三維打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤診療中的應(yīng)用進(jìn)展

阿吉木·庫(kù)爾班 陳光忠

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的人群發(fā)病率為5%～8%[1]。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂是自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血常見原因，可使致殘、致死率增加[2]。因此，早期診治是改善顱內(nèi)動(dòng)脈瘤預(yù)后的關(guān)鍵。目前，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的治療主要有開顱夾閉手術(shù)及血管內(nèi)介入栓塞。由于動(dòng)脈瘤形態(tài)多變、血管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在處理復(fù)雜動(dòng)脈瘤時(shí)，開顱夾閉手術(shù)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。因顱內(nèi)血管迂曲，在血管內(nèi)介入栓塞時(shí)易致微導(dǎo)管超選困難或不穩(wěn)定，使介入治療難度增大，且易出現(xiàn)并發(fā)癥。采用三維打印技術(shù)能夠復(fù)制動(dòng)脈瘤及其相關(guān)血管的三維模型，幫助術(shù)前優(yōu)化開顱夾閉手術(shù)和血管內(nèi)介入栓塞的治療方案，并可進(jìn)行術(shù)中指導(dǎo)，提高治療效果，降低并發(fā)癥發(fā)生率。筆者現(xiàn)將三維打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤診療中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行如下綜述。

1 概述

三維打印技術(shù)是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，通過打印前處理軟件控制，并分層加工、疊加成型，將連續(xù)的薄型層面進(jìn)行堆疊，直至形成實(shí)物[3]。應(yīng)用較為廣泛的三維打印技術(shù)有立體光固化成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、三維噴印和真空注型等。

三維打印過程最關(guān)鍵的步驟是獲取影像數(shù)據(jù)，主要獲取影像學(xué)檢查獲得的顱內(nèi)血管形態(tài)和結(jié)構(gòu)信息。目前，常用的腦血管影像學(xué)檢查方法有CT血管成像、MR血管成像及DSA等，其結(jié)果均可作為三維打印的數(shù)字建模原型。將獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維圖像生成及處理軟件，重組為三維虛擬圖像，通過三維打印機(jī)打印出整個(gè)立體模型，然后進(jìn)行后期處理，如人工打磨、光固化處理、清水沖洗等，從而獲得最終的模型[4]。

2 在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤開顱夾閉手術(shù)中的應(yīng)用

開顱夾閉手術(shù)可有效夾閉動(dòng)脈瘤，并保持載瘤動(dòng)脈的通暢性，是顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血管內(nèi)治療的手段，但降低死亡率、減少并發(fā)癥一直是神經(jīng)外科醫(yī)師治療的目標(biāo)。三維打印動(dòng)脈瘤模型作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種補(bǔ)充，便于神經(jīng)外科醫(yī)師于術(shù)前明確動(dòng)脈瘤的瘤體朝向，有助于選擇合適的動(dòng)脈瘤夾，制定合適的夾閉策略。對(duì)于復(fù)雜顱內(nèi)動(dòng)脈瘤，術(shù)前通過三維模型模擬夾閉，可指導(dǎo)選擇最佳的組合夾閉方案，從而減少術(shù)中臨時(shí)阻斷時(shí)間。

D′Urso等[5]首先應(yīng)用立體光刻的快速成型技術(shù)制作了腦血管模型，紫外激光束在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行掃描，使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化。Kimura等[6]利用立體光刻技術(shù)制作軟材料的空心動(dòng)脈瘤模型，產(chǎn)生固化的血管和動(dòng)脈瘤模型。與固體塑料動(dòng)脈瘤模型的不同之處在于，柔軟的彈性硅膠空心動(dòng)脈瘤模型能夠于術(shù)前評(píng)估安全有效夾閉瘤頸且不閉塞載瘤動(dòng)脈的范圍，尤其適用于顱內(nèi)復(fù)雜大型或?qū)掝i動(dòng)脈瘤。Wurm等[7]對(duì)立體光固化成型和三維噴印打印技術(shù)用于三維動(dòng)脈瘤模型制作的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，三維噴印可同時(shí)打印多種不同材質(zhì)的組件，空心的外層血管模型允許用于評(píng)估夾閉位置和效果。Kimura等[6]和Wurm等[7]制作的動(dòng)脈瘤模型有利于術(shù)者設(shè)計(jì)手術(shù)方案，但制作耗時(shí)長(zhǎng)且費(fèi)用高，前一項(xiàng)研究制作1個(gè)動(dòng)脈瘤模型的耗時(shí)為3～7 d，花費(fèi)2 000歐元；后一項(xiàng)研究約需10 d，耗費(fèi)250美元。Mashiko等[8-9]應(yīng)用丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物材料制作三維打印動(dòng)脈瘤模型，硅膠涂層硬化后，二甲苯熔化去除丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，殘留外層的空心彈性模型。此模型制作耗時(shí)短、成本低，有助于術(shù)者理解動(dòng)脈瘤的三維結(jié)構(gòu)，并可進(jìn)行常規(guī)術(shù)前模擬手術(shù)。Anderson等[10]通過熔融沉積成型方法快速制作了精確的三維打印動(dòng)脈瘤模型，并用于MRI血流模型的血流動(dòng)力學(xué)研究。Benet等[11]將體外三維打印技術(shù)制作的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型移植至尸頭標(biāo)本，評(píng)估其在神經(jīng)外科研究、復(fù)雜病例計(jì)劃以及手術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步提高了動(dòng)脈瘤夾閉手術(shù)環(huán)境的真實(shí)感，便于讓訓(xùn)練者通過觀察動(dòng)脈瘤頸及其與動(dòng)脈瘤分支之間的密切聯(lián)系，較好地模擬動(dòng)脈瘤夾閉的相關(guān)手術(shù)操作，且瘤體與周圍結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有助于更好地理解動(dòng)脈瘤的局部占位效應(yīng)。Lan等[12]采用噴墨式三維打印技術(shù)，對(duì)動(dòng)脈瘤與周圍結(jié)構(gòu)組織實(shí)現(xiàn)了完整的體外模型重建。空心動(dòng)脈瘤模型可于術(shù)前模擬動(dòng)脈瘤夾閉，顱腦模型可清晰顯示動(dòng)脈瘤與周圍結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，利于選擇最佳手術(shù)入路，評(píng)估前床突磨除的必要性，以及明確對(duì)側(cè)入路的可行性。Wang等[13]比較了兩種三維打印模型在復(fù)雜顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模擬手術(shù)中的應(yīng)用，其中一種為整體模型，包括動(dòng)脈瘤、相鄰血管、顱底及神經(jīng)；另一種為局部模型，包括動(dòng)脈瘤及載瘤動(dòng)脈。該研究結(jié)果表明，整體三維模型有助于理解手術(shù)視野，而局部模型模擬夾閉更具真實(shí)感。

3 在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞中的應(yīng)用

利用三維打印技術(shù)制作動(dòng)脈瘤復(fù)合體模型，通過分析動(dòng)脈瘤與載瘤動(dòng)脈瘤成角、空間位置的關(guān)系，模擬微導(dǎo)管在血管內(nèi)的走行，設(shè)計(jì)并輔助更適宜栓塞的微導(dǎo)管形態(tài)模型，從而提高手術(shù)的成功率，減少并發(fā)癥。

Kono等[14]對(duì)1例前交通動(dòng)脈寬頸動(dòng)脈瘤患者采用快速成型技術(shù)制作三維空心動(dòng)脈瘤模型，依據(jù)術(shù)前模擬結(jié)果，采用球囊輔助栓塞動(dòng)脈瘤，取得了滿意療效。術(shù)前模擬與術(shù)中唯一不同的是，超選微導(dǎo)絲或微導(dǎo)管時(shí)，空心動(dòng)脈瘤模型的血管形態(tài)未發(fā)生改變。Namba等[15]應(yīng)用丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物材料制作三維打印的空心彈性動(dòng)脈瘤模型。該研究根據(jù)微導(dǎo)管走行于載瘤動(dòng)脈和動(dòng)脈瘤長(zhǎng)軸的曲線，設(shè)計(jì)了微導(dǎo)管塑形，結(jié)果顯示，術(shù)前微導(dǎo)管塑形完全匹配載瘤動(dòng)脈和動(dòng)脈瘤解剖，超選動(dòng)脈瘤時(shí)，10例患者中僅3例需微導(dǎo)絲導(dǎo)引，微導(dǎo)管均精確位于動(dòng)脈瘤長(zhǎng)軸。因此，三維打印動(dòng)脈瘤模型可以在術(shù)前選擇合適的微導(dǎo)管塑形，從而減少手術(shù)難度和操作風(fēng)險(xiǎn)。Tsang等[16]采用立體光刻技術(shù)制作分叉部和側(cè)壁型動(dòng)脈瘤模型，對(duì)動(dòng)脈瘤實(shí)施血流導(dǎo)向裝置置入術(shù)，并模擬計(jì)算流體力學(xué)，結(jié)果顯示，血流導(dǎo)向裝置置入后分叉部和側(cè)壁型動(dòng)脈瘤血流明顯下降，分叉部動(dòng)脈瘤的平均血流速度降低90%，而側(cè)壁型動(dòng)脈瘤降低85%。計(jì)算流體力學(xué)也可聯(lián)合超聲應(yīng)用于血流導(dǎo)向支架治療顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的研究。Ishibashi等[17]采用丙烯酸樹脂制作三維打印血管模型，術(shù)前設(shè)計(jì)微導(dǎo)管走行和塑形。結(jié)果顯示，27例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤共使用48根微導(dǎo)管，僅9根(19%)因?yàn)槲?dǎo)管位置不佳需改變最初塑形，僅29%(14根)的微導(dǎo)管因踢管需再次超選。術(shù)中未發(fā)生手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，包括動(dòng)脈瘤破裂等。該研究結(jié)果表明，個(gè)體化塑形微導(dǎo)管有利于提高顱內(nèi)動(dòng)脈瘤栓塞的安全性和可操作性。

4 局限性

三維打印技術(shù)尚不能真實(shí)顯示動(dòng)脈內(nèi)血栓、動(dòng)脈瘤壁厚度、瘤壁鈣化甚至血泡樣結(jié)構(gòu)等[8，18]，但動(dòng)脈瘤開顱夾閉手術(shù)需了解瘤壁厚度、管壁鈣化以及瘤內(nèi)血栓情況。受圖像分辨率的限制，直徑細(xì)小的穿支動(dòng)脈常難以重建，且動(dòng)脈瘤三維模型很難模擬術(shù)中動(dòng)脈瘤破裂。

總之，目前三維打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤治療中發(fā)揮重要作用，利用三維打印模型制定適宜的手術(shù)方案，可提高手術(shù)療效和降低并發(fā)癥發(fā)生率。未來，動(dòng)脈瘤模型制作工藝將更加趨于精細(xì)化，使其在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤治療中更好地發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。