3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科臨床治療中的應(yīng)用進(jìn)展

作者：楊鑫,，荔志云,，聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院神經(jīng)外科

3D打印技術(shù)也稱(chēng)為快速成型技術(shù),，是指基于CAD三維數(shù)學(xué)模型,，通過(guò)逐層增加材料,，逆向制造出與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法,。KODAMA于1982年首次報(bào)道了3D打印技術(shù)的誕生,，ANDEL于1993年首次報(bào)道將3D打印技術(shù)用于外科治療領(lǐng)域，此后3D打印技術(shù)迅速應(yīng)用于醫(yī)學(xué),，如醫(yī)學(xué)教育的解剖模型,、植入物及假體、生物打印等,。

現(xiàn)代3D打印技術(shù)使得構(gòu)建層厚在微米量級(jí)的解剖結(jié)構(gòu)成為可能,，同時(shí)隨著醫(yī)學(xué)影像對(duì)比度分割技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的3D打印技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)地,、不同色彩的材料打印,，包括骨骼、肌腱,、血管及神經(jīng)等,。國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)在外科學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，其中以骨科,、頜面外科等學(xué)科最為活躍,。因神經(jīng)系統(tǒng)病種繁多，且相同病種在不同解剖部位有著高度特異性,，盡管醫(yī)學(xué)影像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高水平,，但部分復(fù)雜的神經(jīng),、血管解剖結(jié)構(gòu)仍然難以體現(xiàn)，使得3D打印技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科學(xué)領(lǐng)域的研究相對(duì)較少,。當(dāng)前3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用主要包括解剖模型,、模擬患者特定病理學(xué)及生物相容性假體的制作等，現(xiàn)給予綜述如下：

1.腦腫瘤
腦腫瘤為最常見(jiàn)的顱內(nèi)原發(fā)性疾病,，常見(jiàn)病理類(lèi)型包括腦膠質(zhì)瘤,、腦膜瘤、垂體瘤等,。根據(jù)2012年發(fā)布的《中國(guó)腫瘤登記年報(bào)》顯示,，在全球新發(fā)的惡性腫瘤患者中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤占比約2.4%,，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),。目前腦腫瘤的治療朝著“個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”發(fā)展，其理想結(jié)果是在盡量全切腫瘤的同時(shí),，保持大腦原有的神經(jīng)功能不受損害,，并修復(fù)因腫瘤占位或腦水腫引起的神經(jīng)功能缺損。

就重建精度而言,，SPOTTISWOODE等首次報(bào)道了利用3D打印技術(shù)構(gòu)建腦腫瘤模型,，研究結(jié)果表明重建的腫瘤平均誤差小于0.5mm，能清楚顯示功能區(qū)與腫瘤相對(duì)于腦表面的位置特征及毗鄰結(jié)構(gòu),，精準(zhǔn)體現(xiàn)腫瘤的解剖層次。在腦腫瘤患者中,，顱底腫瘤因其位置深在,、解剖復(fù)雜、功能重要而呈現(xiàn)出較高的手術(shù)難度,，對(duì)術(shù)者的解剖基礎(chǔ)及手術(shù)技巧要求極高,，目前的技術(shù)水平已可建立3D顱底打印模型對(duì)顱底腫瘤進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，而且數(shù)字模型還可導(dǎo)入導(dǎo)航系統(tǒng),，與相應(yīng)的二維神經(jīng)影像進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配,，更好地完成術(shù)前導(dǎo)航。

MULLER等研究顯示,，對(duì)于復(fù)雜顱底病變,，3D打印模型能夠準(zhǔn)確顯示復(fù)雜顱底腫瘤解剖結(jié)構(gòu)，在術(shù)前模擬進(jìn)行顱底骨質(zhì)磨除,，有利于了解腫瘤與毗鄰神經(jīng),、血管的關(guān)系，適用于高度個(gè)體化復(fù)雜顱底腫瘤手術(shù)策略的制定,。蘭青等自2015—2016年利用3D打印技術(shù)完成12例腦腫瘤切除術(shù),，所有患者手術(shù)過(guò)程與術(shù)前3D模型手術(shù)規(guī)劃一致，且神經(jīng)功能保留良好。

3D重建數(shù)字模擬腦腫瘤,、血管及神經(jīng)纖維束還可清晰展示腦腫瘤與傳導(dǎo)束的空間關(guān)系,，避免術(shù)中損傷傳導(dǎo)束造成神經(jīng)功能損害。但目前3D打印技術(shù)輔助腦腫瘤治療仍存在較多不足之處,，如顱內(nèi)壓及血流動(dòng)力學(xué),、腫瘤與周?chē)�解剖結(jié)構(gòu)黏連程度難以體現(xiàn)，蛛網(wǎng)膜系統(tǒng)及腦溝腦回等解剖結(jié)構(gòu)重建不完善等,。

2.出血性腦血管病
顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是最常見(jiàn)的出血性腦血管病,，對(duì)于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的治療，顯微手術(shù)夾閉仍是金標(biāo)準(zhǔn),，其次為血管內(nèi)介入栓塞治療,。在顯微手術(shù)夾閉顱內(nèi)動(dòng)脈瘤過(guò)程中，明確動(dòng)脈瘤的形態(tài),、瘤頸,、朝向及與周?chē)�血管的解剖關(guān)系極為重要。通過(guò)3D重建及打印的動(dòng)脈瘤三維模型,，在解剖學(xué)上是比較準(zhǔn)確的,，模型精度可達(dá)到0.1mm，此類(lèi)模型可使手術(shù)醫(yī)師術(shù)前加深對(duì)動(dòng)脈瘤術(shù)區(qū)解剖結(jié)構(gòu)的理解,，并可多次模擬動(dòng)脈瘤夾閉過(guò)程,，挑選最為合適的動(dòng)脈瘤瘤夾，使得動(dòng)脈瘤夾閉更為精準(zhǔn),。

在血管內(nèi)治療方面,，NAMBA等利用3D打印技術(shù)打印出10例動(dòng)脈瘤模型，并根據(jù)模型提前選擇合適的微導(dǎo)管并塑形,，提高了術(shù)中彈簧圈釋放過(guò)程中的穩(wěn)定性,，顯著降低了手術(shù)操作時(shí)間及風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于寬頸動(dòng)脈瘤,，TSANG等依據(jù)3D打印技術(shù)重建了載瘤動(dòng)脈及動(dòng)脈瘤,，在術(shù)前挑選合適的血流導(dǎo)向裝置并指導(dǎo)術(shù)中的置入，術(shù)后長(zhǎng)期隨訪(fǎng)結(jié)果示栓塞效果滿(mǎn)意,，動(dòng)脈瘤平均血流速度有明顯降低,。

腦動(dòng)靜脈畸形是另一常見(jiàn)的出血性腦血管病，有著復(fù)雜的供血?jiǎng)用}及引流靜脈,，到目前為止血管內(nèi)治療和顯微外科也只能有選擇地部分治療動(dòng)靜脈畸形,，手術(shù)切除巨大或重要功能區(qū)的動(dòng)靜脈畸形難度較高。相關(guān)的研究表明,，通過(guò)3D打印技術(shù)構(gòu)建細(xì)致的動(dòng)靜脈畸形三維模型,，包括顱骨,、腦組織、頸內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng),、供血?jiǎng)用},、引流靜脈及靜脈竇等，可協(xié)助手術(shù)醫(yī)師進(jìn)一步明確復(fù)雜的畸形團(tuán)解剖結(jié)構(gòu),，有利于術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)治療效果評(píng)價(jià),。

WEINSTOCK等利用3D打印輔助小兒腦動(dòng)靜脈畸形顯微手術(shù)，結(jié)果顯示利用3D模型提前進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃可縮短顯微手術(shù)時(shí)間,，但仍欠缺患者長(zhǎng)期隨訪(fǎng)資料,。在血管內(nèi)治療方面，CONTI等運(yùn)用3D-DSA結(jié)合3D打印技術(shù)重建動(dòng)靜脈畸形模型,，有助于術(shù)前了解畸形血管團(tuán)內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)情況,，測(cè)量并計(jì)算目標(biāo)模型的血容量，利于栓塞治療策略的制定,。但目前3D打印技術(shù)對(duì)于病變部位供血?jiǎng)用}及引流靜脈的區(qū)分建模仍存在較大的難度,，需后期人工加工，帶有一定的個(gè)人主觀性,，是今后亟需解決的問(wèn)題,。

高血壓腦出血在當(dāng)前亦有著極高的發(fā)病率，其發(fā)病后死亡率高達(dá)28%~38%,，隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)理念的發(fā)展,，軟通道穿刺引流因其安全、簡(jiǎn)單,、微創(chuàng)的優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用越來(lái)越廣,，但臨床上因CT定位誤差、患者個(gè)體差異或術(shù)者操作偏差等因素常導(dǎo)致療效欠佳,，引流管往往難以置入最大血腫層面中心。

利用3D打印技術(shù),，可根據(jù)血腫體表投影設(shè)計(jì)出精確的穿刺導(dǎo)板及通道,，準(zhǔn)確規(guī)劃出血腫腔穿刺方向和穿刺深度，同時(shí)還能重建出重要血管及神經(jīng),，降低穿刺過(guò)程中醫(yī)源性損傷發(fā)生率,。張濤等、劉峰等利用3D打印手術(shù)導(dǎo)板輔助腦內(nèi)血腫穿刺,，對(duì)比傳統(tǒng)CT引導(dǎo)下腦內(nèi)血腫穿刺,，結(jié)果顯示手術(shù)導(dǎo)板定位更為精確，血腫穿刺準(zhǔn)確率明顯升高,，血腫引流時(shí)間及血腫引流率較傳統(tǒng)方法明顯改善,。

使用3D打印導(dǎo)板進(jìn)行顱內(nèi)血腫穿刺引流實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化,、個(gè)體化的目的，療效確切,，值得基層醫(yī)院進(jìn)行推廣與應(yīng)用,。但穿刺導(dǎo)板有時(shí)難以做到與顱面部完全貼合，且存在打印導(dǎo)板消毒不徹底等問(wèn)題,，還需更好的解決辦法,。

3.顱骨重建
重型顱腦損傷、高血壓腦出血或大面積腦梗死并腦疝形成者,，在手術(shù)清除血腫及壞死腦組織的同時(shí)常常需要去骨瓣減壓,，顱骨粉碎性骨折及顱骨骨瘤術(shù)后亦可造成顱骨缺損。顱骨缺損不僅影響個(gè)人美觀與安全,，而且常出現(xiàn)顱骨缺損綜合征,，因此顱骨修補(bǔ)術(shù)為神經(jīng)外科的常見(jiàn)術(shù)式。

目前應(yīng)用3D打印技術(shù)重建顱骨修補(bǔ)材料在臨床上已經(jīng)反映出良好的治療效果,，常用的重建修補(bǔ)材料包括聚甲基異丁烯酸(PMMA),、聚醚醚酮(PEEK)等。SCHON等利用3D打印技術(shù)連續(xù)完成16例顱骨修補(bǔ)術(shù),，結(jié)果顯示利用3D重建的PMMA顱骨材料進(jìn)行修補(bǔ)不僅有著極高的修補(bǔ)精準(zhǔn)度,，還表現(xiàn)出良好的組織相容性，且術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較傳統(tǒng)修補(bǔ)方法亦有所降低,，對(duì)于原骨瓣不可用的顱骨缺損患者來(lái)說(shuō),，利用3D打印輔助顱骨修補(bǔ)還能顯著降低患者的治療成本。

顱縫早閉為常見(jiàn)的先天性顱腦畸形,，會(huì)形成各種頭顱狹小畸形,，同時(shí)壓迫或限制正在迅速發(fā)育的腦組織，引起顱內(nèi)壓增高和各種腦功能障礙,。其傳統(tǒng)的治療方法為切開(kāi)原已閉合的骨縫或建立新的骨溝,，使顱腔能有所擴(kuò)大，以保證腦的正常發(fā)育,。ENRICO等利用3D打印技術(shù)建立顱骨模型,，清晰地顯示了顱面解剖的各個(gè)方面以及最常見(jiàn)的顱縫骨病病理變化，包括蝶骨翼,、淺眼眶,、頸靜脈孔等解剖結(jié)構(gòu)。

GHIZONI等利用3D打印技術(shù)完成4例顱縫畸形術(shù)前規(guī)劃,，利用3D打印顱骨模型提前進(jìn)行解剖學(xué)及力學(xué)分析,，并選擇最為合適的手術(shù)器械，結(jié)果表明在顱縫畸形術(shù)前模擬中3D打印模型為良好的選擇,，尤其在對(duì)術(shù)中及術(shù)后的力學(xué)分析方面有著獨(dú)到的效果,。

4.脊柱脊髓疾病
既往脊柱脊髓腫瘤的術(shù)前評(píng)估主要依靠CT,、MRI等二維影像學(xué)資料，所反映的解剖結(jié)構(gòu)在視覺(jué)上存在一定的差異,。3D打印技術(shù)建立的腫瘤模型能較好地判斷組織結(jié)構(gòu)層次,、周?chē)�毗鄰的臟器及腫瘤邊界，并且可進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃,、模擬切除等過(guò)程,，評(píng)估手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)及難度。于貝貝等利用3D打印脊髓腫瘤模型完成9例脊髓腫瘤切除術(shù),，術(shù)后無(wú)嚴(yán)重神經(jīng)功能損害或手術(shù)并發(fā)癥,。而對(duì)于術(shù)前影像學(xué)顯示腫瘤邊界不清晰患者，尤其是腫瘤形態(tài)不規(guī)則時(shí),，3D打印技術(shù)還可提高外科手術(shù)取得陰性切緣的能力,。

但3D打印脊神經(jīng)仍存在一定局限性，主要是由于彌散張量纖維束追蹤,、彌散張量成像的空間分辨率無(wú)法到達(dá)重建要求,，難以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的神經(jīng)纖維束進(jìn)行纖維素示蹤。因此,，亟需新的高準(zhǔn)度掃描方法對(duì)神經(jīng)纖維束進(jìn)行示蹤,，重建打印出脊神經(jīng)與腫瘤相對(duì)關(guān)系的3D實(shí)物模型，增強(qiáng)術(shù)中對(duì)脊神經(jīng)的保護(hù),，以減少術(shù)中神經(jīng)觀念損害,。

脊柱側(cè)彎為最常見(jiàn)的脊柱先天畸形，傳統(tǒng)手術(shù)治療主要借助術(shù)前CT數(shù)據(jù)及術(shù)中C臂透視來(lái)完成椎弓根螺釘系統(tǒng)的置入,，其手術(shù)精準(zhǔn)度很大程度上取決于手術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn),。RAJASEKARAN等研究表明，徒手傳統(tǒng)置釘技準(zhǔn)確率僅為60%左右,；而CECCHINATO等研究亦表明,，在脊柱側(cè)彎矯形手術(shù)中傳統(tǒng)置釘?shù)腻e(cuò)位發(fā)生率可高達(dá)30%，椎弓根螺釘位置不正確可造成神經(jīng)系統(tǒng)及血管結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p害,，其損傷風(fēng)險(xiǎn)隨著脊柱側(cè)彎嚴(yán)重程度不斷升高,。

目前3D打印技術(shù)在脊柱矯形手術(shù)中已表現(xiàn)出良好的個(gè)體性與精準(zhǔn)性，使用3D打印技術(shù)輔助螺釘置入,，其手術(shù)時(shí)間,、出血量,、置釘準(zhǔn)確率均優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)方法,。TAN等在3D模型輔助下對(duì)23例患者共置入494顆螺釘，螺釘置入精準(zhǔn)度達(dá)96.3%,，患者術(shù)后未出現(xiàn)相關(guān)神經(jīng)及血管損害,。GIROD等的個(gè)案報(bào)告顯示,，術(shù)前建立畸形脊柱模型有助于術(shù)前規(guī)劃及模擬矯正，從而提高矯形效果,。3D打印技術(shù)在脊柱側(cè)彎矯形中已顯示出良好的優(yōu)勢(shì),，不僅能加強(qiáng)手術(shù)醫(yī)師對(duì)復(fù)雜畸形脊柱的認(rèn)知程度，還可觀察截骨角度,、截骨位置及椎弓根置釘位置,，對(duì)矯正手術(shù)方案進(jìn)行良好規(guī)劃，降低手術(shù)置釘難度,，避免損傷神經(jīng)及血管結(jié)構(gòu),，提高手術(shù)的安全性及有效性。

5.總結(jié)
在傳統(tǒng)神經(jīng)外科朝著智能化不斷邁進(jìn)的時(shí)代,，3D打印技術(shù)作為一門(mén)交叉融合技術(shù),，展現(xiàn)出其個(gè)性化的模型定位及空間解剖關(guān)系，在神經(jīng)外科臨床工作中已顯示出良好的治療效果,，在解剖教學(xué),、技術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)規(guī)劃及醫(yī)患溝通等也表現(xiàn)出較高的價(jià)值,，值得臨床推廣使用,。

但目前仍缺乏大量的臨床應(yīng)用病例，尤其是手術(shù)治療效果,、手術(shù)安全性及術(shù)前訓(xùn)練的長(zhǎng)期影響等諸多方面缺少確切的數(shù)據(jù)支撐,；且存在諸多亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，包括打印時(shí)間及成本較高,、打印精度不足,、復(fù)合材料打印難度大及生物材料組織相容性欠佳等問(wèn)題。但隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步,，醫(yī)工交叉精準(zhǔn)醫(yī)療的快速發(fā)展,，上述問(wèn)題會(huì)逐步得到解決，3D打印技術(shù)將不再局限于解剖及外科的常規(guī)應(yīng)用,，有望在神經(jīng)元修復(fù),、功能重塑及顱內(nèi)外血管重建等方面取得更大的突破。

來(lái)源：楊鑫,荔志云.3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科臨床治療中的應(yīng)用進(jìn)展[J].海南醫(yī)學(xué),2022,33(19):2564-2567.