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(jié)構(gòu),，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(jié)（selective laser sintering,，SLS）技術,，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(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(jié)構(gòu),，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(jié)合起來,，在模型上進行二維圖像和三維結(jié)構(gòu)的匹配,，不僅增加操作體驗，而且進一步驗證三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),，以對側(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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,。