3D打印在神經(jīng)外科應(yīng)用的新進(jìn)展

劉鎮(zhèn)楠 李文政 王東 岳樹源

3D打印自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)后便很快應(yīng)用于各行各業(yè)，3D打印的核心原理為“分層制造，逐層疊加”，打印原理包括立體光固化成型法、熔融沉積造型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、分層實(shí)體制造、三維粉末粘接、選擇性激光燒秸工藝等[1]。目前已廣泛應(yīng)用于軍事、航天、汽車、建筑、醫(yī)藥等領(lǐng)域。當(dāng)然，在神經(jīng)外科，3D打印也是大有用武之地，腦是人體最復(fù)雜的器官，顱腦手術(shù)也是人體難度相對(duì)較高，較復(fù)雜的手術(shù)，近年來3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一定意義上帶動(dòng)了神經(jīng)外科發(fā)展，同仁們進(jìn)行了許多探索。本文就近年來3D打印在神經(jīng)外科領(lǐng)域的新進(jìn)展與突破作一綜述。

一、3D打印與顱骨修補(bǔ)及畸形修復(fù)

顱腦外傷術(shù)后或某些擇期術(shù)后通常會(huì)遺留顱骨缺陷問題。以往用于修補(bǔ)的顱骨材料常運(yùn)用三維數(shù)字化成型技術(shù)合成，技術(shù)已相對(duì)成熟，但其產(chǎn)品不能完全契合臨床，術(shù)中往往需要術(shù)者進(jìn)行微整塑形。隨著3D打印技術(shù)的興起，由于其能精確精美地制作出匹配患者顱骨缺損的植入體，減少手術(shù)時(shí)間，縮短患者住院時(shí)間，近年的臨床應(yīng)用也越來越多。Park等[2]于2013年至2015年為21例患者利用3D打印制作顱骨修復(fù)假體，效果良好。Abdel等[3]以聚甲基丙烯酸甲酯為原材料為3例患者（神經(jīng)膠質(zhì)瘤術(shù)后左前額顱骨缺陷患者1例，創(chuàng)傷性顱腦損傷后并發(fā)硬腦膜瘺和雙側(cè)膿腫患者1例，聚醚醚酮顱骨修復(fù)1年后感染的骨質(zhì)缺損面積巨大患者1例）打印假體后進(jìn)行顱骨修補(bǔ)，術(shù)程順利，效果滿意。小兒由于其進(jìn)行性頭圍擴(kuò)大等特點(diǎn)，為減少甚至避免再次手術(shù)，其制作工藝及可延展材料的選擇一度引起熱議。Maduri等[4]為1例3歲患兒行顱骨修補(bǔ)術(shù)，聯(lián)合導(dǎo)航與3D打印制作自體皮瓣吸收型羥基磷灰石多孔陶瓷瓣，證實(shí)了這樣可改善顱骨成形精度。某些擇期手術(shù)后或者某些腫瘤累及顱底相關(guān)骨質(zhì)后，有出現(xiàn)腦脊液鼻漏或者耳漏等情況的可能。Ahmed等[5]利用3D打印顳骨模型經(jīng)中顱窩入路修復(fù)顱底缺損和自發(fā)腦脊液漏（Tegmen缺陷），效果良好，無術(shù)后并發(fā)癥。巨大泌乳素腺瘤在經(jīng)藥物治療后有出現(xiàn)腦脊液漏的可能，在多次修補(bǔ)不完全及腦室-腹腔分流術(shù)后無效時(shí)，1∶1模型可以提示臨床醫(yī)師腦脊液滲漏部位所在，增加其對(duì)解剖的理解，輔助顱底修補(bǔ)，增加手術(shù)成功率[6]。對(duì)于先天顱骨畸形的患者，近年來相關(guān)的應(yīng)用也并不少見。Coelho等[7]結(jié)合3D打印技術(shù)為1例先天性額篩骨腦膜腦膨出患者進(jìn)行個(gè)性化修復(fù)，效果滿意。

Chiari畸形，又稱Arnold-Chiari綜合征，指小腦下部或同時(shí)有腦干下部和第四腦室之畸形，向下作舌形凸出，并越過枕骨大孔嵌入椎管內(nèi)。臨床醫(yī)師制作聚酰胺-顱縫早閉3D打印模型，術(shù)前可增加對(duì)解剖的理解并模擬手術(shù)，輔助制定手術(shù)計(jì)劃。術(shù)者綜合考慮假關(guān)節(jié)的存在、關(guān)節(jié)的傾斜度、不同椎弓根的大小及椎動(dòng)脈走向等因素進(jìn)行3D模型制作，具有高保真度，增加了解剖理解，保證了手術(shù)效果[8]。

二、3D打印與腦血管病

（一）顱內(nèi)動(dòng)脈瘤

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂屬神經(jīng)外科急重癥，需要入院后盡快干預(yù)，爭(zhēng)分奪秒。近年來，有關(guān)3D打印在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)極高，年輕醫(yī)師動(dòng)手機(jī)會(huì)極少，程序性手術(shù)訓(xùn)練和尸體解剖訓(xùn)練成本高昂，且含特定病變的尸體源數(shù)量有限，而運(yùn)用3D打印機(jī)可打印出分支最小直徑為1 mm的血管，血管模型的最小壁厚度可達(dá)0.45 mm[9]。Konno等[10]運(yùn)用小型3D打印機(jī)，結(jié)合快速切割技術(shù)運(yùn)用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂完成了16例小型動(dòng)脈瘤打印，其中制作模型平均耗時(shí)67 min，加上手術(shù)時(shí)間平均耗時(shí)247 min，而其成本也減少至194日元，在保證時(shí)間及成本的基礎(chǔ)上更快更好地指導(dǎo)手術(shù)，完成了動(dòng)脈瘤的治療。對(duì)于基底動(dòng)脈尖端動(dòng)脈瘤，Kaneko等[11]以聚二甲基硅氧為材料運(yùn)用3D打印技術(shù)為患者制作DSA模型，考慮到復(fù)雜血液流動(dòng)產(chǎn)生的壓力對(duì)瘤體穩(wěn)定性的影響，因此進(jìn)行體外模擬，由此說明其可作為一種新的方法來研究復(fù)雜動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)或者破裂的情況，在一定程度上指導(dǎo)臨床治療。目前醫(yī)學(xué)界制作的動(dòng)脈瘤模型多為實(shí)心硬質(zhì)，跟真實(shí)動(dòng)脈差異較大，并不能很好的模擬手術(shù)介入或夾閉等。Abla和Lawton[12]研究3D打印空心顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型，實(shí)體動(dòng)脈瘤模型一般可2 h內(nèi)制作完成，而空心動(dòng)脈瘤則需14～24 h。動(dòng)脈瘤手術(shù)模擬不僅會(huì)增加一個(gè)神經(jīng)外科醫(yī)師的技術(shù)技能，也會(huì)通過避免手術(shù)錯(cuò)誤和改進(jìn)手術(shù)來保證患者安全。

（二）顱內(nèi)動(dòng)靜脈畸形

顱內(nèi)動(dòng)靜脈畸形（arteriovenous malformations，AVMs）又稱腦血管瘤、血管性錯(cuò)構(gòu)瘤及腦動(dòng)靜脈瘺，無論是出于增加年輕醫(yī)師解剖理解，輔助制定手術(shù)計(jì)劃，還是與家屬的溝通，同仁們付出許多努力。墨西拿大學(xué)醫(yī)師運(yùn)用三維旋轉(zhuǎn)血管造影技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)加深對(duì)AVMs解剖的理解，測(cè)量并計(jì)算模型的目標(biāo)血容量，從而評(píng)估手術(shù)可能性，并將模型應(yīng)用于AVMs的介入治療中[13]。國內(nèi)有研究應(yīng)用3D打印技術(shù)，比較了CT薄掃增強(qiáng)與3D-DSA數(shù)據(jù)源在顱內(nèi)動(dòng)靜脈畸形數(shù)據(jù)重組的效果[14-15]?；?56層螺旋CT薄層增強(qiáng)掃描數(shù)據(jù)的3D打印可獲取顱骨及血管的圖像信號(hào)，能顯示最小直徑為0.9 mm的血管，但AVM內(nèi)部的細(xì)支結(jié)構(gòu)難于分辨；基于3DDSA數(shù)據(jù)的3D打印，無顱骨數(shù)據(jù)信息，但血管分支情況顯示更豐富，可顯示最細(xì)直徑為0.5 mm的血管，而上述二者均有助于術(shù)前治療方案的設(shè)計(jì)及相應(yīng)輔助工具的開發(fā)。同時(shí)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，輔助手術(shù)治療方案的制定，同時(shí)可提高與AVM患者及家屬的談話效率和滿意度。但是，目前對(duì)于病變供血?jiǎng)用}與引流靜脈的區(qū)分建模方面仍有一定的難度，仍需后期人工加工，并帶有一定的主觀性，這是今后急需解決的問題。

三、3D打印與顱底外科

顱底解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置深在，但當(dāng)發(fā)生顱內(nèi)占位時(shí)，常因腫物的推擠作用使上述正常的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化?？八_斯大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科學(xué)者運(yùn)用3D打印技術(shù)輔助確定巖斜區(qū)腦膜瘤患者的手術(shù)入路[16]。相對(duì)于3D術(shù)前模型，術(shù)前成像所能明確的腫瘤周圍的毗鄰關(guān)系是相對(duì)局限的，證實(shí)了三維建模對(duì)于接近巖壁腫瘤并確定個(gè)體化手術(shù)入路是有利的。日本神經(jīng)外科醫(yī)師率先采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)快速原模型技術(shù)制備顱底腫瘤模型（包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)快速原型模型），由不透明材料組成網(wǎng)狀顱底腫瘤，相關(guān)可視化區(qū)域比普通模型更深，腫瘤、頸內(nèi)動(dòng)脈、基底動(dòng)脈和腦干在模型中的位置關(guān)系更為明顯[17]。這種方法可能適用于各種基于3D打印的手術(shù)模擬。在顱底疾病中，醫(yī)生可根據(jù)患者術(shù)前3D打印模型評(píng)估手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)，選擇最佳手術(shù)入路，預(yù)判術(shù)中重要神經(jīng)血管位置，減少盲目探查所造成的顱腦損傷，提高手術(shù)的精準(zhǔn)性，真正地實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療。隨著近年多模態(tài)融合3D打印技術(shù)的發(fā)展，如能更直觀、全面的顯示病變信息，且能在模型上模擬開顱及切除腫瘤的過程，可有助于評(píng)估手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)，從而使得術(shù)前討論與制定手術(shù)方案更有針對(duì)性。中南大學(xué)湘雅醫(yī)院利用自主研發(fā)的E-3D數(shù)字化醫(yī)療三維系統(tǒng)，結(jié)合3D打印技術(shù)，將1例患者復(fù)雜的顱底腫瘤及周圍組織等比例打印，在術(shù)前通過全仿真模型，對(duì)手術(shù)進(jìn)行入路設(shè)計(jì)，最終精準(zhǔn)的將腫瘤全部切除，患者術(shù)后恢復(fù)良好[18]。南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院神經(jīng)外科應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助顱底外科手術(shù)9例，其中腦膜瘤6例，神經(jīng)鞘瘤1例，表皮樣囊腫1例，多發(fā)動(dòng)脈瘤1例，采用FDM技術(shù)進(jìn)行打印，根據(jù)對(duì)三維重建的顱底疾病模型的觀察及模擬手術(shù)操作，優(yōu)化手術(shù)策略，術(shù)后患者均恢復(fù)良好，未發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥及死亡病例[19]。

四、3D打印與脊柱神經(jīng)外科

3D打印技術(shù)的興起及在脊柱外科方面的應(yīng)用，讓錯(cuò)綜復(fù)雜的二維關(guān)系變?yōu)榭捎|及的實(shí)物，這無疑是一種歷史性跨越。國際和國內(nèi)脊柱學(xué)界紛紛采用此項(xiàng)技術(shù)，造?；颊?。Choy等[20]最近為1例14歲女性T9疾患的患者打印鈦合金假體，使用假體重建第九胸椎，切口迅速愈合達(dá)到了解剖學(xué)復(fù)原并恢復(fù)生理功能，預(yù)后良好。Liew等[21]利用50 h為2例脊柱疾患的患者分別制作3D模型，將制作成本大約150英鎊，并運(yùn)用此模型作教學(xué)用，對(duì)12名住院醫(yī)師進(jìn)行解剖及手術(shù)教學(xué)，并用于術(shù)前談話。這在一定程度上增加了年輕醫(yī)師及患者家屬對(duì)手術(shù)的理解，減少了盲目及不必要的糾紛。Mobbs等[22]為2例復(fù)雜脊柱病變患者（1例為C1/C2脊索瘤術(shù)后行脊椎修復(fù)重建，1例為先天性脊柱畸形的修復(fù)）制定了3D手術(shù)計(jì)劃及個(gè)性化植入物設(shè)計(jì)，其中經(jīng)放射學(xué)隨訪顯示分別在9個(gè)月和12個(gè)月時(shí)成功融合。此外，3D打印還應(yīng)用于釘?shù)缹?dǎo)板輔助椎弓根精確置打和截骨導(dǎo)板輔助截骨減壓范圍的精確劃定[23]。目前我國神經(jīng)外科的脊柱外科工作正處于重要的發(fā)展階段，規(guī)范、穩(wěn)妥、謹(jǐn)慎地開展工作值得提倡。與X-ray、CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料相比，3D打印實(shí)體脊柱模型可以提供更加詳細(xì)、直觀、立體的解剖學(xué)信息。醫(yī)師可以通過3D打印模型更加直觀地觀察分析脊柱解剖結(jié)構(gòu)，從而極大地提高了臨床醫(yī)師對(duì)復(fù)雜脊柱疾病空間解剖結(jié)構(gòu)的理解，進(jìn)而做出更加精確的疾病診斷，并且可以幫助學(xué)生更好得理解脊柱外科相關(guān)疾病的解剖結(jié)構(gòu)及發(fā)病機(jī)制，幫助患者及家屬了解所患疾病[24]。

五、3D打印與神經(jīng)外科教學(xué)

低年資神經(jīng)外科醫(yī)師幾乎沒有神經(jīng)外科經(jīng)驗(yàn)，參加神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)會(huì)少。神經(jīng)外科疾病較為復(fù)雜，多數(shù)疾病位于頭顱及脊柱結(jié)構(gòu)內(nèi)，臨床及影像學(xué)表現(xiàn)復(fù)雜多樣，在短時(shí)間內(nèi)不能建立三維立體結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，深入學(xué)習(xí)時(shí)難度增大，甚至不能將影像與病變部位相結(jié)合去認(rèn)識(shí)疾病，所以對(duì)授課醫(yī)師和學(xué)員是很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的授課模式無法確實(shí)解決規(guī)培醫(yī)師及低年研究生在神經(jīng)外科學(xué)習(xí)中面臨的空間三維意識(shí)欠缺、影像學(xué)認(rèn)識(shí)混亂，影像學(xué)表現(xiàn)與術(shù)中表現(xiàn)不能統(tǒng)一等實(shí)際問題[25]。利用3D打印技術(shù)結(jié)合臨床對(duì)神經(jīng)外科醫(yī)師進(jìn)行教學(xué)，提高神經(jīng)外科醫(yī)師學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)神經(jīng)外科醫(yī)師空見思維能力，使其快速掌握常規(guī)手術(shù)入路。國外有學(xué)者運(yùn)用3D打印硬腦膜靜脈竇、翼腭窩等來增加住院醫(yī)師對(duì)解剖的理解，從而增長(zhǎng)臨床經(jīng)驗(yàn)[26-27]。Weinstock等[28]運(yùn)用3D打印建立一個(gè)基底動(dòng)脈，腦室，和腦脊液兼具的新型微創(chuàng)神經(jīng)外科模擬器——小兒腦積水顱腦模型，住院醫(yī)師于其上進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練，可以使年輕醫(yī)師增長(zhǎng)寶貴的手術(shù)技巧及經(jīng)驗(yàn)。3D打印在模擬手術(shù)訓(xùn)練方面有很大的潛力，但在手術(shù)訓(xùn)練所取得效益大小仍有待考證，因此3D技術(shù)及評(píng)估工具勢(shì)在必行。

六、應(yīng)用展望與思考

3D打印技術(shù)帶來的變化或許將改變整個(gè)醫(yī)療行業(yè)面貌，其在未來還有多種應(yīng)用可能，如運(yùn)用3D打印機(jī)打印顱骨細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)合聚己內(nèi)酯支架刺激顱骨再生，用于顱面再生，以及采用3D打印技術(shù)來制作細(xì)胞化的生物導(dǎo)管，輔助周圍乃至中樞神經(jīng)再生[29-30]。這些都讓某些因病偏癱甚至畸形的患者看到重生的希望。通過3D打印創(chuàng)建病理實(shí)體模型并應(yīng)用于神經(jīng)外科術(shù)前計(jì)劃，可以節(jié)省手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)效果，還可應(yīng)用于手術(shù)技能培訓(xùn)，并有望將打印成本控制在手術(shù)總費(fèi)用的20%以內(nèi)[31-32]。但此項(xiàng)技術(shù)仍處于研究發(fā)展階段的初級(jí)階段，仍有許多問題亟待解決：（1）時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本高；（2）缺乏病變周圍詳細(xì)信息及不能打印血管內(nèi)部具體情況；（3）打印材料多局限于化學(xué)聚合物材料，缺乏理想的打印材料；（4）專業(yè)人才的缺乏等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，3D打印想要在神經(jīng)外科領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，需要多領(lǐng)域的合作及長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃?；诖耍P者建議：（1）臨床醫(yī)生與3D打印專業(yè)人員的交流合作，根據(jù)臨床需要，設(shè)計(jì)和打印出能輔助臨床工作的產(chǎn)品，并逐步形成基礎(chǔ)研究-臨床前研究-臨床研究的發(fā)展模型；（2）注重兼?zhèn)溽t(yī)學(xué)知識(shí)及3D打印技術(shù)的復(fù)合型人才培養(yǎng)；（3）國家和政府也應(yīng)該增加相關(guān)方面的研究力度及醫(yī)療投入，鼓勵(lì)3D打印產(chǎn)品開發(fā)與研究。經(jīng)過各方面共同努力才能實(shí)現(xiàn)真正的醫(yī)療進(jìn)步、醫(yī)學(xué)大變革。