3D打印技術在神經外科教學中的應用探討

葉成坤 于如同

【摘要】腦科疾病是未來影響人類生活質量的重要因素。即便目前的影像技術快速發展，對于一般的學生來說，認知腦部結構仍然有一定的困難。利用3D打印技術，可以將影像學數據轉換成3D打印數據，從而制備復雜的大腦疾病模型，使學生活躍思維，激發學生主動學習的意愿，有助于學生對神經外科疾病的理解和記憶。

【關鍵詞】醫學院校；腦科疾病；神經外科；3D打印技術

【基金項目】2018年江蘇省研究生科研創新計劃（脂質-聚合物負載GOLPH3-siRNA和吉非替尼靶向治療腦膠質瘤的研究，KYCX18_2197）。

腦解剖結構復雜，功能精細，病變種類繁多，給醫學教學帶來很大困難。大腦是人體最復雜精密的解剖結構，尤其是形態極其不規則的顱底骨質和其上的腦組織、血管、顱神經等，再加上眾多的神經系統腫瘤和血管畸形等病變，使復雜而狹小的顱腔內結構產生了巨大的變化，一般的影像學很難直觀地呈現顱內病變的結構。顱內血管更是結構復雜，血管病變千變萬化，即使是具備豐富的臨床經驗與解剖知識的醫生，擁有嫻熟的神經介入操作技術和高度清晰的影像設備，在處理顱底血管病變時也面臨著巨大挑戰和困惑。認知和理解這些病變的解剖關系對神經外科教學提出了巨大的挑戰。

3D打印（3D Printing）技術目前正在國內外掀起新一輪研究熱潮。利用3D打印技術，可以將影像學數據轉換成3D打印數據，從而制備復雜的顱底腫瘤和血管模型，利用這些模型，有助于促進神經外科日常教學等。面對神經外科教學，我們采取以神經解剖學和神經影像為基礎，結合多媒體的講授法，將3D打印模型實踐觀摩與臨床實踐教學法相結合的多元化教學方式，獲得較好的效果。現將3D打印技術在神經外科教學中的應用探討如下。

一、3D打印技術簡介及其在醫學中的應用

3D打印技術，又稱“增材制造”（Additive Manufacturing）技術。該項技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。目前，應用較多的3D打印技術主要包括熔融沉積制造（FDM）、光固化立體印刷（SLA）、選擇性激光燒結/熔化（SLS/SLM）和三維噴印（3DP）等。2012年出版的《福布斯》雜志指出，3D打印技術已涵蓋了納米醫學、制藥甚至器官打印等醫療領域的應用研究。未來或許能夠依賴3D打印技術實現個性化醫療，減少甚至消除器官捐獻短缺的問題。3D打印在醫學上的最直接應用，就是打印出各式各樣的器官或組織的3D模型。借助這些模型，能將器官或組織內部構造的細節逼真地顯示出來，將使醫學知識變得更為直觀明了。

二、神經外科教學的現狀和問題

神經外科教學的現狀和問題主要有以下幾點。

第一，神經外科知識理解困難。與其他臨床學科比較，神經外科的結構概念抽象，專科性非常強，學生不易理解。主要因為神經外科學以神經解剖、神經生理、病理等為基礎，而神經解剖、神經生理的相關內容復雜抽象，神經系統疾病的臨床病例復雜多變，再加上學生未能接觸臨床，所以學生普遍對所學內容常感到難懂、難記、難掌握。

第二，神經外科教學任務重。由于神經外科學在外科教學中是非主干課程，課時安排少，但神經外科教學的內容廣，名詞術語多，知識點分散，如何在較少的時間內讓學生接受所需要掌握的知識是一項挑戰。

第三，學生遺忘多。神經外科疾病是建立在相應的解剖基礎之上的，神經解剖學得好壞直接影響到神經外科教學的質量和效果。而神經解剖、神經外科理論教學與臨床實習間隔時間長，學生知識遺忘多，影響了學習效果，加重了教師的負擔。

三、教學病例展示

（一）顱內動脈瘤

顱內動脈瘤是指腦動脈內腔的局限性異常擴大造成動脈壁的一種瘤狀突出。顱內動脈瘤多因腦動脈管壁局部的先天性缺陷和腔內壓力增高而引起囊性膨出，是造成蛛網膜下腔出血的首位病因。動脈瘤手術對神經外科醫師的技能要求和對解剖的掌握要求非常高，手術前的培訓和手術模擬訓練對動脈瘤的手術醫師至關重要。而3D打印技術的出現，為動脈瘤手術醫師提供了必要的訓練模型。利用3D打印技術可以將動脈瘤逼真、精確地復制出來，為神經外科醫生在術前提供理想的可視化模型，從而進行手術計劃、模擬和訓練。利用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯作為原材料，根據頭顱CTA掃描出的數據，打印出中空的有彈性的動脈瘤模型，然后在術前用這些模型進行手術計劃、演練以及教學，達到了術前評估、增加手術熟練程度的效果。利用聚乳酸和MakerBot彈性材料將DSA的影像數據轉換成3D打印數據，從而打印出精確的動脈瘤模型，這種可視化的逼真的動脈瘤模型，為神經外科醫師進行術前評估和手術計劃提供了極大的便利。這種通過3D打印技術制造出的逼真的、精確的動脈瘤模型，為神經外科醫師進行教學、模擬和訓練提供了非常有用且低廉的工具。

（二）顱底腫瘤

顱底腫瘤因解剖位置深在，結構復雜，聚集了許多重要的血管、神經，因此顱底腫瘤手術難度較大，并發癥較多，術前準確地評估腫瘤、顱底骨質和血管神經的情況以及相互關系，制定詳細而準確的術前計劃，是手術成功的基礎之一。傳統的CT、MRI、MRA及MRV等影像，是顱底外科術前常規的檢查項目。CT有利于顯示顱底骨質結構；MRI平掃可顯示腦組織、腦室等結構，強化后可清楚顯示腫瘤及部分神經血管；MRA顯示動脈血管，MRV顯示靜脈血管。各種方式的成像技術均有其特性、優勢和適用范圍。運用多影像融合技術綜合這些影像信息，利用3D打印技術將腫瘤及其周邊重要結果打印處理，可以立體呈現病變的局部解剖關系，設計個性化手術入路，指導教學和術前計劃。

（三）寰枕畸形

寰枕畸形是以枕骨大孔區、寰椎、樞椎骨質發育異常并伴有神經系統以及其附近軟組織發育異常的一種先天性畸形疾病，包括扁平顱底、顱底凹陷、寰椎枕化、寰樞脫位、小腦扁桃下疝畸形（Arnold-Chiari's畸形）以及脊髓空洞等。以上幾種畸形可單獨或同時發生。臨床癥狀和畸形的程度表現不一致，多數為青壯年，病情緩慢，進行性加重。癥狀以延髓及高位頸髓受壓而致的錐體束和顱頸神經根受壓出現的肢體運動障礙、肢體癱瘓、感覺障礙甚至大小便失禁為主。此外，可并發頸、胸段脊髓空洞及相應的神經系統癥狀。

（四）內鏡教學標本制備

內鏡神經外科是微創神經外科的重要方向之一。由于捐獻的標本常常已脫水干枯，且有鞍區或者腦室系統疾病的尸體非常稀缺，內鏡的訓練常常不是十分便利和令人滿意。目前可利用病人的CT和MRI影像資料轉換成3D打印信息，采用不同的材質，利用3D打印技術，分別打印出質地和正常人的皮膚、頭骨、硬膜比較相近的模型，再將鞍區及腦室系統病變，從而為神經內鏡的訓練提供了理想的模型。通過3D打印技術制造出的包括鼻腔、鼻旁竇、蝶竇以及蝶鞍內垂體的顱骨模型，可以為經鼻蝶內鏡手術提供非常理想的模擬工具，其精確程度非常接近原始的解剖結構。

近年來，3D生物打印機發展日新月異，它是一種能夠在數字三維模型驅動下，按照增材制造原理定位裝配生物材料或細胞單元，制造醫療器械、組織工程支架和組織器官等制品的裝備。腦移植技術一直以來都是科學家的一種夢想，隨著未來“生物打印機”的問世，這些問題的解決有了新的技術手段。隨著時代的發展，醫學知識的更新速度越來越快，學生對教師和教學的要求也越來越高，多元化教學方式也越來越受到老師們的關注。科學技術的發展使得神經外科教學與新技術的結合成為時代的要求。3D打印技術的應用為神經外科多元化教學法注入了新的內容，將3D打印的創意設計等納入神經外科教育教學中，以培養創新人才，形成良性的神經外科教學氛圍。

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