shí)性、操作性和可選擇打印材料上存在一定的局限性，同時(shí)FDM技術(shù)打印的產(chǎn)品不能耐受高溫；所以較少在醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

二是選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）技術(shù)，通過選擇性燒結(jié)各種材料（尼龍、金屬鈦網(wǎng)、不銹鋼等）來形成物體輪廓，以融化和融合的方式層層疊加實(shí)現(xiàn)物體重建。

三是激光固化成型（stereolithography，SLA）技術(shù)，通過使用一定能量的激光掃描樹脂，固化一定區(qū)域來實(shí)現(xiàn)物體重建，因?yàn)镾LS與SLA技術(shù)能將高能量的激光集中在高性能材料的表面，選擇性地層層融化材料，特別是在手術(shù)模擬器的制作上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，所以SLS和SLA技術(shù)在臨床上應(yīng)用較為廣泛。

四是噴墨技術(shù)，通過在噴頭內(nèi)裝上生物墨水來實(shí)現(xiàn)層層疊加，這種高精細(xì)技術(shù)是現(xiàn)在流行的生物打印的方法，常常應(yīng)用在器官和組織重建等方面。

2.3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科臨床訓(xùn)練中的應(yīng)用
神經(jīng)外科手術(shù)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，需要現(xiàn)代技術(shù)的幫助，以達(dá)到精益求精的效果。在神經(jīng)外科領(lǐng)域，顯微操作是最基本的技術(shù)。一個(gè)成熟有效的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)有助于提升年輕神經(jīng)外科醫(yī)生的能力。目前，尸體標(biāo)本、動(dòng)物模型和模擬器等訓(xùn)練系統(tǒng)占大部分，但無(wú)血液流動(dòng)的尸體標(biāo)本與解剖結(jié)構(gòu)相差較大的動(dòng)物模型并不能提供真實(shí)的手術(shù)模擬環(huán)境。3D 打印技術(shù)正好克服了上述兩種方式的缺點(diǎn)。

Wanibuchi等通過3D打印技術(shù)重塑顱骨模型，并將不同部分標(biāo)記為不同的顏色，提高操作技能和術(shù)中預(yù)警能力，而且相比較傳統(tǒng)訓(xùn)練方式，3D打印技術(shù)顯得更加方便和便宜，對(duì)于制作不同類型的手術(shù)疾病模型有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

3.3D打印技術(shù)在動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)中的應(yīng)用
目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)中發(fā)揮一定的優(yōu)勢(shì)。Mashiko等利用3D打印技術(shù)制造出三維立體空心的動(dòng)脈瘤模型，用作術(shù)前模擬訓(xùn)練。這對(duì)理解動(dòng)脈瘤的空間位置以及載瘤血管的形狀有很大的實(shí)用意義。Ryan等將動(dòng)脈瘤與顱骨整體打印，真實(shí)模擬動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)入路，并在9例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)中取得了不錯(cuò)的效果。Anderson等借助動(dòng)力系統(tǒng)將帶有顏色的涂料推進(jìn)打印的動(dòng)脈瘤模型中，借此研究動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。

Shi等為了追求真實(shí)血管的特性，利用生物材料打印出軟組織活性血管，為治療血管疾病和血管移植術(shù)提供了研究方向。Ryan等將已經(jīng)打印好的血管行DSA檢查，發(fā)現(xiàn)與影像學(xué)圖片無(wú)明顯差別。所以，3D打印技術(shù)能清楚顯示動(dòng)脈瘤的大小、生長(zhǎng)部位、生長(zhǎng)方向以及周圍解剖結(jié)構(gòu)，制造出符合要求的模型，模擬動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)。

4.3D打印技術(shù)在動(dòng)靜脈畸形切除術(shù)中的應(yīng)用
由于動(dòng)靜脈的異常吻合，二維影像學(xué)數(shù)據(jù)不能獲得充足的血管信息，而借助3D打印技術(shù)清楚顯示血管的走形與比鄰結(jié)構(gòu)，甚至可將血管做成空心狀，注入帶有顏色的液體，模擬畸形血管的血液流動(dòng)狀態(tài)，給手術(shù)提供最真實(shí)的疾病模型。Conti等利用3D打印技術(shù)重建動(dòng)靜脈畸形模型，打印的動(dòng)靜脈畸形體積與二維圖像測(cè)量的體積無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但3D模型空間顯示優(yōu)于二維圖像，而且三維模型可以更加直接找到病灶。

5.3D打印技術(shù)在顱內(nèi)腫瘤切除術(shù)中的應(yīng)用
Waran等利用3D打印技術(shù)模擬顱內(nèi)腫瘤的三維空間狀態(tài)，利用不同材料的屬性真實(shí)地模擬皮膚、顱骨與腦組織等結(jié)構(gòu)，并模擬整個(gè)手術(shù)過程；同時(shí)，還打印腦室內(nèi)腫瘤的模型，模擬腦室鏡和腦室外引流等操作；除此之外，還將術(shù)中導(dǎo)航與3D打印技術(shù)結(jié)合起來，在模型上進(jìn)行二維圖像和三維結(jié)構(gòu)的匹配，不僅增加操作體驗(yàn)，而且進(jìn)一步驗(yàn)證三維結(jié)構(gòu)與二維圖像的匹配度，確保手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。

對(duì)復(fù)雜顱內(nèi)腫瘤手術(shù)，3D打印技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)。例如顱底腫瘤中斜坡腫瘤、頸靜脈孔周圍腫瘤，找到最安全、對(duì)周圍結(jié)構(gòu)損傷最小的入路有利于取得良好的預(yù)后。術(shù)前可以根據(jù)影像學(xué)資料，3D打印出腫瘤模型以及腫瘤涉及的血管神經(jīng)，然后根據(jù)最佳間隙選擇入路。

6.3D打印技術(shù)在脊柱脊髓腫瘤切除術(shù)中的應(yīng)用
神經(jīng)外科醫(yī)生在保護(hù)脊髓和神經(jīng)功能方面優(yōu)勢(shì)明顯；但是，在脊柱固定過程中，會(huì)發(fā)生定位不準(zhǔn)，從而有可能引起脊髓、神經(jīng)、血管的損傷。雖然利用神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)能解決大部分定位的問題，但是導(dǎo)航系統(tǒng)又存在諸多的劣勢(shì)。這時(shí)利用3D打印技術(shù)事先設(shè)計(jì)出的穿刺通道，將設(shè)計(jì)好的導(dǎo)航模板與脊柱匹配，大大減少術(shù)中不必要的操作，不僅降低對(duì)復(fù)雜工具的需求，而且減少繁瑣的步驟，同時(shí)只需根據(jù)術(shù)前CT影像學(xué)數(shù)據(jù)創(chuàng)造個(gè)體化、精準(zhǔn)化的導(dǎo)航模板，從而指導(dǎo)術(shù)中手術(shù)操作。


7.3D打印技術(shù)在顱骨成形術(shù)中的應(yīng)用
對(duì)顱骨成形術(shù)，常規(guī)利用頭部CT數(shù)據(jù)將鈦網(wǎng)進(jìn)行加工塑形，但定制的鈦網(wǎng)有時(shí)候需要特殊的工具再加工。利用3D打印技術(shù)重建顱面結(jié)構(gòu)，以對(duì)側(cè)完整的顱骨形狀，虛擬重建缺損部位的形狀，這樣不僅可以使兩側(cè)對(duì)稱，以求最大限度地滿足美觀需求，而且在應(yīng)用過程中，也可以將整個(gè)顱面部的軟組織真實(shí)還原，提前了解手術(shù)效果；同時(shí)根據(jù)缺損的輪廓，精準(zhǔn)個(gè)體化的設(shè)計(jì)修補(bǔ)形狀，使之與實(shí)際情況相符合，盡量減少術(shù)中不必要的操作，同時(shí)也減少術(shù)后并發(fā)癥。

8.3D打印技術(shù)在神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)中的應(yīng)用
神經(jīng)內(nèi)鏡借助于人體天然孔道，如鼻腔、口腔和微小切口，達(dá)到切除病變的目的，但其操作對(duì)術(shù)者有較高的要求，所以學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)。Tai等為了提高術(shù)者神經(jīng)內(nèi)鏡下使用磨鉆的能力，利用3D打印技術(shù)制造符合正常生理結(jié)構(gòu)的鞍區(qū)模型，取得不錯(cuò)的培訓(xùn)效果。Wen等為提高術(shù)者神經(jīng)內(nèi)鏡下視覺感受和操作手感，將3D打印的鞍區(qū)模型與雞蛋綁在一起，以蛋殼模擬顱底骨質(zhì)，蛋黃模型腫瘤，顯著提高年輕醫(yī)師神經(jīng)內(nèi)鏡下操作能力。

Narayanan等為探討3D打印技術(shù)在神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)中的作用，將1例腫瘤模型打印出來，并在模型中實(shí)際操作。Ryan等用具有特殊彈性的材料將顱骨打印出來，真實(shí)模擬神經(jīng)內(nèi)鏡腦室內(nèi)腫瘤切除術(shù)。

9.3D打印技術(shù)在病情溝通中的應(yīng)用
由于神經(jīng)外科病人病變位置關(guān)鍵，顱內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高。然而與家屬進(jìn)行病情溝通時(shí)，限于其知識(shí)水平，很難達(dá)到一致的時(shí)候，而且醫(yī)生對(duì)病情的準(zhǔn)確講解常常需要專業(yè)的詞匯來解釋，但家屬對(duì)這些專業(yè)詞匯更加不熟悉，有時(shí)為了能夠使其通俗易懂也只能列舉家屬熟悉的事物來比擬，但往往達(dá)不到充分理解病情的效果。將帶有顏色標(biāo)記的3D模型展示給家屬時(shí)，并告知手術(shù)的步驟以及術(shù)后可能出現(xiàn)的一些并發(fā)癥，有助于家屬完全理解手術(shù)路徑以及意圖，并慎重地做出選擇。這說明應(yīng)用模型能夠很好地起到病情溝通的效果。Abudayyeh等通過術(shù)前打印疾病模型，既能夠選擇手術(shù)治療方案，又能讓家屬明白手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并取得家屬認(rèn)可和對(duì)醫(yī)療操作的理解，大大減少了醫(yī)患糾紛。

綜上所述，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科有著巨大的應(yīng)用前景，包括動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形、顱內(nèi)腫瘤、頜面部塑形、脊柱脊髓手術(shù)、內(nèi)鏡手術(shù)、臨床模擬訓(xùn)練、醫(yī)患溝通等。相信隨著科技的不斷發(fā)展，在不久的將來，3D打印技術(shù)會(huì)應(yīng)用到神經(jīng)外科的方方面面。