3D打印技術在腦神經(jīng)疾病中的應用進展

溫稀超，付美娟，吳文松，曾昭穆，鄭克彬

(1.河北大學附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，河北 保定 071000； 2.河北中石油中心醫(yī)院重癥醫(yī)學科，河北 廊坊 065000)

腦神經(jīng)疾病主要指十二對腦神經(jīng)中任何一對腦神經(jīng)受損而產生的功能缺損，嚴重的功能缺損常給患者帶來巨大痛苦，嚴重影響其生活質量。腦神經(jīng)疾病主要包括面肌痙攣、三叉神經(jīng)痛、舌咽神經(jīng)痛等，目前腦神經(jīng)疾病的最佳治療方式為手術治療，但由于頭面部神經(jīng)、血管豐富且變異性較大、關系復雜，因此腦神經(jīng)疾病的臨床診治較困難[1]。腦神經(jīng)疾病的病因尚未明確，但絕大多數(shù)臨床癥狀由腦干附近血管壓迫神經(jīng)而產生。目前診斷腦神經(jīng)疾病的常用影像學檢查包括CT和磁共振成像等，但上述影像學檢查無法精確地顯示病變部位的血管神經(jīng)。此外，腦神經(jīng)疾病手術往往存在手術視野受限，若術前無法明確責任血管及壓迫部位，術中可能由于過度牽拉周圍組織、血管和神經(jīng)而造成損傷，也可能因對壓迫部位分離不徹底而導致復發(fā)。隨著3D打印技術的臨床應用，通過3D打印模型可以充分實現(xiàn)腦神經(jīng)的三維可視化[2]，進而更加形象、直觀地描述神經(jīng)、血管及其相互關系，從而為腦神經(jīng)疾病的診療提供更有力依據(jù)。現(xiàn)對3D打印技術在腦神經(jīng)疾病診療方面的應用進展予以綜述，以期為腦神經(jīng)疾病的手術治療尋找新方法，為相關醫(yī)學教育者手術技能、解剖知識的學習提供新方式。

1 3D打印技術概述

1.13D打印技術原理 3D打印起源于20世紀80年代，該技術是在數(shù)字模型基礎上，運用粉末狀金屬和塑料等可粘合材料，通過計算機輔助及工業(yè)級3D打印機進行逐層打印的方式構造物體[3]。3D打印技術又被稱為“增材制造”“快速原型制造”或“實體自由制造”，其命名的共同本質是“離散-堆積原理”，即將影像學數(shù)據(jù)資料及相應的打印材料通過3D打印技術堆疊打印出所需模型。與傳統(tǒng)計算機數(shù)控技術及加工的 “減材制造”不同，3D打印可在計算機精確控制下將材料逐步堆積，具有虛擬設計、精密復制、一體成型、不需要組裝等優(yōu)點。

1.23D打印技術在醫(yī)學領域的發(fā)展 3D打印技術依賴計算機輔助設計及計算機精確控制，可以制造出高精度、高分辨率的復雜物體，目前廣泛應用于教育、土木工程、鑄造工藝、航天航空、生物醫(yī)療領域[4]。在生物醫(yī)學領域，3D打印具有高精度、個性化、重復性高的優(yōu)勢，具有較好的應用前景。3D打印模型能夠提供具體、有形的觸覺反饋和組織學、病理學信息[5]。同時，3D打印器官模型，如3D打印假牙、骨支架、細胞、血管、皮膚和耳朵等，可用于術前規(guī)劃、手術模板、創(chuàng)建多種植入物、生物組織工程等[6]，從而推動個體化精準醫(yī)療的發(fā)展，這為腦神經(jīng)疾病治療方案的選擇提供了新思路，也為改善腦神經(jīng)疾病預后提供了技術革新。

2 腦神經(jīng)疾病相關3D打印模型的分類

腦神經(jīng)疾病是一類以顏面部疼痛、肌肉痙攣為主要癥狀的疾病，其中三叉神經(jīng)痛、面肌痙攣、舌咽神經(jīng)痛最為常見[7]。頻繁發(fā)作的面部疼痛與面肌痙攣常嚴重影響患者的生活質量。目前，雖然已經(jīng)研發(fā)出多種針對腦神經(jīng)疾病的藥物，但大多數(shù)患者存在藥物耐受，效果欠佳，最終仍需手術治療。針對腦神經(jīng)疾病的一線手術治療方式為微血管減壓術(microvascular decompression，MVD)，主要適用于特發(fā)性面肌痙攣、原發(fā)性舌咽神經(jīng)痛以及與神經(jīng)血管壓迫相關的原發(fā)性三叉神經(jīng)痛[8]。而對于繼發(fā)性三叉神經(jīng)痛以及部分不適合MVD的患者，可選擇經(jīng)皮射頻熱凝術、經(jīng)皮穿刺球囊壓迫術(percutaneous balloon compression，PBC)和甘油毀損術等治療方式[9]。由于頭面部神經(jīng)、血管豐富，解剖關系復雜，個體變異性較大，腦神經(jīng)疾病的診治中病變血管及神經(jīng)的顯示尤為重要[1]。目前，CT、磁共振成像是腦神經(jīng)疾病的主要輔助診斷手段[10]，但CT僅能清晰顯示病變部位毗鄰的骨性結構，而不能顯示相關血管神經(jīng)壓迫情況，而磁共振成像預測血管神經(jīng)壓迫的靈敏度和特異度分別為87%和50%[11]，故需要尋找一種更加精準的腦神經(jīng)疾病診療輔助技術。隨著3D打印技術的臨床應用，通過3D打印技術可以充分實現(xiàn)腦神經(jīng)的三維可視化[2]，能夠為腦神經(jīng)疾病診療提供更有力的依據(jù)。

2.13D打印顱腦模型 患者顱腦解剖結構的3D打印模型可以清晰直觀地顯示病變部位的血管、神經(jīng)、顱骨等，術者可根據(jù)3D模型模擬手術。Mashiko等[12]對不同材料及類型顱腦模型的研究發(fā)現(xiàn)，利用丙烯腈丁二烯苯乙烯、石膏和有機硅可以制作柔軟的可伸縮小腦與彈性動脈，具有較高的仿真性，可為術者提供更加真實的術中觸感，更好地指導手術。有臨床研究指出，利用3D打印顱腦模型有助于術者制訂更有針對性的手術方案，并有助于預測術中可能出現(xiàn)的困難與危險，不僅可縮短MVD手術時間，還可使手術更加精確，減少術后并發(fā)癥發(fā)生[13-14]。

2.23D打印手術導航模板 除3D打印顱腦模型，3D打印技術還可以用于打印手術導航模板。根據(jù)影像學結果，觀察患者顱骨的形狀、大小及其與周圍軟組織的解剖關系，3D打印依托顱骨解剖結構的負空間精確打印特定模板，可指導術中鉆孔、開顱及穿刺等操作。對于采用經(jīng)皮穿刺等微創(chuàng)手術方式治療的腦神經(jīng)疾病患者，通過3D打印導板與患者顱面部貼合確定穿刺點位置，且導板上帶有刻度的空心圓柱體可以確定穿刺角度與穿刺深度，以提高穿刺準確度、縮短穿刺時間，避免反復多次穿刺引發(fā)嚴重并發(fā)癥[15-16]。對于行開顱MVD的腦神經(jīng)患者，依據(jù)顱骨內側面設計的3D打印定位導板，可以精準定位第一個骨孔位置，從而明顯縮短術中骨瓣成形時間，減少術中小腦的牽拉，減少靜脈竇破裂、皮下積液、腦組織腫脹等并發(fā)癥的發(fā)生，提高手術效果[17]。

3 3D打印技術在腦神經(jīng)疾病中的應用

3.13D打印個性化模型指導腦神經(jīng)疾病的手術治療

3.1.13D打印個性化模型指導MVD 目前，MVD治療面肌痙攣、三叉神經(jīng)痛、舌咽神經(jīng)痛的療效確切[18]。由于腦干區(qū)血管、神經(jīng)關系復雜，如椎動脈迂曲遷延、巖靜脈阻擋手術、存在穿動脈等均增加了MVD的手術難度。3D腦干區(qū)模型可以清晰顯示腦干區(qū)的血管神經(jīng)，且術前模擬有助于術中更精確地尋找手術角度，具有明顯的優(yōu)勢[12]。徐軍等[14]的臨床研究發(fā)現(xiàn)，術前應用3D打印技術可明確定位面肌痙攣責任血管與面神經(jīng)的病變區(qū)域，提高MVD的手術準確性，并有效減少術后并發(fā)癥發(fā)生，具有更好的治療效果。此外，3D打印模型可通過術前模擬將虛擬的電腦三維模擬操作實體化，能夠更好地模擬MVD[19]，有助于術前充分評估患者病情、手術方案、術中情況，從而制訂個體化手術方案[20-21]。

MVD首選的手術入路為乙狀竇后入路，該入路可準確定位第一個骨孔的位置，但由于存在個體差異，僅依靠骨性標志定位骨孔位置并不準確，增加了患者靜脈竇損傷的風險[22]?；诖?，沈承恩[17]使用3D slicer軟件處理顱腦CT靜脈血管成像后，制作手術鉆孔導板，可以更加精準定位骨孔位置，避免因解剖變異造成的鉆孔不準而引起的各種弊端，更好地指導手術開顱，減少手術并發(fā)癥發(fā)生、縮短手術時間。因此，3D打印技術應用于手術治療功能性神經(jīng)疾病，可以模擬及指導手術，具有良好的效果，可作為臨床輔助手術治療的重要方式。

3.1.23D打印個性化模型指導PBC PBC在三叉神經(jīng)痛的治療方面表現(xiàn)出微創(chuàng)、無痛、便捷、安全等優(yōu)點，在國內廣泛應用。精準穿刺是PBC手術的重點和難點，以便引導球囊順利進入卵圓孔。但卵圓孔位于顱中窩，位置較深，導致穿刺角度或深度易出現(xiàn)偏差，難以保證穿刺準確性，進而損傷周邊神經(jīng)及血管，產生面部腫脹、咀嚼無力等并發(fā)癥[23]。且卵圓孔的形狀、角度、大小等可能存在諸多解剖變異，同時卵圓孔周邊骨嵴可能會阻擋穿刺路徑[24]，導致卵圓孔穿刺的不確定性增加，而術前打印個體化3D穿刺模板可以有效解決上述問題。彭逸龍等[15]臨床研究發(fā)現(xiàn)，運用個體化3D打印導板可以為PBC手術提供精確的穿刺路徑及位置，提高手術成功率，縮短手術時間。張濤等[16]應用3D打印穿刺面具行PBC治療三叉神經(jīng)痛，可以提高穿刺準確性，節(jié)省手術時間，減少并發(fā)癥發(fā)生，提高手術效果。由此可見，3D打印穿刺導板可提高穿刺準確度，減少反復穿刺可能造成的卵圓孔附近重要神經(jīng)血管的損傷，改善手術效果。

3.1.33D打印個性化模型指導射頻熱凝術 除MVD及PBC外，卵圓孔定位射頻熱凝術治療原發(fā)性三叉神經(jīng)痛的有效性和安全性較好，與PBC類似，該手術方式的治療效果與穿刺精確定位有關[25]。為了提高穿刺的準確性，探索了多種術中可視化輔助穿刺，其中3D打印手術導航具有明顯優(yōu)勢。多項臨床研究證實，3D打印導航輔助穿刺是一種安全、準確的導航工具，其穿刺效果優(yōu)于徒手穿刺，具有穿刺次數(shù)少、手術時間短、并發(fā)癥發(fā)生率低等優(yōu)勢[26-29]。此外，與單純C型臂透視相比，3D打印手術導航操作更加簡便、手術更加精準、手術過程中的透視次數(shù)顯著減少，且術后并發(fā)癥發(fā)生率更低，因而具有很高的臨床應用價值[30-31]。與術中CT引導下穿刺相比，3D打印導航模板可以顯著提高首次穿刺成功率，降低患者術中穿刺時的輻射量[23,32]。除了傳統(tǒng)的輔助手段外，賴尚導等[33]對比研究3D打印定位穿刺角度引導器與數(shù)字減影血管造影的結果顯示，3D打印組可操作性高，穿刺成功率更高。Deng等[34]將定制的3D打印導板用于三叉神經(jīng)痛經(jīng)皮射頻熱凝術治療，并對術前模擬深度與真實穿刺深度進行對比，結果發(fā)現(xiàn)，3D打印導板穿刺精確度更高，穿刺針定位更準確，且并發(fā)癥更少。綜上所述，與傳統(tǒng)手術操作相比，應用3D打印導航模板輔助射頻熱凝術治療三叉神經(jīng)痛的操作更簡便、更精準，且手術過程中透視次數(shù)減少，手術時間縮短，術后并發(fā)癥發(fā)生率大大降低。

3.23D打印個性化模型應用于教學培訓 神經(jīng)外科手術技能的獲取十分重要，若術中對年輕醫(yī)師進行技能培訓、知識講解，將延長切口暴露時間、增加術中失血量及全身麻醉下機體應激的發(fā)生風險[26]，而3D打印模型可循環(huán)利用，能夠很好地解決上述問題。有學者認為，3D打印腦神經(jīng)模型可以1∶1還原血管、神經(jīng)、顱骨等顱內解剖結構；且具有可外部操作、觀察等優(yōu)勢，能夠幫助醫(yī)學生及神經(jīng)外科醫(yī)師直觀地理解和分析復雜的腦神經(jīng)血管解剖結構，并推理手持空間，進而加深對腦神經(jīng)和顱底空間復雜解剖結構的理解[35-36]。此外，3D打印個性化顱腦模型還可用于外科住院醫(yī)師培訓，為年輕醫(yī)師提供體外真實操作機會，在避免患者損傷的前提下，使受訓醫(yī)師掌握必備的手術技能[37-38]。在實際手術操作中，3D打印顱腦模型和導板都可縮短開顱鉆孔和穿刺操作初學者的學習曲線[15]。Mashiko等[12]將3D打印腦干區(qū)聯(lián)合模型應用于初級外科醫(yī)師培訓，指導外科醫(yī)師快速掌握顯微外科手術技巧，取得了良好的培訓效果。鄭佳平等[13]3D打印了面肌痙攣顱腦模型，使年輕醫(yī)師得到更專業(yè)及更有針對性的培訓，更熟練地掌握了MVD的關鍵步驟。由此可見，通過3D打印技術，可以使醫(yī)學生更深入地了解顱腦解剖結構，也可以為神經(jīng)外科受教育者提供更多的動手機會，使其在低風險、高頻率的操作中獲得豐富的基礎臨床經(jīng)驗及手術技能[21]。

4 小 結

傳統(tǒng)腦神經(jīng)疾病的手術治療大多依靠神經(jīng)外科醫(yī)師的經(jīng)驗以及術中對病變區(qū)域解剖結構的識別，但由于臨床顱腦解剖結構復雜且變異性較大，術中需要多次調整手術路徑，導致手術時間延長，且患者術中、術后并發(fā)癥的發(fā)生率可能增加。研究發(fā)現(xiàn)，3D打印模型在治療腦神經(jīng)疾病方面可以更精準且直觀地顯示病變區(qū)域及其毗鄰組織的關系，更好地避免術中對血管神經(jīng)的過度牽拉、減少手術意外的發(fā)生，明顯縮短手術時間，提高操作準確度[38]，為患者提供更精確的個性化診療方案。3D打印成為腦神經(jīng)疾病診療過程中的重要選擇之一，但3D打印模型也存在一定局限性。目前的3D打印工藝耗時較久、費用較高，并不適用于急診患者及經(jīng)濟困難的患者[39]，故未來的研究將側重于降低3D打印的材料及時間成本，以推動其在腦神經(jīng)疾病診治中的應用。