打印技術在神經外科的應用進展范文

本站小編為你精心準備了打印技術在神經外科的應用進展參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《臨床普外科電子雜志》2017年第2期

【摘要】3D打印技術是一種利用計算機軟件、新型打印材料及打印設備共同發展的快速成型技術。隨著3D打印技術的發展，從初期制造業的革命性創造到如今在醫療領域尤其是臨床應用方面受到越來越多的關注。從臨床手術模型、醫療器械模型、人體解剖組織模型、植入修補材料到義肢生物打印等方面均有報道，在神經外科疾病診治方面逐漸展現出獨特的優勢。本文就3D打印技術在神經外科中的應用現狀相關文獻進行歸納分析。

【關鍵詞】3D打印；三維重建；神經外科

3D打印技術，又稱快速成型技術（rapidprototyping）或增材制造技術（additivemanufacturing），通過計算機軟件“分層制造、逐層疊加”掃描圖像模擬立體形態，利用粉末、液態塑料或液態金屬等可黏合材料打印構造物理模型的一種快速新興技術。目前3D打印技術在外科手術領域運用較為活躍，立體解剖模型速度快、精準度高，能幫助術者從術前規劃、術前溝通到精準立體的模擬手術操作過程。其運用的領域包括頜面外科、口腔科、神經外科、整形外科、骨科、肝膽腹腔手術等方面［1-3］。而神經系統解剖結構的復雜性，使得腦外科手術在所有外科系統中難度較大、要求較為精細。失之毫厘差之千里，根據患者個體情況選擇最適合的手術路徑和手術操作是非常必要的。因此，進行準確、直觀和個體化的手術計劃及模擬是神經外科發展的需要，而3D打印技術被寄予厚望。

13D打印在神經外科中的應用

1.1顱腦腫瘤手術

通過三維影像重建掃描技術可較為直觀地顯示顱腦腫瘤的位置、大小及鄰近重要血管、神經、顱骨的組織解剖關系，使術者獲得更豐富的空間立體圖像信息，更加熟悉手術操作流程，包括體位擺放、顱頸屈曲旋轉角度、手術入路、皮膚切口、鉆孔深淺、腫瘤暴露方法、切除程度以及應急預案等詳細的手術計劃。2013年中南大學湘雅醫院［4］全球首例3D打印輔助復雜顱底腫瘤切除術成功，術前通過收集詳細影像學資料，利用自主研發的E⁃3D數字化醫療三維設計系統，將顱底腫瘤及周邊毗鄰組織結構的復雜形態、不同質地和密度均實現了1∶1精確復制，手術效果良好，術后恢復較快。孫濤等［5］對垂體瘤伴囊變的患者行頭顱CT血管成像（CTangiography，CTA）、3.0T磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）檢查獲得的醫學數字成像及通信（digitalim⁃agingandcommunicationsinmedicine，DICOM）數據，計算機進行立體模擬建模，而后打印出三維重建模型，根據反映的信息，術中準確定位腫塊，避開主要血管，完整切除腫塊，手術時間大為縮減。術中發現：腫瘤大小邊界清，腫瘤周圍結構解剖關系與重建設計圖和打印模型一一對應，縮短了手術時間，術中輸血400mL。劉宇清等［6］通過對3例大腦鐮旁腦膜瘤患者進行3D可視化復合實體解剖模型的建立，清晰顯示腦膜瘤與顱骨、大腦鐮、上下矢狀竇及周邊重要動靜脈血管的解剖關系，術中根據腦膜瘤實體解剖模型指導定位與操作，避開重要組織，患者均達到SimpsonⅠ級切除，術后恢復良好，手術成功。鄧仕鳳等［7］通過3D打印技術成功切除1例巖斜區巨大血管周細胞瘤，術前制定了通過磨除顱底骨質廣泛顯露腫瘤的入路方案，模擬顳骨乳突和后內側三角（Kawase三角）的磨除范圍及深度，通過術中證實高度一致，最終全切腫瘤，術后8個月隨訪腫瘤無復發，術后未遺留神經功能障礙。WARAN等［8］利用3D打印技術制造的腦室系統模型，具有彈性的腦室壁，模擬腦脊液流動和出血，進行液體系統的導入。TAI等［9］采用分層次、多材料打印的腦室穿刺模型可模擬手術入路、皮膚切口及顱骨鉆孔位置和硬腦膜切開等，通過外接的液體管道系統控制腦室內壓力。利用3D打印技術模擬出的腫瘤實體模型，尤其對顱內深部或靠近大血管的腫瘤，能將矢狀竇、乙狀竇、橫竇、重要血管以及腫瘤等結構投射到顱骨或頭皮上，可與神經導航結合，接受DICOM格式和光固化立體造型術（stereolithography，STL）格式數據，術時通過做好的3D虛擬模型數據復制到神經導航上直接使用，提高效率，對手術實施更有指導意義。

1.2顱腦血管病

3D打印技術對顱腦血管有較好的模擬度，通過3D模型對術前影像進行三維實物重現，了解血管畸形團空間構筑學特征，制定手術方案，同時實時監測血管內介入治療或顯微外科手術中病灶栓塞或切除的程度，殘留畸形團的位置及其與供血動脈與引流靜脈間的關系，以及病變與周圍組織結構的關系，幫助實現精準醫療。MASHIKO等［10］制作出了有彈性的中空血管模型，這種中空模型的精確性得到國際驗證。ANDERSON等［11］進一步改進了中空血管模型，通過比對中空血管模型和數字減影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）數據上動脈瘤的最大直徑，兩者無統計學差異，增加了模擬的真實性，是目前打印中空血管模型的主流方法。NAMBA等［12］通過3D打印技術，成功地在顱內血管介入治療中進行微導管塑形，取得滿意結果。3D⁃CTA已廣泛應用于臨床，成為國內排查顱內動脈瘤的首選檢查方法［13］。福建醫科大學劉宇清等［14］對4例顱內動脈瘤患者顱腦CTA所得的DICOM數據，針對顱骨、血管采用不同的分割方法進行數據信息提取和重建，優化處理后經3D打印技術進行實體化，制作動脈瘤解剖模型，通過模型進行術前預案的制定及術時輔助手術定位與實施，手術均獲得成功。廣東省人民醫院陳光忠等［15］對顱內動靜脈畸形患者采用256層螺旋CT薄層增強掃描或3D⁃DSA旋轉成像，提取檢查結果的DICOM原始數據，應用薄層數據逐層掃描獲取患者三維數據，通過Mimics14.01軟件進行數字化數據提取和重建，并按1∶1比例進行3D打印制作，獲得實體模型。目前3D打印技術在顱內血管重建及動脈瘤夾計劃放置位置等方面具有廣闊應用前景，但是由于打印材料的限制，治療過程中血管、腦組織的移位及形變在模型中體現困難，顱腦腦血管的打印技術尚未深入開展，尤其對于破裂動脈瘤或不規則管壁的模擬尚無相關報道。

1.3顱骨創傷及修補

外力作用下（各種外傷、撞擊等）頭部運動狀態突然變化，腦組織與顱骨之間，不同的腦結構之間發生碰撞、剪切，顱骨損傷部位和程度均有不同表現，其中創傷性顱腦損傷（traumaticbraininjury，TBI）合并顱骨骨折會增加腦卒中的發生概率，故盡早明確是否合并存在骨折及損傷的具體情況尤為重要。其中顱底骨折并不少見，普通平片顯示骨折線的概率不超過50%，而多層螺旋CT在空間解剖方面的顯示存在局限，對于復雜骨折的骨折線走向、累及范圍難于明確。而顱骨3D圖像彌補了前者的不足，通過圖像的三維重建，能立體、直觀地顯示骨折的位置、骨折線走向、長短和累及范圍，包括是否影響靜脈竇、腦膜中動脈、腦皮質等重要功能區，對于術式的選擇路徑具有重要意義。柳少光等［16］對300例急性顱腦外傷患者傷后6h內均行多層螺旋CT及顱骨3D圖像重建檢查，并對上述兩種檢查進行統計學分析得出3D圖像重建檢查有較高的特異性及敏感性，具有可靠的臨床價值。頭部受到直接暴力或對沖性損傷時容易形成顱內血腫，個體差異較大，根據不同的發作機制血腫位置、形態各異，且多伴有其他部位損傷，難以承受開顱手術的創傷。傳統治療方案中血腫量幕上>30mL，中線結構移位>1cm，伴有嚴重的意識障礙才考慮手術治療，但即使有些患者發病初期未達到手術指針，但保守治療期間隨時可能會出現病情的惡化，從而錯過最佳治療時機。即使病情平穩，待血腫自然吸收需要較長的住院時間，給患者及家屬帶來經濟及精神雙重負擔。相建等［17］通過構建符合患者個體特征的顱內血腫三維圖像，術前置于術區定位，術中通過穿刺孔道置入引流管，控制穿刺深度，術后復查顱腦CT觀察引流管末端位置。通過術前三維圖像的構建避開重要顱腦血管及功能區，從而簡化手術過程，大幅度降低了外傷性顱內血腫穿刺的創傷風險。重度顱腦損傷、大量腦出血時經常需要去骨瓣減輕顱內壓，后期需進行缺損顱骨修補。隨著科技的發展，修補方法也經過了多次改進。自體骨組織移植術雖可以取得一定療效，無組織排異反應，但需損壞其他部位的健康骨組織，可導致并發癥及附加損傷，后期發展為骨水泥、有機玻璃等無機材料，但是由于存在不同程度的排異反應、皮下膿腫、材料感染等并發癥以及塑形困難等不足之處，已逐漸被電腦塑形鈦網等其他新型材料所替換。另外根據個體顱骨缺損部位模型制作貴金屬假體，耗費時間長、材料利用率低，造成生產產品的費用較高，加大了患者的經濟負擔。而3D打印技術可根據計算機三維成像利用3D材料直接打印產品，降低構造成本，縮短生產時間，簡化繁瑣工序，更重要的是生產單件產品和批量生產的單價相同，降低了患方的經濟壓力，醫患雙方均能接受［18］。目前國外相關報道指出通過3D技術重建需要修補部位的顱骨模型，利用可植入材料直接打印，對缺損部位可進行永久置換［19］。2013年美國神經外科醫師用聚合物3D打印了一名男性患者75%的顱骨并成功實施了顱骨修補手術［20］，這是首例獲得美國食品和藥物管理局許可后進行的顱骨修補手術，術后恢復良好。GUILLEMOT［21］通過激光3D打印系統利用細胞和生物材料直接逐層掃描打印小鼠顱骨缺損部位并獲得成功。

1.4腦組織空腔支架

創傷性顱腦損傷導致的神經組織缺損可能會形成神經瘢痕空腔，由此形成的物理和化學屏障抑制軸突再生，影響神經再生功能，不利于患者生活質量恢復。顆粒瀝濾和溶劑蒸發等常規方法制備的空腔支架在神經修復中的作用已被證實［22-23］，但大多采取固定模式進行統一化生產，故單一化的外部輪廓不能與特異化的損傷部位吻合，隨機化的內部結構會阻礙營養物質的運輸，并限制神經細胞遷移和生存。此外支架材料的降解性也是一個需要考慮的重要因素，支架材料降解率與腦組織修復速度相適應不可忽視［24］。組織工程及神經科在發展中不斷融合，研究能夠填補腦組織缺損的生物替代品成為了熱點，這為臨床上TBI后腦組織缺損修復提供了新的思路和方向［25-26］。符鋒等［27］通過建立成年雄性SD大鼠TBI模型，結合基于MRI數據的三維重建及3D打印技術定制的空腔支架與大鼠腦組織缺損空腔外形相近，細胞外基質拓撲結構可通過內部正交叉結構模擬，利用膠原-殼聚糖復合物作為打印材料，為創傷性顱腦損傷后腦組織空腔的支架修復研究提供了一種新思路。國外研究［28］指出利用SD大鼠制造TBI模型，清除TBI后可能會因細胞組織水腫、繼發性出血、軟化灶形成等而導致組織空腔發生變化，動態觀測大鼠空腔改變，找到支架制備和植入的最佳時間點也是很重要。2014年浙江省神經外科學術年會上徐弢等［29］在報告中指出通過利用生物3D打印機，模擬人體組織微觀結構，采用新型可全降解復合材料，打印納米纖維支架，構建神經外科領域的軟組織修復組織工程。通過電鏡掃描顯示軟組織支架微觀具仿生3D多孔纖維結構，較傳統膠原類材料更利于細胞生長爬行，促進組織支架恢復，利于軟組織修復。

1.5臨床教學

現代神經外科得快速發展，亞專業分科越來越細，由于神經系統的解剖復雜性，傳統的教學模式并不能使年輕醫師更好地掌握手術技能，而醫患矛盾的日益緊張使住院醫師在現代神經外科手術中的實戰訓練機會卻越來越少［30-31］。如果利用3D打印技術1∶1精細還原打印出這些細微結構，立體地展現在學生面前，將大大提高學習效率。西安交通大學附屬醫院對15位專科規培醫師進行3D打印互動教學，規培醫師授課全部采用基于數字及3D打印技術的教學互動方式，與傳統教學組相比在教學方式、空間思維能力、學習興趣及對臨床理論理解方面具有較高的滿意度［32］，同時3D打印互動教學組的臨床理論考核及實踐技能成績均明顯高于傳統教學組，兩組比較差異有統計學意義（P＜0.05）。浙江工業大學李永強［33］設計并開發了Unity3D的神經外科虛擬手術訓練軟件，能夠提高虛擬手術過程的高仿真度，對手術過程進行實時渲染。首都醫科大學附屬潞河醫院神經外科用3D打印技術制作三維立體顱內動脈瘤模型［34］，高度仿真出患者顱內動脈瘤實體模型，借助該模型，年輕的規培醫師可以在相對安全可控的操作環境中，全方位觀摩學習復雜顱內動脈瘤等腦血管疾病的解剖模型，從而對顱腦手術方案及相關手術技巧有所理解。通過3D打印直接復制特定患者解剖及病理結構的獨特方法，模擬訓練能了解組織解剖結構的細節，還可在電腦工作站中進行3D模型制作［35］，在神經外科實踐訓練中具有強大的潛力，目前在臨床上應用主要包括手術計劃制定、術前教學及模擬手術。3D打印模型還可在術前用于對患者進行術前宣教及手術知情同意的講解與溝通。

2不足與展望

目前3D技術在神經外科領域的應用還存在不足之處：構建分割模型過程繁瑣。軟組織信號強弱不均，需要大量繁瑣的人工后期修補，尤其是血管等中空組織，當造影劑含量較少時，細小的血管分支塌陷往往重建困難，無法再現完整的腦血管結構，另外腦膜、蛛網膜等菲薄的腦組織3D打印技術未有報道；3D打印模型制作的過程包括設備的購置及相關人員培訓，打印的材料等，成本高，基層醫院無法普及；不同影像檢查設備數據融合困難。容易受到運動偽影、掃描時間及圖像信噪比低等多方面因素的影響；目前國內多為個例報道3D打印技術的探索及研究進展，操作病例數少，缺乏大樣本的研究。雖然3D打印技術的神經外科臨床應用仍然面臨著許多挑戰和困難，但從醫學立體空間模型的建立，術前解剖圖像的評估，具體手術方案的選擇，臨床教學及個體化診療等方面蘊含著巨大的臨床應用前景，存在的不足亦是將來不斷努力的方向。一旦取得技術上的改進，將會是神經外科史上的重大突破，同時利于簡化醫患溝通，促進醫患關系和諧發展。

參考文獻：

［4］全球首例3D打印輔助顱底腫瘤切除術成功［J］.透析與人工器官，2013，24（4）：24.

［5］孫濤，韓善清.基于三維（3D）打印技術的顱底腫瘤精準手術治療報告及分析［J］.中國醫學裝備，2017，14（3）：86⁃89.

［6］劉宇清，黃繩躍，何炳蔚，等.3D打印技術在大腦鐮旁腦膜瘤切除術中的初步應用［J］.中國全科醫學，2016，19（24）：2953⁃2956.

［7］鄧仕鳳，黃文華，黃理金，等.3D打印技術輔助切除巖斜區巨大血管周細胞瘤一例并文獻復習［J］.中國腦血管病雜志，2016，13（1）：39⁃42.

［14］劉宇清，呂翱，黃繩躍，等.基于顱腦CTA3D打印技術在顱內動脈瘤手術治療中的應用［J］.中國微侵襲神經外科雜志，2016，21（6）：245⁃247.

［15］陳光忠，李鑒軼，秦琨，等.3D打印技術在顱內動靜脈畸形血管內介入治療中的初步應用［J］.中國腦血管病雜志，2016，13（1）：25⁃28.

［16］柳少光，楊小秦，王學斌，等.多層螺旋CT顱骨三維圖像重建在顱骨骨折中的應用研究［J］.國際神經病學神經外科學雜志，2013，40（5）：397⁃400.

［17］相建，李珍珠，李澤福，等.3D打印引導下外傷性腦內血腫微創穿刺引流術［J］.中華神經創傷外科電子雜志，2016，2（1）：31⁃33.

作者：王蕾1；張毅2 單位：南通大學第二附屬醫院1急診中心，2神經外科