3D打印技術(shù)與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

徐 帥， 吳彬好， 陳曉萍

(浙江工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院， 杭州 310014)

3D打印技術(shù)與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

徐 帥， 吳彬好， 陳曉萍

(浙江工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院， 杭州 310014)

3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將原材料逐層打印疊加形成立體物件的新型制造技術(shù)，近年來進(jìn)入神經(jīng)外科領(lǐng)域，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療中發(fā)揮作用。3D打印可以為醫(yī)生建立逼真的體外操作模型來進(jìn)行術(shù)前模擬訓(xùn)練與規(guī)劃，還能夠?yàn)榛颊叽蛟靷€性化的體內(nèi)植入替代物。目前，主要應(yīng)用于腦動脈瘤與腦動靜脈畸形、腦室積液、顱骨缺損、椎間盤突出與脊柱側(cè)彎等疾病。

3D打??；神經(jīng)系統(tǒng)疾?。粩?shù)學(xué)模型

3D打印(Three-dimensional printing，3DP)是一種增材制造技術(shù)，即以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用原材料逐漸累加制造實(shí)體零件的技術(shù)，通常用于制造難以或不能用常規(guī)方法制造的物體，其靈活多樣、高度個性化的特點(diǎn)，在醫(yī)療領(lǐng)域得到充分發(fā)揮，具有重要的應(yīng)用價值[1-2]。

腦神經(jīng)系統(tǒng)是人體最重要的組織結(jié)構(gòu)，神經(jīng)外科技術(shù)復(fù)雜，稍有不慎就會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。近年來，3DP開始進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)疾病領(lǐng)域，在術(shù)前模擬訓(xùn)練、顱骨與椎骨替代、組織支架等方面展示出誘人的前景。

1 3DP的基本原理

3DP技術(shù)借助電子計(jì)算機(jī)斷層掃描、血管造影術(shù)、磁共振成像、3D超聲心動圖、X射線等技術(shù)手段建立數(shù)學(xué)模型，再采用不同的材料，通過3D打印機(jī)分層切割模型，逐層打印，疊加構(gòu)建成三維物體[1,3-4]。

主要的3D成型技術(shù)有光固化立體印刷、箔材疊層實(shí)體制作、三維噴印、選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積成型、液體界面連續(xù)生產(chǎn)，而常用的材料包括液態(tài)光敏樹脂、熱縮性高分子材料、塑料、陶瓷、金屬粉末、去細(xì)胞化的細(xì)胞外基質(zhì)、特定供體內(nèi)的細(xì)胞[5-8]。

2 3DP與體外模擬訓(xùn)練

3DP的立體腦結(jié)構(gòu)模型逼真地呈現(xiàn)手術(shù)中見到的腦組織結(jié)構(gòu)，能用于醫(yī)生在術(shù)前的模擬操作訓(xùn)練，并有助于設(shè)計(jì)合理的手術(shù)方案。近年來，3DP已開始在一些醫(yī)院的神經(jīng)外科術(shù)前模擬中得到應(yīng)用。

2.1 動脈瘤與腦血管畸形

動脈瘤是腦動脈的異常膨大，其生長較快，各個患者生長形態(tài)又各有差異，故手術(shù)難度較高。Ryan等[9]參照腦血管影像學(xué)獲得的參數(shù)打印出患者大腦結(jié)構(gòu)與動脈瘤模型，其精度雖不能將細(xì)小血管表現(xiàn)出來，但較大的動脈與周圍腦組織結(jié)構(gòu)清晰逼真，模擬的動脈可以用外科手術(shù)器材處理，產(chǎn)生真實(shí)的外科手術(shù)操作體驗(yàn)。Waran等[10]采用多種材料，制造出與組織類型密度一致的模型，其“皮膚”可進(jìn)行切割與縫合、“骨骼”堅(jiān)硬、“腦膜”厚度同肌體相似，并為“腫瘤”添加方便識別的橙色，方便進(jìn)行練習(xí)操作。3DP依據(jù)病人數(shù)據(jù)建立個性化模型，具有準(zhǔn)確真實(shí)、成本低廉、結(jié)實(shí)耐用的特點(diǎn)，在術(shù)前模擬訓(xùn)練上十分有效。

腦動靜脈畸形(Arteriovenous malformations，AVMs)是非常復(fù)雜的腦血管結(jié)構(gòu)異常，其血管結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，結(jié)構(gòu)識別困難，相互關(guān)系難以把握，手術(shù)風(fēng)險較大。3DP模型制作快、成本低，直觀可靠地反映AVMs的結(jié)構(gòu)，為手術(shù)方案的設(shè)計(jì)提供重要的參考。Conti等[11]認(rèn)為，術(shù)前使用高精確的3D透視模型進(jìn)行訓(xùn)練，能夠提高手術(shù)質(zhì)量，減少手術(shù)失誤與并發(fā)癥，如大腦區(qū)域性壞死、出血等。Weinstock等[12]對3名AVMs和1名Galen靜脈畸形兒童患者，根據(jù)其MRI圖像制作了多種材料組成的血管結(jié)構(gòu)模型，逼真地模擬了血管的分布格局，并以此為依據(jù)預(yù)測血栓位置，制定手術(shù)方案。在實(shí)際的手術(shù)中，操作順利，手術(shù)時間明顯縮短，較常發(fā)生的并發(fā)癥癱瘓和感覺喪失都沒有出現(xiàn)，且術(shù)后1周就能獨(dú)立下床活動。

2.2 腦室積液與顱內(nèi)壓監(jiān)控

腦室積液是引起腦部不同病變的原因，影響了病患腦脊液的分泌吸收和循環(huán)環(huán)路，腦脊液含量增加引發(fā)腦室系統(tǒng)的擴(kuò)張，常伴隨著顱內(nèi)壓的增高[13]。顱內(nèi)壓監(jiān)控檢測由于顱內(nèi)血液、腦組織、腦脊液的積壓導(dǎo)致的顱腔壁壓力，對病患顱內(nèi)壓變化的分析，可以幫助判斷患者的傷情與腦水腫的情況，有助于治療方案設(shè)計(jì)[13]。

以往的術(shù)前訓(xùn)練主要在尸體組織和計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行，近年來開始使用3DP技術(shù)。Ryan等[14]使用多種材料制作出CSF患者頭部模型，經(jīng)醫(yī)學(xué)學(xué)生和非醫(yī)學(xué)專業(yè)人員的使用測試，發(fā)現(xiàn)能很快學(xué)會EVD手術(shù)的操作，完成導(dǎo)管放置等專業(yè)技術(shù)。Tai等[15]設(shè)計(jì)了腦室外引流安置模擬器的3D模型，模型可以顯示顱內(nèi)壓力，能夠提供導(dǎo)管軌跡和可視化的液體，讓操作者從視覺和觸覺上感受不同皮膚、腦、骨，逼真地模擬出人類腦室與周圍組織，這種模型可以用于對外科醫(yī)生的EVD放置進(jìn)行訓(xùn)練，具有實(shí)際應(yīng)用價值。

2.3 椎骨置釘

椎骨置釘是針對椎骨嚴(yán)重?fù)p傷患者必不可少的外科操作，脊柱各部位椎體骨骼形態(tài)各異，脊髓周圍有血管等重要臟器組織，導(dǎo)致在脊柱外科手術(shù)中存在風(fēng)險。外科醫(yī)生要盡量避免損傷到相鄰的組織、神經(jīng)、血管等，使用3DP制作仿真模型，能在術(shù)前設(shè)計(jì)優(yōu)化手術(shù)方案，有效解決手術(shù)中的諸多難點(diǎn)，降低病人風(fēng)險。其根據(jù)術(shù)前CT進(jìn)行三維重構(gòu)，得到病人特異性的脊椎椎體模型，供醫(yī)生術(shù)前模擬訓(xùn)練，設(shè)計(jì)最佳置釘位置和角度，幫助鎖定位置，從而順利完成手術(shù)操作[16-17]。3DP模型有助于全面分析椎骨周圍結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜手術(shù)提供了可行性方法。

高方友等[18]采用3DP制作顱頸交界區(qū)個體化模型，設(shè)計(jì)手術(shù)方案，并以模型輔助手術(shù)，通過后路減壓及內(nèi)固定方法，成功地為25例患者完成置釘手術(shù)。術(shù)后無病人死亡，寰椎齒突間隙縮小，延髓頸髓角增大。尹一恒等[19]在顱底凹陷合并寰樞椎脫位手術(shù)過程中針對10名患者自身狀況，使用3DP模型分別設(shè)計(jì)不同手術(shù)方案，使得患者癥狀改善，植骨融合率高達(dá)100%。

3 DP與體內(nèi)替代植入

3.1 顱骨修復(fù)

顱骨修復(fù)是根據(jù)現(xiàn)有患者頭顱的DIACOM圖像，針對外傷引起的頭顱骨破壞、先天性顱骨畸形等異常，設(shè)計(jì)出合適的顱骨替代物加以植入。3DP技術(shù)充滿個性化的量身定制模型，更好的擬合了患者自身的特征，因而具有更好的適用性[20]。同時，3DP制備使得顱骨替代物的獲取更容易、更經(jīng)濟(jì)，考慮到生物相容性、經(jīng)濟(jì)、重量、生物力學(xué)性質(zhì)、空狀結(jié)構(gòu)以及植入后的有無膨脹等問題，目前使用的材料主要是金屬、塑料、陶瓷，其治療的患者并發(fā)癥發(fā)生率極低，且患者及家庭滿意度較高[8]。

Fiaschi[20]指出顱骨的缺失、畸形會引起多種并發(fā)癥，顱骨的修復(fù)移植隨年齡增長就愈加困難，因而顱骨的缺損需要及早修復(fù)，并選擇理想的材料。他采用聚甲基丙烯酸甲酯作為顱骨的修復(fù)材料，經(jīng)3DP等技術(shù)加以成型，在多例臨床病人的植入試驗(yàn)中取得滿意療效，追蹤調(diào)查顯示并發(fā)率低、滿意度高，表現(xiàn)優(yōu)異。Silfhout和Verstegen[21]利用3DP技術(shù)為頭骨增厚患者量身制作了一個完全由塑料構(gòu)成的顱骨模型，并成功移植到患者體內(nèi)。手術(shù)后，患者手術(shù)恢復(fù)良好，幾乎沒有手術(shù)痕跡，因顱骨增厚造成的大腦壓迫所致視力減弱、腦功能損傷等癥狀得到恢復(fù)。

3.2 椎間盤突出與脊髓側(cè)彎

腰椎間盤突出是老年人群的常見病，椎間盤替代是這種疾病的治療方法之一。 Mroz等[22]使用3DP技術(shù)制造了腰椎間盤假體，相關(guān)參數(shù)分析顯示這種3D模型有可能被實(shí)際應(yīng)用于臨床病人。Spetzger等[23]借助患者CT數(shù)據(jù)，3D打印出個體特異性的脊椎融合器，其作為脊椎或者脊椎與顱骨間的植入物在脊椎病治療中常常使用。頸椎硬化性脊髓病、神經(jīng)根型頸椎患者使用這種3DP的植入結(jié)構(gòu)，精確地匹配了患者的脊椎椎體，具有較好的初期穩(wěn)定性與更好的承重面,降低了因錯位、沉降引起二次手術(shù)的可能。

在外科手術(shù)中，對于脊椎側(cè)彎病人也常采用椎骨置釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行治療。Takemoto等[24]使用3DP制備的鈦模板椎弓螺釘治療46例患者，420枚孔釘植入位置準(zhǔn)確率達(dá)到98.6%，手術(shù)成功率達(dá)到100%。Kaneyama等[25]設(shè)計(jì)打印出指導(dǎo)脊椎置釘?shù)囊环N安全準(zhǔn)確的螺釘指導(dǎo)模板，包括位置模板、鉆具引導(dǎo)模板、螺旋引導(dǎo)模板，能精確指導(dǎo)脊椎置釘手術(shù)過程。在使用這種方法治療的20例患者中，80枚植入螺釘都精確地插入到預(yù)定位置，有97.5%的螺釘完全放置在脊椎根部。證明這種3DP模板體系對指導(dǎo)椎骨置釘手術(shù)具有精確、經(jīng)濟(jì)、縮短手術(shù)時間、減少手術(shù)風(fēng)險的優(yōu)點(diǎn)。

4 腦機(jī)接口

腦機(jī)融合感知(Brain-machine interface，BMI)又被稱為腦機(jī)接口，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與大腦數(shù)據(jù)的直接記錄和交換。神經(jīng)義肢(neuroprosthetics)就是一個典型的例子。通常，植入電極的電極間距越小，意味著電極密度越高，大腦傳輸?shù)男盘栐骄_，可能會出現(xiàn)更高性能的BMI系統(tǒng)。當(dāng)前常規(guī)手術(shù)的電極間距只能達(dá)到10 mm，Morris等[26]在3DP制作的個性化模型上，插入直徑1 mm的鉑電極，制作成為符合腦溝內(nèi)側(cè)曲面率的硅膠型植入片，植入到肌肉萎縮硬化患者的大腦內(nèi)21 d，測試證明了這種植入電極具有較好的腦機(jī)交流性能。該方法將電極距離降到2.5 mm，且物理性能、組織細(xì)胞毒性、生物相容性等方面，較常規(guī)方法有著很大的改善。

5 前景與展望

近年來，3DP作為一項(xiàng)綠色智能材料制造技術(shù)，其應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了初始時的工程領(lǐng)域，已擴(kuò)大到幾乎所有的學(xué)科。目前，3DP的技術(shù)難點(diǎn)主要在于如何獲取高清圖像上[27]。另一個新的趨勢是將3DP技術(shù)與“互聯(lián)網(wǎng)+”相結(jié)合，可以突破地域與技術(shù)的限制，也可以獲得更高質(zhì)量的模型；還可能將3DP與分子基因組學(xué)相結(jié)合，在組織工程再生以及人造骨架、人造器官等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性進(jìn)步[28]?？梢灶A(yù)期，隨著3DP技術(shù)的發(fā)展與成熟，3DP將會在神經(jīng)外科有著更加廣泛的應(yīng)用。

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3D printing technique and nervous system diseases

XU Shuai, WU Bin-hao, CHEN Xiao-ping

(College of Bioengineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014， China)

Three-dimensional printing (3DP) is a novel manufacturing technique which bases on digital model and makes up three-dimensional object by print-by-layer overlaying raw materials. The technique recently enters the field of neurosurgery and plays role in the treatment of nervous system diseases. In clinic, 3DP provides highly realistic model for surgeon preparing and makes up personalized intravitreal implant for patients. The currently neurosurgery application includes arterial aneurysm, arteriovenous malformation, ventricular effusion, skull defect, disc herniation, scoliosis, etc.

3D printing; nervous system diseases; digital model

2016-08-02；

2016-08-22

浙江省自然科學(xué)基金(LY15H260003)

徐 帥，碩士研究生，研究方向?yàn)樯窠?jīng)毒理與神經(jīng)藥理，E-mail：1187859976@qq.com

陳曉萍，博士，教授，研究方向?yàn)樯窠?jīng)毒理與神經(jīng)藥理，E-mail：chxp@zjut.edu.cn

Q6-33

A

2095-1736(2017)04-0101-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.04.101