3D打印技術(shù)在腦神經(jīng)疾病中的應(yīng)用進(jìn)展

作者：溫稀超，吳文松，曾昭穆，鄭克彬，河北大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)外科；付美娟，河北中石油中心醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科
來(lái)源：醫(yī)學(xué)綜述

腦神經(jīng)疾病主要指十二對(duì)腦神經(jīng)中任何一對(duì)腦神經(jīng)受損而產(chǎn)生的功能缺損，嚴(yán)重的功能缺損常給患者帶來(lái)巨大痛苦，嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量。腦神經(jīng)疾病主要包括面肌痙攣、三叉神經(jīng)痛、舌咽神經(jīng)痛等，目前腦神經(jīng)疾病的最佳治療方式為手術(shù)治療，但由于頭面部神經(jīng)、血管豐富且變異性較大、關(guān)系復(fù)雜，因此腦神經(jīng)疾病的臨床診治較困難。

腦神經(jīng)疾病的病因尚未明確，但絕大多數(shù)臨床癥狀由腦干附近血管壓迫神經(jīng)而產(chǎn)生。目前診斷腦神經(jīng)疾病的常用影像學(xué)檢查包括CT和磁共振成像等，但上述影像學(xué)檢查無(wú)法精確地顯示病變部位的血管神經(jīng)。此外，腦神經(jīng)疾病手術(shù)往往存在手術(shù)視野受限，若術(shù)前無(wú)法明確責(zé)任血管及壓迫部位，術(shù)中可能由于過(guò)度牽拉周?chē)�組織、血管和神經(jīng)而造成損傷，也可能因?qū)�壓迫部位分離不徹底而導(dǎo)致復(fù)發(fā)。

隨著3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用，通過(guò)3D打印模型可以充分實(shí)現(xiàn)腦神經(jīng)的三維可視化，進(jìn)而更加形象、直觀地描述神經(jīng)、血管及其相互關(guān)系，從而為腦神經(jīng)疾病的診療提供更有力依據(jù)。現(xiàn)對(duì)3D打印技術(shù)在腦神經(jīng)疾病診療方面的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述，以期為腦神經(jīng)疾病的手術(shù)治療尋找新方法，為相關(guān)醫(yī)學(xué)教育者手術(shù)技能、解剖知識(shí)的學(xué)習(xí)提供新方式。

1.3D打印技術(shù)概述
1.1 3D打印技術(shù)原理
3D打印起源于20世紀(jì)80年代，該技術(shù)是在數(shù)字模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用粉末狀金屬和塑料等可粘合材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助及工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)進(jìn)行逐層打印的方式構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)又被稱為“增材制造”“快速原型制造”或“實(shí)體自由制造”，其命名的共同本質(zhì)是“離散-堆積原理”，即將影像學(xué)數(shù)據(jù)資料及相應(yīng)的打印材料通過(guò)3D打印技術(shù)堆疊打印出所需模型。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及加工的“減材制造”不同，3D打印可在計(jì)算機(jī)精確控制下將材料逐步堆積，具有虛擬設(shè)計(jì)、精密復(fù)制、一體成型、不需要組裝等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展
3D打印技術(shù)依賴計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)精確控制，可以制造出高精度、高分辨率的復(fù)雜物體，目前廣泛應(yīng)用于教育、土木工程、鑄造工藝、航天航空、生物醫(yī)療領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印具有高精度、個(gè)性化、重復(fù)性高的優(yōu)勢(shì)，具有較好的應(yīng)用前景。3D打印模型能夠提供具體、有形的觸覺(jué)反饋和組織學(xué)、病理學(xué)信息。同時(shí)，3D打印器官模型，如3D打印假牙、骨支架、細(xì)胞、血管、皮膚和耳朵等，可用于術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模板、創(chuàng)建多種植入物、生物組織工程等，從而推動(dòng)個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展，這為腦神經(jīng)疾病治療方案的選擇提供了新思路，也為改善腦神經(jīng)疾病預(yù)后提供了技術(shù)革新。

2.腦神經(jīng)疾病相關(guān)3D打印模型的分類
腦神經(jīng)疾病是一類以顏面部疼痛、肌肉痙攣為主要癥狀的疾病，其中三叉神經(jīng)痛、面肌痙攣、舌咽神經(jīng)痛最為常見(jiàn)。頻繁發(fā)作的面部疼痛與面肌痙攣常嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前，雖然已經(jīng)研發(fā)出多種針對(duì)腦神經(jīng)疾病的藥物，但大多數(shù)患者存在藥物耐受，效果欠佳，最終仍需手術(shù)治療。

針對(duì)腦神經(jīng)疾病的一線手術(shù)治療方式為微血管減壓術(shù)（microvascular decompression，MVD），主要適用于特發(fā)性面肌痙攣、原發(fā)性舌咽神經(jīng)痛以及與神經(jīng)血管壓迫相關(guān)的原發(fā)性三叉神經(jīng)痛。而對(duì)于繼發(fā)性三叉神經(jīng)痛以及部分不適合MVD的患者，可選擇經(jīng)皮射頻熱凝術(shù)、經(jīng)皮穿刺球囊壓迫術(shù)（percutaneous balloon compression，PBC）和甘油毀損術(shù)等治療方式。

由于頭面部神經(jīng)、血管豐富，解剖關(guān)系復(fù)雜，個(gè)體變異性較大，腦神經(jīng)疾病的診治中病變血管及神經(jīng)的顯示尤為重要。目前，CT、磁共振成像是腦神經(jīng)疾病的主要輔助診斷手段，但CT僅能清晰顯示病變部位毗鄰的骨性結(jié)構(gòu)，而不能顯示相關(guān)血管神經(jīng)壓迫情況，而磁共振成像預(yù)測(cè)血管神經(jīng)壓迫的靈敏度和特異度分別為87%和50%，故需要尋找一種更加精準(zhǔn)的腦神經(jīng)疾病診療輔助技術(shù)。

隨著3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用，通過(guò)3D打印技術(shù)可以充分實(shí)現(xiàn)腦神經(jīng)的三維可視化，能夠?yàn)槟X神經(jīng)疾病診療提供更有力的依據(jù)。

2.1 3D打印顱腦模型
患者顱腦解剖結(jié)構(gòu)的3D打印模型可以清晰直觀地顯示病變部位的血管、神經(jīng)、顱骨等，術(shù)者可根據(jù)3D模型模擬手術(shù)。Mashiko等［對(duì)不同材料及類型顱腦模型的研究發(fā)現(xiàn)，利用丙烯腈丁二烯苯乙烯、石膏和有機(jī)硅可以制作柔軟的可伸縮小腦與彈性動(dòng)脈，具有較高的仿真性，可為術(shù)者提供更加真實(shí)的術(shù)中觸感，更好地指導(dǎo)手術(shù)。

有臨床研究指出，利用3D打印顱腦模型有助于術(shù)者制訂更有針對(duì)性的手術(shù)方案，并有助于預(yù)測(cè)術(shù)中可能出現(xiàn)的困難與危險(xiǎn)，不僅可縮短MVD手術(shù)時(shí)間，還可使手術(shù)更加精確，減少術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生。

2.2 3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板
除3D打印顱腦模型，3D打印技術(shù)還可以用于打印手術(shù)導(dǎo)航模板。根據(jù)影像學(xué)結(jié)果，觀察患者顱骨的形狀、大小及其與周?chē)�軟組織的解剖關(guān)系，3D打印依托顱骨解剖結(jié)構(gòu)的負(fù)空間精確打印特定模板，可指導(dǎo)術(shù)中鉆孔、開(kāi)顱及穿刺等操作。對(duì)于采用經(jīng)皮穿刺等微創(chuàng)手術(shù)方式治療的腦神經(jīng)疾病患者，通過(guò)3D打印導(dǎo)板與患者顱面部貼合確定穿刺點(diǎn)位置，且導(dǎo)板上帶有刻度的空心圓柱體可以確定穿刺角度與穿刺深度，以提高穿刺準(zhǔn)確度、縮短穿刺時(shí)間，避免反復(fù)多次穿刺引發(fā)嚴(yán)重并發(fā)癥。

對(duì)于行開(kāi)顱MVD的腦神經(jīng)患者，依據(jù)顱骨內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)的3D打印定位導(dǎo)板，可以精準(zhǔn)定位第一個(gè)骨孔位置，從而明顯縮短術(shù)中骨瓣成形時(shí)間，減少術(shù)中小腦的牽拉，減少靜脈竇破裂、皮下積液、腦組織腫脹等并發(fā)癥的發(fā)生，提高手術(shù)效果。

3.3D打印技術(shù)在腦神經(jīng)疾病中的應(yīng)用
3.1 3D打印個(gè)性化模型指導(dǎo)腦神經(jīng)疾病的手術(shù)治療
3.1.1 3D打印個(gè)性化模型指導(dǎo)MVD
目前，MVD治療面肌痙攣、三叉神經(jīng)痛、舌咽神經(jīng)痛的療效確切。由于腦干區(qū)血管、神經(jīng)關(guān)系復(fù)雜，如椎動(dòng)脈迂曲遷延、巖靜脈阻擋手術(shù)、存在穿動(dòng)脈等均增加了MVD的手術(shù)難度。3D腦干區(qū)模型可以清晰顯示腦干區(qū)的血管神經(jīng)，且術(shù)前模擬有助于術(shù)中更精確地尋找手術(shù)角度，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

徐軍等的臨床研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前應(yīng)用3D打印技術(shù)可明確定位面肌痙攣責(zé)任血管與面神經(jīng)的病變區(qū)域，提高M(jìn)VD的手術(shù)準(zhǔn)確性，并有效減少術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生，具有更好的治療效果。此外，3D打印模型可通過(guò)術(shù)前模擬將虛擬的電腦三維模擬操作實(shí)體化，能夠更好地模擬MVD，有助于術(shù)前充分評(píng)估患者病情、手術(shù)方案、術(shù)中情況，從而制訂個(gè)體化手術(shù)方案。

MVD首選的手術(shù)入路為乙狀竇后入路，該入路可準(zhǔn)確定位第一個(gè)骨孔的位置，但由于存在個(gè)體差異，僅依靠骨性標(biāo)志定位骨孔位置并不準(zhǔn)確，增加了患者靜脈竇損傷的風(fēng)險(xiǎn)。基于此，沈承恩使用3Dslicer軟件處理顱腦CT靜脈血管成像后，制作手術(shù)鉆孔導(dǎo)板，可以更加精準(zhǔn)定位骨孔位置，避免因解剖變異造成的鉆孔不準(zhǔn)而引起的各種弊端，更好地指導(dǎo)手術(shù)開(kāi)顱，減少手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生、縮短手術(shù)時(shí)間。因此，3D打印技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)治療功能性神經(jīng)疾病，可以模擬及指導(dǎo)手術(shù)，具有良好的效果，可作為臨床輔助手術(shù)治療的重要方式。

3.1.2 3D打印個(gè)性化模型指導(dǎo)PBC
PBC在三叉神經(jīng)痛的治療方面表現(xiàn)出微創(chuàng)、無(wú)痛、便捷、安全等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用。精準(zhǔn)穿刺是PBC手術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以便引導(dǎo)球囊順利進(jìn)入卵圓孔。但卵圓孔位于顱中窩，位置較深，導(dǎo)致穿刺角度或深度易出現(xiàn)偏差，難以保證穿刺準(zhǔn)確性，進(jìn)而損傷周邊神經(jīng)及血管，產(chǎn)生面部腫脹、咀嚼無(wú)力等并發(fā)癥。且卵圓孔的形狀、角度、大小等可能存在諸多解剖變異，同時(shí)卵圓孔周邊骨嵴可能會(huì)阻擋穿刺路徑，導(dǎo)致卵圓孔穿刺的不確定性增加，而術(shù)前打印個(gè)體化3D穿刺模板可以有效解決上述問(wèn)題。

彭逸龍等臨床研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用個(gè)體化3D打印導(dǎo)板可以為PBC手術(shù)提供精確的穿刺路徑及位置，提高手術(shù)成功率，縮短手術(shù)時(shí)間。張濤等應(yīng)用3D打印穿刺面具行PBC治療三叉神經(jīng)痛，可以提高穿刺準(zhǔn)確性，節(jié)省手術(shù)時(shí)間，減少并發(fā)癥發(fā)生，提高手術(shù)效果。由此可見(jiàn)，3D打印穿刺導(dǎo)板可提高穿刺準(zhǔn)確度，減少反復(fù)穿刺可能造成的卵圓孔附近重要神經(jīng)血管的損傷，改善手術(shù)效果。

3.1.3 3D打印個(gè)性化模型指導(dǎo)射頻熱凝術(shù)
除MVD及PBC外，卵圓孔定位射頻熱凝術(shù)治療原發(fā)性三叉神經(jīng)痛的有效性和安全性較好，與PBC類似，該手術(shù)方式的治療效果與穿刺精確定位有關(guān)。為了提高穿刺的準(zhǔn)確性，探索了多種術(shù)中可視化輔助穿刺，其中3D打印手術(shù)導(dǎo)航具有明顯優(yōu)勢(shì)。多項(xiàng)臨床研究證實(shí)，3D打印導(dǎo)航輔助穿刺是一種安全、準(zhǔn)確的導(dǎo)航工具，其穿刺效果優(yōu)于徒手穿刺，具有穿刺次數(shù)少、手術(shù)時(shí)間短、并發(fā)癥發(fā)生率低等優(yōu)勢(shì)。此外，與單純C型臂透視相比，3D打印手術(shù)導(dǎo)航操作更加簡(jiǎn)便、手術(shù)更加精準(zhǔn)、手術(shù)過(guò)程中的透視次數(shù)顯著減少，且術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率更低，因而具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值。

與術(shù)中CT引導(dǎo)下穿刺相比，3D打印導(dǎo)航模板可以顯著提高首次穿刺成功率，降低患者術(shù)中穿刺時(shí)的輻射量。除了傳統(tǒng)的輔助手段外，賴尚導(dǎo)等對(duì)比研究3D打印定位穿刺角度引導(dǎo)器與數(shù)字減影血管造影的結(jié)果顯示，3D打印組可操作性高，穿刺成功率更高。

Deng等將定制的3D打印導(dǎo)板用于三叉神經(jīng)痛經(jīng)皮射頻熱凝術(shù)治療，并對(duì)術(shù)前模擬深度與真實(shí)穿刺深度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D打印導(dǎo)板穿刺精確度更高，穿刺針定位更準(zhǔn)確，且并發(fā)癥更少。

綜上所述，與傳統(tǒng)手術(shù)操作相比，應(yīng)用3D打印導(dǎo)航模板輔助射頻熱凝術(shù)治療三叉神經(jīng)痛的操作更簡(jiǎn)便、更精準(zhǔn)，且手術(shù)過(guò)程中透視次數(shù)減少，手術(shù)時(shí)間縮短，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率大大降低。

3.2 3D打印個(gè)性化模型應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)
神經(jīng)外科手術(shù)技能的獲取十分重要，若術(shù)中對(duì)年輕醫(yī)師進(jìn)行技能培訓(xùn)、知識(shí)講解，將延長(zhǎng)切口暴露時(shí)間、增加術(shù)中失血量及全身麻醉下機(jī)體應(yīng)激的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而3D打印模型可循環(huán)利用，能夠很好地解決上述問(wèn)題。有學(xué)者認(rèn)為，3D打印腦神經(jīng)模型可以1∶1還原血管、神經(jīng)、顱骨等顱內(nèi)解剖結(jié)構(gòu);且具有可外部操作、觀察等優(yōu)勢(shì)，能夠幫助醫(yī)學(xué)生及神經(jīng)外科醫(yī)師直觀地理解和分析復(fù)雜的腦神經(jīng)血管解剖結(jié)構(gòu)，并推理手持空間，進(jìn)而加深對(duì)腦神經(jīng)和顱底空間復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的理解。

此外，3D打印個(gè)性化顱腦模型還可用于外科住院醫(yī)師培訓(xùn)，為年輕醫(yī)師提供體外真實(shí)操作機(jī)會(huì)，在避免患者損傷的前提下，使受訓(xùn)醫(yī)師掌握必備的手術(shù)技能。在實(shí)際手術(shù)操作中，3D打印顱腦模型和導(dǎo)板都可縮短開(kāi)顱鉆孔和穿刺操作初學(xué)者的學(xué)習(xí)曲線。Mashiko等將3D打印腦干區(qū)聯(lián)合模型應(yīng)用于初級(jí)外科醫(yī)師培訓(xùn)，指導(dǎo)外科醫(yī)師快速掌握顯微外科手術(shù)技巧，取得了良好的培訓(xùn)效果。

鄭佳平等3D打印了面肌痙攣顱腦模型，使年輕醫(yī)師得到更專業(yè)及更有針對(duì)性的培訓(xùn)，更熟練地掌握了MVD的關(guān)鍵步驟。由此可見(jiàn)，通過(guò)3D打印技術(shù)，可以使醫(yī)學(xué)生更深入地了解顱腦解剖結(jié)構(gòu)，也可以為神經(jīng)外科受教育者提供更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，使其在低風(fēng)險(xiǎn)、高頻率的操作中獲得豐富的基礎(chǔ)臨床經(jīng)驗(yàn)及手術(shù)技能。

4.小結(jié)
傳統(tǒng)腦神經(jīng)疾病的手術(shù)治療大多依靠神經(jīng)外科醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)以及術(shù)中對(duì)病變區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)的識(shí)別，但由于臨床顱腦解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且變異性較大，術(shù)中需要多次調(diào)整手術(shù)路徑，導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)，且患者術(shù)中、術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率可能增加。

研究發(fā)現(xiàn)，3D打印模型在治療腦神經(jīng)疾病方面可以更精準(zhǔn)且直觀地顯示病變區(qū)域及其毗鄰組織的關(guān)系，更好地避免術(shù)中對(duì)血管神經(jīng)的過(guò)度牽拉、減少手術(shù)意外的發(fā)生，明顯縮短手術(shù)時(shí)間，提高操作準(zhǔn)確度，為患者提供更精確的個(gè)性化診療方案。

3D打印成為腦神經(jīng)疾病診療過(guò)程中的重要選擇之一，但3D打印模型也存在一定局限性。目前的3D打印工藝耗時(shí)較久、費(fèi)用較高，并不適用于急診患者及經(jīng)濟(jì)困難的患者，故未來(lái)的研究將側(cè)重于降低3D打印的材料及時(shí)間成本，以推動(dòng)其在腦神經(jīng)疾病診治中的應(yīng)用。

來(lái)源：溫稀超,付美娟,吳文松,曾昭穆,鄭克彬.3D打印技術(shù)在腦神經(jīng)疾病中的應(yīng)用進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)綜述,2021,27(19):3871-3875.