3D打印技術在神經(jīng)外科的應用研究進展

作者：黃星，劉禎，姜曉兵，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)外科
來源：中國臨床神經(jīng)外科雜志

隨著打印技術的不斷成熟，3D打印技術在醫(yī)學領域被廣泛應用，并顯示出巨大優(yōu)勢。本文就3D打印技術在神經(jīng)外科的應用研究進展進行綜述。

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

二是選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）技術，通過選擇性燒結各種材料（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現(xiàn)物體重建。

三是激光固化成型（stereolithography，SLA）技術，通過使用一定能量的激光掃描樹脂，固化一定區(qū)域來實現(xiàn)物體重建，因為SLS與SLA技術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，特別是在手術模擬器的制作上有著明顯的優(yōu)勢，所以SLS和SLA技術在臨床上應用較為廣泛。

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

2.3D打印技術在神經(jīng)外科臨床訓練中的應用
神經(jīng)外科手術難度大，風險高，需要現(xiàn)代技術的幫助，以達到精益求精的效果。在神經(jīng)外科領域，顯微操作是最基本的技術。一個成熟有效的模擬訓練系統(tǒng)有助于提升年輕神經(jīng)外科醫(yī)生的能力。目前，尸體標本、動物模型和模擬器等訓練系統(tǒng)占大部分，但無血液流動的尸體標本與解剖結構相差較大的動物模型并不能提供真實的手術模擬環(huán)境。3D 打印技術正好克服了上述兩種方式的缺點。

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

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

Shi等為了追求真實血管的特性，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)與影像學圖片無明顯差別。所以，3D打印技術能清楚顯示動脈瘤的大小、生長部位、生長方向以及周圍解剖結構，制造出符合要求的模型，模擬動脈瘤夾閉術。

4.3D打印技術在動靜脈畸形切除術中的應用
由于動靜脈的異常吻合，二維影像學數(shù)據(jù)不能獲得充足的血管信息，而借助3D打印技術清楚顯示血管的走形與比鄰結構，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狀態(tài)，給手術提供最真實的疾病模型。Conti等利用3D打印技術重建動靜脈畸形模型，打印的動靜脈畸形體積與二維圖像測量的體積無統(tǒng)計學差異，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打印技術在顱內(nèi)腫瘤切除術中的應用
Waran等利用3D打印技術模擬顱內(nèi)腫瘤的三維空間狀態(tài)，利用不同材料的屬性真實地模擬皮膚、顱骨與腦組織等結構，并模擬整個手術過程；同時，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，還將術中導航與3D打印技術結合起來，在模型上進行二維圖像和三維結構的匹配，不僅增加操作體驗，而且進一步驗證三維結構與二維圖像的匹配度，確保手術的精準性和安全性。

對復雜顱內(nèi)腫瘤手術，3D打印技術具有更大的優(yōu)勢。例如顱底腫瘤中斜坡腫瘤、頸靜脈孔周圍腫瘤，找到最安全、對周圍結構損傷最小的入路有利于取得良好的預后。術前可以根據(jù)影像學資料，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打印技術在脊柱脊髓腫瘤切除術中的應用
神經(jīng)外科醫(yī)生在保護脊髓和神經(jīng)功能方面優(yōu)勢明顯；但是，在脊柱固定過程中，會發(fā)生定位不準，從而有可能引起脊髓、神經(jīng)、血管的損傷。雖然利用神經(jīng)導航技術能解決大部分定位的問題，但是導航系統(tǒng)又存在諸多的劣勢。這時利用3D打印技術事先設計出的穿刺通道，將設計好的導航模板與脊柱匹配，大大減少術中不必要的操作，不僅降低對復雜工具的需求，而且減少繁瑣的步驟，同時只需根據(jù)術前CT影像學數(shù)據(jù)創(chuàng)造個體化、精準化的導航模板，從而指導術中手術操作。


7.3D打印技術在顱骨成形術中的應用
對顱骨成形術，常規(guī)利用頭部CT數(shù)據(jù)將鈦網(wǎng)進行加工塑形，但定制的鈦網(wǎng)有時候需要特殊的工具再加工。利用3D打印技術重建顱面結構，以對側完整的顱骨形狀，虛擬重建缺損部位的形狀，這樣不僅可以使兩側對稱，以求最大限度地滿足美觀需求，而且在應用過程中，也可以將整個顱面部的軟組織真實還原，提前了解手術效果；同時根據(jù)缺損的輪廓，精準個體化的設計修補形狀，使之與實際情況相符合，盡量減少術中不必要的操作，同時也減少術后并發(fā)癥。

8.3D打印技術在神經(jīng)內(nèi)鏡手術中的應用
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，達到切除病變的目的，但其操作對術者有較高的要求，所以學習曲線較長。Tai等為了提高術者神經(jīng)內(nèi)鏡下使用磨鉆的能力，利用3D打印技術制造符合正常生理結構的鞍區(qū)模型，取得不錯的培訓效果。Wen等為提高術者神經(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打印技術在神經(jīng)內(nèi)鏡手術中的作用，將1例腫瘤模型打印出來，并在模型中實際操作。Ryan等用具有特殊彈性的材料將顱骨打印出來，真實模擬神經(jīng)內(nèi)鏡腦室內(nèi)腫瘤切除術。

9.3D打印技術在病情溝通中的應用
由于神經(jīng)外科病人病變位置關鍵，顱內(nèi)結構復雜，所以手術風險較高。然而與家屬進行病情溝通時，限于其知識水平，很難達到一致的時候，而且醫(yī)生對病情的準確講解常常需要專業(yè)的詞匯來解釋，但家屬對這些專業(yè)詞匯更加不熟悉，有時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，但往往達不到充分理解病情的效果。將帶有顏色標記的3D模型展示給家屬時，并告知手術的步驟以及術后可能出現(xiàn)的一些并發(fā)癥，有助于家屬完全理解手術路徑以及意圖，并慎重地做出選擇。這說明應用模型能夠很好地起到病情溝通的效果。Abudayyeh等通過術前打印疾病模型，既能夠選擇手術治療方案，又能讓家屬明白手術風險，并取得家屬認可和對醫(yī)療操作的理解，大大減少了醫(yī)患糾紛。

綜上所述，3D打印技術在神經(jīng)外科有著巨大的應用前景，包括動脈瘤、動靜脈畸形、顱內(nèi)腫瘤、頜面部塑形、脊柱脊髓手術、內(nèi)鏡手術、臨床模擬訓練、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打印技術會應用到神經(jīng)外科的方方面面。