3D打印技術在神經外科中的應用研究

周 磊 綜述 毛更生 審校

3D打印技術在神經外科中的應用研究

周 磊 綜述 毛更生 審校

3D打印技術；神經外科；綜述

3D打印技術的原理是按照“分層制造、逐層疊加”制造的[1-3]。自1986年第一臺商業3D打印機問世，此后進入快速發展階段。目前，3D打印技術已初步應用在各行各業，包括工業、軍事、航空、文化，以及醫學等領域[4]。在醫學領域，因為人體復雜的解剖以及個體變異等情況，3D打印技術可用于制作手術術前模擬、教學解剖模型、醫學臨床研究及新型藥品研制等[5-7]。在神經外科方面，由于人類顱腦結構的復雜性，在手術中僅僅根據二維圖像亦或者三維圖像往往也可能是欠缺的，此時如果能夠將三維圖像通過3D打印機打印出來，用于患者宣教與溝通、術前診斷、手術模擬及術中參考，將有效提高手術的精確度、降低手術風險及減少并發癥的發生。筆者通過閱讀文獻，將3D打印技術在神經外科中的應用范圍、不足及應用研究前景綜述如下。

1 應用范圍

1.1 神經外科教學培訓、手術計劃及醫患溝通 中樞神經系統結構復雜，低年資的神經外科年輕醫師一般很難在短時間內理解并掌握，他們通過傳統的解剖圖譜、標本教學以及臨床實踐去學習并體會，即便是通過手術觀摩，由于視角問題也不能很細致地看清一些解剖結構，在學習體會上可能造成困擾。而這些細微結構可使用3D打印機原比例地打印出來，立體的呈現在醫師面前，可以提高學習效率。Brace等[8]在2015年根據3D打印技術打印出側腦室外引流手術模型，次年據3D打印制作出模擬經鼻內鏡入路模型供年輕神經外科醫師學習，獲得較高評價[9]。國內的楊治榮等[10]已成功完成了側腦室解剖3D模型構建，形成中、英文兩個版本的教學課件，并進行了局部的實踐應用，取得了良好的教學效果，受到了師生的好評。在制定手術計劃時，3D打印出的病灶模型不僅能夠給予醫師直觀的展示，進行準確嚴格的術前準備、完美精細的術中操作，亦可在與患者及其家屬溝通顯示出其優勢，由于神經結構的精細性以及復雜性，醫療術語和專業詞匯會讓患者及其家屬一頭霧水甚至不知所云，使溝通難以繼續。如果采用舉例子、打比方等通俗易懂的方法去說明問題，患方就能夠容易理解，并能夠與醫師進行交流、溝通，達到事半功倍的成效[11]。若進一步能夠拿出實體模型與患方進行溝通，則能夠使交流更加融洽。用3D打印機打印出1∶1的神經系統病變結構，則可以讓患者以及家屬能夠直觀了解病情，解決了信息的不對稱性，有助于解釋和溝通，使醫患關系更加和諧。

目前3D打印技術主要應用于以下神經外科系統疾病。

1.1.1 應用于顱底腫瘤 顱底腫瘤是顱內腫瘤的一部分，是指發生于顱底及其相鄰近結構的腫瘤，因為顱底結構復雜，故此類手術具有低切除率、高致殘率特點，因此被認為是神經外科的極限運動。此類腫瘤切除手術則可以非常充分體現出3D打印的優越性。術前據病灶數據，通過軟件，利用3D打印機將其模型打印出來，可以讓手術醫師仔細領會腫瘤的位置、大小、形狀、血供及其與周圍神經、血管、重要核團的關系，增進術者對腫瘤組織及周圍血管神經的解剖位置的理解，有助于手術入路的選擇，并可通過不同顏色的材料區分腫瘤組織及正常腦組織，手術時能達到切除效果的同時最大限度地保護正常腦組織，有效地降低手術并發癥及后遺癥的發生率[12]。在1998年，日本報道了7例顱底腫瘤患者，術前據影像學資料建造了模型，結果其中5例腫瘤被成功切除，另2例腦膜瘤患者，因腫瘤緊鄰粗大的神經及血管，完整切除可能引起并發癥甚至死亡，最終選擇部分切除，所有患者均無術后并發癥[13]。國內中南大學湘雅醫院應用3D打印技術，將一名復雜顱底腫瘤患者的病灶及周圍組織打印出來，醫生于術前通過模型對手術進行干預設計，精確成功的全切腫瘤，患者術后兩天下床行走，第7天出院，恢復良好[14]。

1.1.2 應用于顱內動脈瘤 顱內動脈瘤是造成自發性蛛網膜下腔出血最常見原因[15]，是一種高死亡率和高致殘率的疾病[16]，目前針對顱內破裂動脈瘤手術治療分為開顱動脈瘤夾閉術和血管內介入栓塞術[17]。兩種手術方案對術者技術的要求較高。開顱夾閉手術最大的難點在于動脈瘤解剖位置的精確把握以及對手術并發癥的預防，術前手術良好的規劃對減少術中操作損傷以及減少手術時長更加重要[18]，因為它們與動脈瘤破裂、術后感染以及致死致殘率關系密切[19]。1999年，D’Urso等[20]報道了第一例快速成型技術建造的動脈瘤模型，術者可以從多角度近距離地研究復雜的腦血管解剖構造，增強術者的理解。他們認為，借助此模型可有效用于對患者宣教、術前診斷、手術模擬及術中參考。近幾年，隨著血管神經外科領域的進步，特別是DSA機器功能的研發，例如3D旋轉造影，越來越多的顱內動脈瘤被清晰的認識，再通過3D打印技術將動脈瘤打印出來，能夠更加使得手術事半功倍。Toshihiro等[21]利用3D打印技術將動脈瘤打印后，在進行夾閉手術前模擬手術過程，之后在真實手術時，在動脈瘤暴露以及動脈瘤夾大小選擇上所用時間明顯縮短，得到手術醫師好評。

針對顱內動脈瘤血管內治療，微導管理想的塑形能夠提供在栓塞過程中微導管的穩定性，以及使彈簧圈準確進入動脈瘤腔，是手術成功的關鍵和難點[22～23]。可將動脈瘤以及載瘤動脈通過3D打印機打印出來，術者可直觀據此血管走形在介入治療前給與微導管塑形，真實手術時，能夠使微導管準確便捷超選進入動脈瘤腔，在手術過程中微導管到位率高，微導管的穩定性明顯加強，栓塞致密程度增加，使操作時間縮短，能夠高效完成手術，降低了病人手術風險。Katsunari等[24]報道的在10個動脈瘤患者行血管內治療前，將動脈瘤以及載瘤動脈通過3D打印機打印出來，據此對微導管進行預塑形，結果良好，其中并發癥方面，除一例因術中大腦中動脈受損而致蛛網膜下腔出血外，其余9例無并發癥發生；在穩定性以及準確性上，全部效果滿意。

1.1.3 應用于動靜脈畸形 動靜脈畸形(AVM)是一種先天性血管畸形，是指AVM中供血動脈的動脈血液不經毛細血管床而直接匯入引流靜脈，它本身結構復雜，以往醫師對疾病的了解限于對二維圖片的解讀，由于血管間的重疊，對供血動脈、畸形團以及引流靜脈判斷準確性不夠。3D打印出的實體模型可直觀觀察，并能分析病變及其與周圍組織結構的關系，讓手術醫師全面真實地了解動靜脈畸形團結構，確定最佳的手術方案，節省術者在獲取DSA資料后至開始進行手術治療所需的時間，也同時明顯縮短了患者麻醉以及整個手術時間，節省相關術中等待的醫療費用，并能降低額外的麻醉以及手術的意外和風險。Thawani等[25]利用3D打印技術將動靜脈畸形模型打印出來，研究解剖特點以及血流動力學特點，提高了醫師對于復雜動靜脈畸形的理解能力。廣東省人民醫院神經外科陳光忠教授[26]應用 AVM 實體模型指導與患者及其家屬的術前談話及手術方案設計，并與對照組結果進行對比，顯示3D打印模型可以幫助術者更加直觀地了解畸形團空間構筑學特征，指導術者進行手術方案的制定，同時應用3D打印實體模型可提高與AVM患者術前談話效率及患者滿意度。

1.2 應用于假體置入 目前針對神經外科中假體置入，主要應用于顱骨缺損。顱骨缺損是顱腦損傷、腦血管意外、顱內腫瘤常見的術后遺留問題[27]，由于患者顱骨的保護功能受損，進而可能引發患者出現各種神經系統癥狀[28]。目前臨床上使用最多的假體置入原料是電腦塑形鈦網，是根據個體顱骨缺損部位模型制作的假體，其契合滿意程度良好，但主要問題是材料是貴金屬，患者經濟負擔重，且生產耗費時間長、材料利用率低。目前已能利用3D技術改變這一局面，利用可置入材料通過3D打印機打印出缺損顱骨模型，經過消毒后可直接手術置入身體內，精確契合缺損部位，恢復自然外觀的效果，患者滿意度得以提升。2013年3月美國神經外科醫師利用聚合物3D打印了一名男性患者2/3的顱骨并成功為該患者進行了手術治療，這是獲得美國食品和藥物管理局許可后進行的第一例3D打印顱骨修補手術[29]。紀玉桂等[30]對23例顱骨纖維結構不良患者利用3D打印技術，快速成型制作出鈦板模型，利用醫用鈦合金制造個體化修復塊，并將此植入缺損區域，具有良好的適配性，術中無需修正、鈦釘固定即可。術后隨訪修復體位置滿意、形態良好，無感染現象發生。此方法簡化手術操作，縮短了手術時間，臨床效果滿意。其次，復合植入體(細胞與植入體)具有生物相容度好，植入后不變形以及并發癥少等優點，它是一個階段性的產品并且能夠相對滿足臨床所需要的材料，有待于進一步的時間驗證和后期推廣。Guillemot 等[31]將細胞和生物材料通過激光3D打印系統直接打印在實驗小鼠顱骨缺損部位獲得成功，對顱骨缺損的病人將又是一大福音。

2 不 足

雖然3D打印技術是一項具有工業革命意義的新興制造技術，有著各種各樣的優點，但也面臨多方面的挑戰與不足。

2.1 打印時間長與原料成本高 利用3D打印機打印模型所需時間較長，且成本高，因此對于急診病例，往往不能夠利用此技術，例如，顱內動脈瘤破裂出血，行DSA或者CTA檢查后建立3D模型，Kimura等[32]報道，時間需要3～7 d，花費在300～400美元。患者在此時間段內可能出現二次出血導致死亡或者重殘等情況，故目前對急診利用率較低。但是隨著技術的不斷前進，打印的時間會逐漸縮短，成本亦會逐漸降低。

2.2 材料的制約 醫用3D打印材料種類受到限制，主要材料為水凝膠、磷酸鈣生物陶瓷及鈦等，且目前國內尚缺乏關于3D打印材料的標準，因此現在3D打印材料主要依賴于進口，制約了其一定程度的發展。

2.3 精細程度低 3D打印模型的精確度目前受到原始圖像分辨率和后期圖像處理技術的影響。比如沿水平方向走行的細小血管(如穿支動脈)以及直徑較小的血管則難以重建。Wurm等[33]指出，血管直徑小于0.4 mm不能重建。我們相信，隨著影像學設備的發展及后期圖像處理技術的提高，精細問題有望在不遠的將來得以解決，可以更好的顯示一些細小結構，如穿支動脈。

3 應用研究前景

雖然許多研究尚處于起步階段，且目前存在的不足制約了3D打印技術在科研和臨床中的推廣應用，但是隨著科學技術的發展進步，當前面臨的問題有望被一一攻克[34]。可以預期3D打印技術在神經外科中的應用方面還能夠發揮更大空間和作用，并能夠在神經修復、生物治療上面取得新的進展，在未來的研究中尚需進一步發展與完善。此外3D打印技術定制性強的特點將為個性化醫療的實現提供有利條件，這就意味著，隨著科技的不斷發展與完善，患者將享受到更加優質的個性化醫療服務。總之，我們相信3D打印技術在神經外科領域的應用會有更為廣闊的前景。

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(2016-07-13收稿 2017-01-04修回)

(責任編輯 梁秋野)

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周 磊，碩士研究生，主治醫師。

100039 北京，武警總醫院神經血管外科

毛更生，E-mail:mclxmgs@126.com