3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用現(xiàn)狀

樊繼軍 馬彥（通訊作者） 席學(xué)禮 夏陽 陳磊 謝丙豪 姬明

（寧夏石嘴山市第一人民醫(yī)院神經(jīng)外科 寧夏 石嘴山 753200）

3D打印技術(shù)，又稱增材制造或增量制造技術(shù)[1]，是利用離散堆積的方法，將粉末塑料、金屬等材料按照數(shù)據(jù)模型快速、準(zhǔn)確地加工成實(shí)物[2]。3D打印技術(shù)顯示出的巨大優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿κ蛊湓谥圃鞓I(yè)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也具有非常廣闊的前景和極大的現(xiàn)實(shí)意義，其高效率、高保真、個體化等特點(diǎn)給醫(yī)學(xué)發(fā)展帶來全新的理念和變革。筆者通過閱讀文獻(xiàn)，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用和不足綜述如下。

1.3D打印的程序

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，屏住數(shù)秒呼吸即可獲得高分辨率和對比度的醫(yī)學(xué)影像資料，獲得可靠的數(shù)據(jù)資料是準(zhǔn)確進(jìn)行三維建模的先決條件。CT、MRI和正電子發(fā)射斷層顯像(PET)等醫(yī)學(xué)影像手段均可作為獲取數(shù)據(jù)資料的方法。所采集的影像學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)薄層掃描并儲存為DICOM格式后導(dǎo)入分析軟件，經(jīng)3D切分和可視化處理最終輸出至3D打印設(shè)備。

2.3D打印在神經(jīng)外科中的應(yīng)用

精準(zhǔn)治療是當(dāng)今醫(yī)學(xué)發(fā)展的目標(biāo)和方向。由于神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不可修復(fù)性，這就要求我們在診治前盡可能多的掌握病變信息。CT或者M(jìn)RI的二維、三維圖像，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要了。3D打印技術(shù)將病變建模后，應(yīng)用于診治過程中將有效提高手術(shù)的精確度，降低風(fēng)險。

2.1 3D打印在神經(jīng)外科解剖教學(xué)中的應(yīng)用

神經(jīng)外科醫(yī)師成長周期長，神經(jīng)解剖是最基礎(chǔ)、最重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。傳統(tǒng)神經(jīng)解剖教學(xué)僅限于課堂教授、解剖圖譜學(xué)習(xí)、大體標(biāo)本解剖等方式，難以精確還原神經(jīng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)和解剖位置關(guān)系。與之相比，3D打印解剖教具除了能夠準(zhǔn)確反映神經(jīng)系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)外，更有利于空間記憶和理解，同時解決了人體標(biāo)本使用過程中潛在的倫理學(xué)問題。由于其在教學(xué)中的可行性和優(yōu)勢，3D打印模型得到普遍認(rèn)可，并應(yīng)用于顱底、眶周、腦室等復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)研究中。

2.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)技能的模擬

神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了神經(jīng)外科手術(shù)具有較大的風(fēng)險性，年輕醫(yī)師上手機(jī)會少，使得手術(shù)相關(guān)的各種操作、術(shù)式及入路很難熟練掌握，極大地限制了新人的成長。怎樣安全、有效的解決此問題呢？3D打印技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。目前專科醫(yī)師可通過3D打印模型模擬經(jīng)鼻蝶垂體瘤手術(shù)、動脈瘤夾閉手術(shù)、腦膜瘤切除手術(shù)等操作訓(xùn)練，從而達(dá)到減少學(xué)習(xí)曲線、提高學(xué)習(xí)效率、降低手術(shù)風(fēng)險的目的。

2.3 創(chuàng)建個性化顱骨病損模型，實(shí)現(xiàn)可視化手術(shù)規(guī)劃

外傷（特別是復(fù)雜的顱骨骨折）、腫瘤等原因所造成的顱骨損傷均表現(xiàn)有不同的特點(diǎn)，因此在治療過程中需要制定個體化的治療方案，但是由于損傷部位的毗鄰關(guān)系和損傷程度不同，使得個體化治療方案的制定有著較大的難度。3D打印精準(zhǔn)成型、復(fù)雜成型、個性化造模的特點(diǎn)恰好解決了這一難題。樊繼軍等[3]使用脂肪族聚醋聚塑料材料對外傷性顱骨粉碎凹陷骨折進(jìn)行3D打印，術(shù)中發(fā)現(xiàn)骨折情況與打印的模型完全符合。因?yàn)樾g(shù)前對模型的研習(xí)，極大提高了手術(shù)效率。精準(zhǔn)的術(shù)前策劃是手術(shù)成功的關(guān)鍵，尤其面對風(fēng)險較大的手術(shù)，或是新開展的手術(shù)，抑或診斷尚不十分清晰的手術(shù)，術(shù)前策劃尤為重要。在3D打印顱骨模型上反復(fù)模擬手術(shù)方案，大大降低了手術(shù)風(fēng)險、手術(shù)損傷和各種并發(fā)癥的發(fā)生。所以模型實(shí)現(xiàn)了手術(shù)前對病損顱骨的可視化，降低了對醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)水平的依賴，真正做到“量體裁衣，度身定制”。

2.4 顱骨的精準(zhǔn)修復(fù)

目前常用的顱骨修補(bǔ)材料有軟金屬、生物陶瓷、高分子聚合物和組織工程骨等，這些材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，在使用過程中也暴露出一些問題。其中，3D打印金屬鈦網(wǎng)用于修補(bǔ)缺損顱骨在2013年得到FDA許可，金屬鈦網(wǎng)具有可塑性高、快速成型等特點(diǎn)，用于顱骨修復(fù)手術(shù)不僅明顯縮短了手術(shù)暴露時間，降低了出血和感染的風(fēng)險，而且數(shù)字化成型和輕量化設(shè)計使得修補(bǔ)材料與骨窗貼合更理想、更美觀，同時滿足患者對功能和美學(xué)的要求。但是缺點(diǎn)是價格高，普及率低。

2.5 指導(dǎo)顱內(nèi)腫瘤切除

顱腦解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精細(xì)，手術(shù)時稍有不慎就可能損傷重要結(jié)構(gòu)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，尤其是在蝶鞍區(qū)、腦干等重要功能區(qū)部位。手術(shù)治療開展之前，應(yīng)該明確掌握腫瘤的實(shí)際大小、腫瘤位置、腫瘤血管其可及其毗鄰結(jié)構(gòu)，為手術(shù)成功開展奠定基礎(chǔ)條件。尤其是顱底腫瘤等復(fù)雜病變情況，術(shù)前明確上述情況是手術(shù)成功開展的基礎(chǔ)。通過3D打印腦腫瘤模型，可為手術(shù)入路的選擇提供參考依據(jù)，同時可為手術(shù)醫(yī)師對腫瘤及鄰近組織結(jié)構(gòu)的掌握提供依據(jù)，為手術(shù)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

3.不足

3.1 打印時間成本高

從數(shù)據(jù)采集到模型打印完成，短則需要數(shù)小時，長則數(shù)天。打印時間的不確定性對于急診病人，尤其是一些危重病人是非常不利的。如何提高打印效率、降低時間成本也成為該技術(shù)在神經(jīng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要前提。

3.2 打印材料的制約

耗材是影響3D打印無法廣泛應(yīng)用最關(guān)鍵的原因，目前開發(fā)的材料主要有水凝膠、塑料、樹脂、磷酸鈣生物陶瓷和金屬等。這些耗材可以滿足建模，但是建模價格較高。未來在生物相容性和生物響應(yīng)性等耗材的屬性方面研究更加重要，為建立相關(guān)法律法規(guī)提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 精確度難以把握

原始圖像采集和后期圖像處理技術(shù)會對3D打印模型的精準(zhǔn)度產(chǎn)生很大的影響，比如小穿支動脈等微小結(jié)構(gòu)的模型難以重建。神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤結(jié)構(gòu)多樣且與周邊組織存在較為復(fù)雜的毗鄰關(guān)系，因此在一些神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤模型中，細(xì)微組織結(jié)構(gòu)很難精確復(fù)制。

4.展望

隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐漸普及。美國技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會Wohlers發(fā)布的2012年年度報告指出，3D打印技術(shù)已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其所涉及的范圍包括納米醫(yī)學(xué)、制藥，甚至器官打印等。雖然許多技術(shù)尚處于起步階段，且目前存在諸多不足，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些問題有望被逐步解決。綜上所述，3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用前景廣闊，其可有效促進(jìn)神經(jīng)外科的發(fā)展進(jìn)步。