3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用研究

周 磊 綜述 毛更生 審校

3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用研究

周 磊 綜述 毛更生 審校

3D打印技術(shù)；神經(jīng)外科；綜述

3D打印技術(shù)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(tái)商業(yè)3D打印機(jī)問(wèn)世，此后進(jìn)入快速發(fā)展階段。目前，3D打印技術(shù)已初步應(yīng)用在各行各業(yè)，包括工業(yè)、軍事、航空、文化，以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[4]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)槿梭w復(fù)雜的解剖以及個(gè)體變異等情況，3D打印技術(shù)可用于制作手術(shù)術(shù)前模擬、教學(xué)解剖模型、醫(yī)學(xué)臨床研究及新型藥品研制等[5-7]。在神經(jīng)外科方面，由于人類顱腦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在手術(shù)中僅僅根據(jù)二維圖像亦或者三維圖像往往也可能是欠缺的，此時(shí)如果能夠?qū)⑷S圖像通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，用于患者宣教與溝通、術(shù)前診斷、手術(shù)模擬及術(shù)中參考，將有效提高手術(shù)的精確度、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及減少并發(fā)癥的發(fā)生。筆者通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，將3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用范圍、不足及應(yīng)用研究前景綜述如下。

1 應(yīng)用范圍

1.1 神經(jīng)外科教學(xué)培訓(xùn)、手術(shù)計(jì)劃及醫(yī)患溝通 中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，低年資的神經(jīng)外科年輕醫(yī)師一般很難在短時(shí)間內(nèi)理解并掌握，他們通過(guò)傳統(tǒng)的解剖圖譜、標(biāo)本教學(xué)以及臨床實(shí)踐去學(xué)習(xí)并體會(huì)，即便是通過(guò)手術(shù)觀摩，由于視角問(wèn)題也不能很細(xì)致地看清一些解剖結(jié)構(gòu)，在學(xué)習(xí)體會(huì)上可能造成困擾。而這些細(xì)微結(jié)構(gòu)可使用3D打印機(jī)原比例地打印出來(lái)，立體的呈現(xiàn)在醫(yī)師面前，可以提高學(xué)習(xí)效率。Brace等[8]在2015年根據(jù)3D打印技術(shù)打印出側(cè)腦室外引流手術(shù)模型，次年據(jù)3D打印制作出模擬經(jīng)鼻內(nèi)鏡入路模型供年輕神經(jīng)外科醫(yī)師學(xué)習(xí)，獲得較高評(píng)價(jià)[9]。國(guó)內(nèi)的楊治榮等[10]已成功完成了側(cè)腦室解剖3D模型構(gòu)建，形成中、英文兩個(gè)版本的教學(xué)課件，并進(jìn)行了局部的實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，受到了師生的好評(píng)。在制定手術(shù)計(jì)劃時(shí)，3D打印出的病灶模型不僅能夠給予醫(yī)師直觀的展示，進(jìn)行準(zhǔn)確嚴(yán)格的術(shù)前準(zhǔn)備、完美精細(xì)的術(shù)中操作，亦可在與患者及其家屬溝通顯示出其優(yōu)勢(shì)，由于神經(jīng)結(jié)構(gòu)的精細(xì)性以及復(fù)雜性，醫(yī)療術(shù)語(yǔ)和專業(yè)詞匯會(huì)讓患者及其家屬一頭霧水甚至不知所云，使溝通難以繼續(xù)。如果采用舉例子、打比方等通俗易懂的方法去說(shuō)明問(wèn)題，患方就能夠容易理解，并能夠與醫(yī)師進(jìn)行交流、溝通，達(dá)到事半功倍的成效[11]。若進(jìn)一步能夠拿出實(shí)體模型與患方進(jìn)行溝通，則能夠使交流更加融洽。用3D打印機(jī)打印出1∶1的神經(jīng)系統(tǒng)病變結(jié)構(gòu)，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(duì)稱性，有助于解釋和溝通，使醫(yī)患關(guān)系更加和諧。

目前3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于以下神經(jīng)外科系統(tǒng)疾病。

1.1.1 應(yīng)用于顱底腫瘤 顱底腫瘤是顱內(nèi)腫瘤的一部分，是指發(fā)生于顱底及其相鄰近結(jié)構(gòu)的腫瘤，因?yàn)轱B底結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此類手術(shù)具有低切除率、高致殘率特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是神經(jīng)外科的極限運(yùn)動(dòng)。此類腫瘤切除手術(shù)則可以非常充分體現(xiàn)出3D打印的優(yōu)越性。術(shù)前據(jù)病灶數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件，利用3D打印機(jī)將其模型打印出來(lái)，可以讓手術(shù)醫(yī)師仔細(xì)領(lǐng)會(huì)腫瘤的位置、大小、形狀、血供及其與周圍神經(jīng)、血管、重要核團(tuán)的關(guān)系，增進(jìn)術(shù)者對(duì)腫瘤組織及周圍血管神經(jīng)的解剖位置的理解，有助于手術(shù)入路的選擇，并可通過(guò)不同顏色的材料區(qū)分腫瘤組織及正常腦組織，手術(shù)時(shí)能達(dá)到切除效果的同時(shí)最大限度地保護(hù)正常腦組織，有效地降低手術(shù)并發(fā)癥及后遺癥的發(fā)生率[12]。在1998年，日本報(bào)道了7例顱底腫瘤患者，術(shù)前據(jù)影像學(xué)資料建造了模型，結(jié)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(jīng)及血管，完整切除可能引起并發(fā)癥甚至死亡，最終選擇部分切除，所有患者均無(wú)術(shù)后并發(fā)癥[13]。國(guó)內(nèi)中南大學(xué)湘雅醫(yī)院應(yīng)用3D打印技術(shù)，將一名復(fù)雜顱底腫瘤患者的病灶及周圍組織打印出來(lái)，醫(yī)生于術(shù)前通過(guò)模型對(duì)手術(shù)進(jìn)行干預(yù)設(shè)計(jì)，精確成功的全切腫瘤，患者術(shù)后兩天下床行走，第7天出院，恢復(fù)良好[14]。

1.1.2 應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是造成自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血最常見(jiàn)原因[15]，是一種高死亡率和高致殘率的疾病[16]，目前針對(duì)顱內(nèi)破裂動(dòng)脈瘤手術(shù)治療分為開(kāi)顱動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)和血管內(nèi)介入栓塞術(shù)[17]。兩種手術(shù)方案對(duì)術(shù)者技術(shù)的要求較高。開(kāi)顱夾閉手術(shù)最大的難點(diǎn)在于動(dòng)脈瘤解剖位置的精確把握以及對(duì)手術(shù)并發(fā)癥的預(yù)防，術(shù)前手術(shù)良好的規(guī)劃對(duì)減少術(shù)中操作損傷以及減少手術(shù)時(shí)長(zhǎng)更加重要[18]，因?yàn)樗鼈兣c動(dòng)脈瘤破裂、術(shù)后感染以及致死致殘率關(guān)系密切[19]。1999年，D’Urso等[20]報(bào)道了第一例快速成型技術(shù)建造的動(dòng)脈瘤模型，術(shù)者可以從多角度近距離地研究復(fù)雜的腦血管解剖構(gòu)造，增強(qiáng)術(shù)者的理解。他們認(rèn)為，借助此模型可有效用于對(duì)患者宣教、術(shù)前診斷、手術(shù)模擬及術(shù)中參考。近幾年，隨著血管神經(jīng)外科領(lǐng)域的進(jìn)步，特別是DSA機(jī)器功能的研發(fā)，例如3D旋轉(zhuǎn)造影，越來(lái)越多的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤被清晰的認(rèn)識(shí)，再通過(guò)3D打印技術(shù)將動(dòng)脈瘤打印出來(lái)，能夠更加使得手術(shù)事半功倍。Toshihiro等[21]利用3D打印技術(shù)將動(dòng)脈瘤打印后，在進(jìn)行夾閉手術(shù)前模擬手術(shù)過(guò)程，之后在真實(shí)手術(shù)時(shí)，在動(dòng)脈瘤暴露以及動(dòng)脈瘤夾大小選擇上所用時(shí)間明顯縮短，得到手術(shù)醫(yī)師好評(píng)。

針對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血管內(nèi)治療，微導(dǎo)管理想的塑形能夠提供在栓塞過(guò)程中微導(dǎo)管的穩(wěn)定性，以及使彈簧圈準(zhǔn)確進(jìn)入動(dòng)脈瘤腔，是手術(shù)成功的關(guān)鍵和難點(diǎn)[22～23]?？蓪?dòng)脈瘤以及載瘤動(dòng)脈通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，術(shù)者可直觀據(jù)此血管走形在介入治療前給與微導(dǎo)管塑形，真實(shí)手術(shù)時(shí)，能夠使微導(dǎo)管準(zhǔn)確便捷超選進(jìn)入動(dòng)脈瘤腔，在手術(shù)過(guò)程中微導(dǎo)管到位率高，微導(dǎo)管的穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)，栓塞致密程度增加，使操作時(shí)間縮短，能夠高效完成手術(shù)，降低了病人手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。Katsunari等[24]報(bào)道的在10個(gè)動(dòng)脈瘤患者行血管內(nèi)治療前，將動(dòng)脈瘤以及載瘤動(dòng)脈通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，據(jù)此對(duì)微導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)塑形，結(jié)果良好，其中并發(fā)癥方面，除一例因術(shù)中大腦中動(dòng)脈受損而致蛛網(wǎng)膜下腔出血外，其余9例無(wú)并發(fā)癥發(fā)生；在穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性上，全部效果滿意。

1.1.3 應(yīng)用于動(dòng)靜脈畸形 動(dòng)靜脈畸形(AVM)是一種先天性血管畸形，是指AVM中供血?jiǎng)用}的動(dòng)脈血液不經(jīng)毛細(xì)血管床而直接匯入引流靜脈，它本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往醫(yī)師對(duì)疾病的了解限于對(duì)二維圖片的解讀，由于血管間的重疊，對(duì)供血?jiǎng)用}、畸形團(tuán)以及引流靜脈判斷準(zhǔn)確性不夠。3D打印出的實(shí)體模型可直觀觀察，并能分析病變及其與周圍組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，讓手術(shù)醫(yī)師全面真實(shí)地了解動(dòng)靜脈畸形團(tuán)結(jié)構(gòu)，確定最佳的手術(shù)方案，節(jié)省術(shù)者在獲取DSA資料后至開(kāi)始進(jìn)行手術(shù)治療所需的時(shí)間，也同時(shí)明顯縮短了患者麻醉以及整個(gè)手術(shù)時(shí)間，節(jié)省相關(guān)術(shù)中等待的醫(yī)療費(fèi)用，并能降低額外的麻醉以及手術(shù)的意外和風(fēng)險(xiǎn)。Thawani等[25]利用3D打印技術(shù)將動(dòng)靜脈畸形模型打印出來(lái)，研究解剖特點(diǎn)以及血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，提高了醫(yī)師對(duì)于復(fù)雜動(dòng)靜脈畸形的理解能力。廣東省人民醫(yī)院神經(jīng)外科陳光忠教授[26]應(yīng)用 AVM 實(shí)體模型指導(dǎo)與患者及其家屬的術(shù)前談話及手術(shù)方案設(shè)計(jì)，并與對(duì)照組結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，顯示3D打印模型可以幫助術(shù)者更加直觀地了解畸形團(tuán)空間構(gòu)筑學(xué)特征，指導(dǎo)術(shù)者進(jìn)行手術(shù)方案的制定，同時(shí)應(yīng)用3D打印實(shí)體模型可提高與AVM患者術(shù)前談話效率及患者滿意度。

1.2 應(yīng)用于假體置入 目前針對(duì)神經(jīng)外科中假體置入，主要應(yīng)用于顱骨缺損。顱骨缺損是顱腦損傷、腦血管意外、顱內(nèi)腫瘤常見(jiàn)的術(shù)后遺留問(wèn)題[27]，由于患者顱骨的保護(hù)功能受損，進(jìn)而可能引發(fā)患者出現(xiàn)各種神經(jīng)系統(tǒng)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(wǎng)，是根據(jù)個(gè)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(wèn)題是材料是貴金屬，患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重，且生產(chǎn)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、材料利用率低。目前已能利用3D技術(shù)改變這一局面，利用可置入材料通過(guò)3D打印機(jī)打印出缺損顱骨模型，經(jīng)過(guò)消毒后可直接手術(shù)置入身體內(nèi)，精確契合缺損部位，恢復(fù)自然外觀的效果，患者滿意度得以提升。2013年3月美國(guó)神經(jīng)外科醫(yī)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(jìn)行了手術(shù)治療，這是獲得美國(guó)食品和藥物管理局許可后進(jìn)行的第一例3D打印顱骨修補(bǔ)手術(shù)[29]。紀(jì)玉桂等[30]對(duì)23例顱骨纖維結(jié)構(gòu)不良患者利用3D打印技術(shù)，快速成型制作出鈦板模型，利用醫(yī)用鈦合金制造個(gè)體化修復(fù)塊，并將此植入缺損區(qū)域，具有良好的適配性，術(shù)中無(wú)需修正、鈦釘固定即可。術(shù)后隨訪修復(fù)體位置滿意、形態(tài)良好，無(wú)感染現(xiàn)象發(fā)生。此方法簡(jiǎn)化手術(shù)操作，縮短了手術(shù)時(shí)間，臨床效果滿意。其次，復(fù)合植入體(細(xì)胞與植入體)具有生物相容度好，植入后不變形以及并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，它是一個(gè)階段性的產(chǎn)品并且能夠相對(duì)滿足臨床所需要的材料，有待于進(jìn)一步的時(shí)間驗(yàn)證和后期推廣。Guillemot 等[31]將細(xì)胞和生物材料通過(guò)激光3D打印系統(tǒng)直接打印在實(shí)驗(yàn)小鼠顱骨缺損部位獲得成功，對(duì)顱骨缺損的病人將又是一大福音。

2 不 足

雖然3D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有工業(yè)革命意義的新興制造技術(shù)，有著各種各樣的優(yōu)點(diǎn)，但也面臨多方面的挑戰(zhàn)與不足。

2.1 打印時(shí)間長(zhǎng)與原料成本高 利用3D打印機(jī)打印模型所需時(shí)間較長(zhǎng)，且成本高，因此對(duì)于急診病例，往往不能夠利用此技術(shù)，例如，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂出血，行DSA或者CTA檢查后建立3D模型，Kimura等[32]報(bào)道，時(shí)間需要3～7 d，花費(fèi)在300～400美元?；颊咴诖藭r(shí)間段內(nèi)可能出現(xiàn)二次出血導(dǎo)致死亡或者重殘等情況，故目前對(duì)急診利用率較低。但是隨著技術(shù)的不斷前進(jìn)，打印的時(shí)間會(huì)逐漸縮短，成本亦會(huì)逐漸降低。

2.2 材料的制約 醫(yī)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(guó)內(nèi)尚缺乏關(guān)于3D打印材料的標(biāo)準(zhǔn)，因此現(xiàn)在3D打印材料主要依賴于進(jìn)口，制約了其一定程度的發(fā)展。

2.3 精細(xì)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(shù)的影響。比如沿水平方向走行的細(xì)小血管(如穿支動(dòng)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(xué)設(shè)備的發(fā)展及后期圖像處理技術(shù)的提高，精細(xì)問(wèn)題有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)得以解決，可以更好的顯示一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，如穿支動(dòng)脈。

3 應(yīng)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(shù)在科研和臨床中的推廣應(yīng)用，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，當(dāng)前面臨的問(wèn)題有望被一一攻克[34]?？梢灶A(yù)期3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用方面還能夠發(fā)揮更大空間和作用，并能夠在神經(jīng)修復(fù)、生物治療上面取得新的進(jìn)展，在未來(lái)的研究中尚需進(jìn)一步發(fā)展與完善。此外3D打印技術(shù)定制性強(qiáng)的特點(diǎn)將為個(gè)性化醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)提供有利條件，這就意味著，隨著科技的不斷發(fā)展與完善，患者將享受到更加優(yōu)質(zhì)的個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)?？傊?，我們相信3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)有更為廣闊的前景。

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(2016-07-13收稿 2017-01-04修回)

(責(zé)任編輯 梁秋野)

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周 磊，碩士研究生，主治醫(yī)師。

100039 北京，武警總醫(yī)院神經(jīng)血管外科

毛更生，E-mail:mclxmgs@126.com