3D打印在顱內(nèi)動脈瘤血管內(nèi)治療中的應用

楊彥晨白斌程云章

0 引言

顱內(nèi)動脈瘤(intracranial aneurysm，IA)是一類具有高發(fā)病率、高致死率的疾病[1]。由于其發(fā)病部位的復雜性，治療方式近年來也在發(fā)生變化。開顱夾閉與血管內(nèi)治療是目前臨床上選用的兩種治療方式，隨著神經(jīng)影像技術及介入器具的不斷發(fā)展，血管內(nèi)治療以其低創(chuàng)傷的特點，已成為目前治療顱內(nèi)動脈瘤的主流方式[2-3]。然而在面對一些形狀復雜且介入裝置釋放可能存在困難的顱內(nèi)動脈瘤時，醫(yī)生的術前手術模擬與方案制定就顯得極其重要。一般情況下，支架與導管等介入裝置只能通過顯影絲或顯影環(huán)經(jīng)屏幕看到，醫(yī)生無法直觀地了解到支架在動脈瘤內(nèi)的釋放情況[4-5]。

3D打印技術又稱多層堆疊打印技術，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用構建模型所需材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[6]。隨著計算機影像學、材料學以及制造工藝水平的發(fā)展，3D打印在醫(yī)療領域的應用不斷擴大，如組織工程學、再生醫(yī)學、制藥工程、醫(yī)學模型與設備等方面[7-9]。劉宇清等[10]報道：心臟外科、骨外科及肝膽外科等科室已經(jīng)成功打印制作3D器官模型，并在術前通過3D模型了解組織器官的特點以及相關變異情況，能夠幫助醫(yī)生在手術前模擬復雜操作，并為患者制定相應的手術方案，從而提高手術操作的精確度。此技術在腦動脈瘤治療方面近年來的發(fā)展也十分迅速[11]。

將3D打印技術應用于顱內(nèi)動脈瘤治療中，通過打印患者特異性動脈瘤模型，不僅使得術前預演、提高手術的成功率成為可能，而且對于治療不理想的病例，也能起到回顧性分析總結經(jīng)驗的作用，是目前顱內(nèi)動脈瘤介入治療發(fā)展的新方向。

1 3D打印顱內(nèi)動脈瘤模型基本流程

如今3D打印技術在醫(yī)療領域快速發(fā)展，越來越多的研究者將這一技術應用在了腦動脈瘤介入治療中。圖1所示為動脈瘤模型打印關鍵流程，首先通過數(shù)字減影血管造影(digital substraction angiography，DSA)技術獲得的患者特異性動脈瘤三維模型[圖1(a)]，然后經(jīng)過Geomagic 等逆向工程軟件進行分割、簡化、平滑，修復后以STL格式輸出[圖1(b)]，為后續(xù)3D打印做好前處理準備。將處理好的STL格式文件在MakerBot等切片軟件中進行位置擺放與模型調整，之后進行切片[圖1(c)]，切好片的文件仍以STL格式輸出，通過SD卡連接3D打印機進行模型打印[圖1(d)]。然而3D打印腦動脈瘤的精度、材料、時間等問題仍然是研究者所關注的。更短的打印時間、更高的打印精度、更貼合人體真實血管的材料一直是研究者所追求的目標。

圖1 3D打印動脈瘤流程Figure1 Process of 3D printed aneurysm model

2 3D打印顱內(nèi)動脈瘤模型時間

3D打印動脈瘤模型完成時間越短，此技術越值得在臨床進行推廣。因此3D打印動脈瘤的時間決定了這項技術的可行性。Kim等[12]使用樹脂制作10枚動脈瘤用時(3.7±0.46)h。Kono等[13]使用硅膠通過“失蠟法”制作了一枚顱內(nèi)動脈瘤用時大約2周。前者制作的動脈瘤模型在術前模擬與動脈瘤結構理解上更具有實施意義，更少的制作時間意味著患者得到有效救治的時間可以大大提前。由于使用硅膠制作模型在工藝流程上較樹脂模型更加復雜，因此對于時間的需求也相應較高，后者制作的硅膠模型花費時間更長，對于患者手術規(guī)劃的即時性不太友好，但是適合用于術前術后的治療療效對比，可以利用此模型在搭建體外循環(huán)平臺，進行粒子圖像測速法(particle image velocimetry，PIV)實驗，對于治療前后動脈瘤區(qū)域血流動力學等因素進行測算，并在一定程度上解釋治療后可能發(fā)生的由于這些血流動力學因素的改變造成的并發(fā)癥。因此，未來更短的打印時間是患者更及時準確的救治的前提，也正是未來3D打印在顱內(nèi)動脈瘤模型打印中發(fā)展的方向之一[14-15]。

3 3D打印顱內(nèi)動脈瘤模型材料及工藝實現(xiàn)

3D打印的原材料是3D打印區(qū)別于傳統(tǒng)加工方式的關鍵。由于顱內(nèi)動脈瘤的小尺寸、復雜彎曲結構，大部分原材料與加工工藝并不適合于顱內(nèi)動脈瘤的制作。目前主要使用的打印材料包括硅膠、樹脂、橡膠等。其中硅膠類材料由于其強度過大，適合使用“失蠟法”制作透明腔體進行PIV等體外實驗[16-17]。樹脂類材料表面光滑、透明，打印精度高的特點使其成為目前打印動脈瘤應用最廣的材料[18]。高彈性高透明的橡膠類材料制作的動脈瘤模型更適合臨床術者的模擬使用[19]。使用內(nèi)皮細胞等生物材料進行打印的模型更適合于動脈瘤生長機制與血流動力學環(huán)境變化情況的研究[20]。

這些材料雖各有優(yōu)勢，但是3D打印顱內(nèi)動脈瘤不僅是材料的選擇，更需要的是工藝實現(xiàn)。內(nèi)皮細胞等生物材料，由于其高昂的價格以及細胞培養(yǎng)的不便，在臨床應用非常少。高彈性高透明的橡膠類材料，在打印小動脈瘤時，就會存在模型擺放的問題。小動脈瘤內(nèi)部的空腔需要支撐，且打印完成后內(nèi)部支撐材料不易清除干凈，從而影響后續(xù)動脈瘤模型的研究。硅膠類材料幾乎沒有彈性，但是通過“失蠟法”工藝，可以制作小尺寸動脈瘤模型，應用范圍較廣。樹脂類材料中的光敏樹脂以其無色透明、光透射能力好的特點目前屬于臨床研究的“寵兒”。其制作的動脈瘤模型也適合于流體流動分析，可以用來與計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)技術相結合進行腦動脈瘤血流動力學機制方面的研究。

4 3D打印顱內(nèi)動脈瘤模型精度

3D打印的精度關乎醫(yī)生對于患者動脈瘤特性的理解與手術治療方案的制定，尤其在顱內(nèi)動脈瘤介入手術中。由于手術的較高難度與復雜性，為了更好地提高手術治療的效果，3D打印模型的精度要求就顯得至關重要。通常來說，在使用的3D打印機和打印材料一致的條件下，主要誤差來自于：(1)數(shù)據(jù)誤差，3D打印的顱內(nèi)動脈瘤模型文件通常由DSA、CT或MRI等方法獲得，當掃描獲得的模型質量較差時就容易產(chǎn)生誤差，最終使動脈瘤模型與患者實際的動脈瘤形態(tài)產(chǎn)生較大偏差。(2)分層誤差，由于3D打印的原理是逐層疊加，在打印過程中會丟失層與層之間的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生“臺階效應”，從而降低模型的精度。因此，在實際的操作過程中除了需要保證3D打印機精度和系統(tǒng)精度外，還需注意保證STL模型的質量，選擇合適的加工制造方向以控制模型曲面的曲率，從而減少“臺階效應”，使最終得到的動脈瘤模型的精度滿足使用要求[21]。

對此，國內(nèi)外學者已有不少研究。Anderson等[22]打印了10例顱內(nèi)動脈瘤后，將打印的模型與原始圖像的動脈瘤直徑進行對比發(fā)現(xiàn)3D打印的模型和來源解剖學之間有很好的一致性。打印模型與原始圖像的動脈瘤直徑測量值相關性良好(R=0.999；P<0.001),沒有顯著的統(tǒng)計學差異(P=0.4)或者觀察到偏差，原始圖像與3D模型測量的標準差分別為0.5 mm和0.2 mm。這表明3D打印動脈瘤時在精確度方面是值得信任的，可以準確復制顱內(nèi)動脈瘤的具體形態(tài)。譚衍等[23]選取21例顱內(nèi)動脈瘤患者，采用3D打印技術構建顱內(nèi)動脈瘤復合體3D模型，并與介入栓塞術前顱腦CTA結果進行對比分析。結果顯示3D打印技術與顱腦CTA相比，其長、寬和厚度測量值無明顯變化，差異無統(tǒng)計學意義(t=0.03，t=0.07,t=0.08；P>0.05)。表明3D打印模型能夠準確直觀地使醫(yī)生理解載瘤動脈瘤與動脈瘤的解剖特點，促進手術方案的制定與手術效果的提高。

5 3D打印顱內(nèi)動脈瘤的實際應用

5.1 術前評估

目前對于顱內(nèi)動脈瘤的介入治療，醫(yī)生在栓塞時使用3D-DSA圖像進行手術定位與介入裝置的釋放，這種方式是血管內(nèi)介入術治療的基礎，但是有時釋放后的治療效果卻不盡如人意。主要有兩個原因：一方面，在2D屏幕中觀看缺乏信息深度，外科醫(yī)生需要對3D結構與空間位置做出準確的評估，對于經(jīng)驗的依靠較為偏重。另一方面，外科醫(yī)生對于治療與導管進入載瘤動脈的真實路徑?jīng)]有一個直觀的認識，只能通過支架上設計的顯影環(huán)或顯影絲進行釋放路徑與釋放位置、狀態(tài)的判斷。而臨床醫(yī)生能通過3D打印技術制作的動脈瘤模型結合3D-DSA圖像，更加直觀地理解支架在動脈瘤內(nèi)的釋放情況，為醫(yī)生進行手術方案的規(guī)劃、降低血管內(nèi)治療的操作難度提供了一個較好的術前理論支持和解決方案[24-26]。Kono等[27]3D打印了一例未破裂的前交通寬頸動脈瘤，進行血管內(nèi)治療模擬，盡管這只是一個單一的病例，但這表明通過在治療前進行血管內(nèi)模擬，對于設計治療策略和血管內(nèi)裝置的安全操作是可行的和有幫助的?？祶昜28]成功打印出24例顱內(nèi)動脈瘤模型，進行回顧性研究。其中5例患者的手術方案在通過3D打印模型術前模擬后進行了改進，通過調整磨除骨窗位置、更改手術入路等手段改進了手術方案取得了更好的治療效果。進一步表明3D打印技術在術前模擬與手術方案的制定中是一個較好的發(fā)展方向，有助于醫(yī)生總結經(jīng)驗，并根據(jù)模型進行手術回顧及總結。然而康崟的研究并未對醫(yī)生的評價進行收集，沒能很好地體現(xiàn)出3D打印技術帶給醫(yī)生的幫助。Mashiko等[29]在3D打印20例顱內(nèi)動脈瘤后進行了術前手術方案制定與模擬，并對在術前與術中研究了3D模型的外科醫(yī)生進行調查，經(jīng)驗豐富的和實習的外科醫(yī)生都表明，3D打印模型有助于增強他們對動脈瘤形態(tài)學的理解。12人中有12人對于彈性模型給予了良好的評價，這更表明3D打印動脈瘤模型可以克服傳統(tǒng)解剖學教材的枯燥空洞與病理條件下難以還原人體真實解剖的不足，是對傳統(tǒng)教材的完善與補充，為年輕醫(yī)師的成長提供學習平臺。

5.2 提高患者滿意率

3D打印動脈瘤模型不僅對于醫(yī)生的手術提供了便利，還使得患者對病情有了更直觀的理解，提高了患者與家屬的滿意率。Kim等[12]將20名未破裂顱內(nèi)動脈瘤患者隨機分為兩組，一組進行3D打印動脈瘤模型病情講解，另一組進行CTA動脈瘤圖像病情講解?；颊咴谶@之后完成了一份關于滿意度調查的問卷。結果表明，3D打印的動脈瘤模型提供了一個更好的病情理解，患者滿意度很高。劉子燕等[30]對60例動脈瘤進行分組研究后發(fā)現(xiàn)，在顱內(nèi)動脈瘤介入治療中，運用3D打印技術的實驗組患者術前談話時間及術中操作時間均明顯低于對照組，GOS評分和患者家屬滿意度均高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義。3D打印以其直觀逼真的視覺效果使患者與家屬對病情有了清晰的了解，并有助于醫(yī)患之間的交流。

6 小結

3D打印顱內(nèi)動脈瘤已廣泛應用于臨床研究，然而這些工作都有一定的局限性。首先，3D打印技術制作的模型的效果受制于動脈瘤模型圖像的分辨率，獲取圖像時顱內(nèi)動脈始終處于搏動狀態(tài)，在一定程度上影響圖像的清晰度，甚至可能出現(xiàn)偽影。其次，3D打印所創(chuàng)建的動脈瘤模型數(shù)量與種類在研究中無法覆蓋所有的動脈瘤類型，一些小尺寸動脈瘤無法通過這種方式創(chuàng)建，且小分支血管(尺寸<1 mm)等結構在打印前一般會進行剔除。再者，目前多數(shù)3D打印采用的材料都是硅膠、樹脂、橡膠等常規(guī)材料，并不是由血管內(nèi)皮細胞進行直接打印，打印出的模型并不能像真實的動脈瘤和載瘤動脈擁有一樣的彈性與柔軟度。

作為一個正在嘗試應用于臨床與醫(yī)療研究領域的技術，近來已有一些研究者將3D打印技術與CFD、PIV等技術相結合，支架等血管內(nèi)治療裝置由于無法獲得其真實部署狀態(tài)從而進行CFD研究，以往僅能使用多孔介質、有限元等方法進行替代模擬。3D打印技術制作動脈瘤模型，在體外進行支架釋放，通過CT掃描重建支架部署狀態(tài)，可以在體外模擬人體血液循環(huán)實驗或進行真實釋放的計算流體力學仿真分析，更能從血流動力學的角度對于顱內(nèi)動脈瘤的治療與預后有一個更完善的認識。這也為未來顱內(nèi)動脈瘤血流動力學環(huán)境研究的準確度的提高指明一個思路。同時3D打印技術為顱內(nèi)動脈瘤的治療與認識提供了一種獨特的方法，它可以快速復制患者的特異性動脈瘤模型，不僅為醫(yī)生在術前制定方案縮短了時間，還便于醫(yī)患雙方的溝通交流，在操作教學與學術研究方面也值得廣泛應用。