3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科中的應(yīng)用研究進展

游莉華，吳劍，李軍政1，

(1.貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，貴州 貴陽 550004; 2.暨南大學(xué)附屬廣州紅十字會醫(yī)院 耳鼻咽喉頭頸外科，廣東 廣州 510220)

3D打印技術(shù)是通過計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)三維數(shù)字模型或在計算機上利用斷層掃描模擬立體形態(tài)，用增量制造、逐層打印的方式重建三維物體的技術(shù)。自1984年Chuck Hull首次提出“3D打印”概念，并于1986年發(fā)明第一臺3D打印機，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的誕生[1]。幾十年以來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，其中，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展較快，包括在組織器官修復(fù)、人工假體等方向都有較為廣泛的應(yīng)用研究[1-7]。目前，3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對較少，鼻-顱底解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細，外科手術(shù)難度大、風(fēng)險高，而3D打印技術(shù)可以將CT或MRI圖像通過專業(yè)軟件處理轉(zhuǎn)化為高仿真性、可視化、高精度的三維實物模型[8-9]，兩者的巧妙結(jié)合注定會有一個廣闊的應(yīng)用前景。本文將對3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科的研究及發(fā)展現(xiàn)狀作一綜述。

1 3D打印的概述

3D打印技術(shù)是通過采集物體圖像資料，并借助計算機輔助技術(shù)創(chuàng)建三維設(shè)計，繼而數(shù)據(jù)傳輸至3D打印設(shè)備對物質(zhì)材料以“分層疊加、增量制造”的方式重建實物模型的打印技術(shù)[9-10]。

1.1 3D打印的技術(shù)步驟

3-D打印技術(shù)的第一步是獲取對象的3D打印原始圖像數(shù)據(jù)，獲取原始圖像數(shù)據(jù)方式包括掃描儀、CT、MRI圖像等，將上述方式獲取的數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出[1-2,11]。第二步是將醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)(DICOM文件)導(dǎo)入到建模軟件中，建模軟件通過獲取指定的圖像數(shù)據(jù)將其處理成代表實際組織解剖的目標(biāo)局部空間模型。目前已有許多建模軟件，如Mimics、Amira、Rhino、3D Slicer等。其中，Mimics是最常用的軟件之一[11]。使用建模軟件(Mimics)分割出所需圖像數(shù)據(jù)，三維建模得到STL文件。最后，將STL文件導(dǎo)入3D打印控制軟件設(shè)備，設(shè)置精度、顏色、打印材料等參數(shù)，打印完畢后去除支撐結(jié)構(gòu)，進行二次固化、表面打磨，從而實現(xiàn)目標(biāo)實物模型的快速成型[2,11]。

1.2 3D打印技術(shù)類型

1.2.1 立體光刻術(shù) 盡管是首個發(fā)展起來的3D打印技術(shù)，立體光刻術(shù)仍是業(yè)界的黃金標(biāo)準[12-13]。立體光刻術(shù)具有高精度、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但是與其他3D打印方法相比材料相對昂貴。連續(xù)液體界面生產(chǎn)代表了該領(lǐng)域的最新進展[13-14]，在立體光刻術(shù)中，所制造的對象從液體樹脂池中提取，液體樹脂連續(xù)填充在提取對象的下方，在紫外光輔助下，可實現(xiàn)不間斷生產(chǎn)和高分辨率[14-15]。

1.2.2 材料噴射技術(shù) 與立體光刻技術(shù)的不同之處在于其固定的UV光源。此外，其制造取決于液體樹脂的位置沉積[13,15]。與立體光刻技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢在于其成分控制：通過分配單獨的樹脂滴，材料可以在印刷過程中進行調(diào)整，使得其可以生產(chǎn)具有極高材料質(zhì)量和極高分辨率的異質(zhì)物體[16]。

1.2.3 黏結(jié)劑噴射技術(shù) 其與上述方法的不同之處在于，除了黏合劑物質(zhì)外，它還使用粉末材料(兼容材料包括金屬、玻璃等)。該技術(shù)必須經(jīng)“去粉”和“燒結(jié)”過程，同時在此過程中加熱以改善其機械性能。盡管相比上述技術(shù)類型增加了后處理時間，但粘結(jié)劑噴射仍然是一種相對方便的3D打印形式[15-16]。

1.2.4 熔融沉積技術(shù) 熔融沉積技術(shù)是將材料直接注入到制造平臺上，不與粉末或黏合劑相互作用。材料必須加熱到半熔融狀態(tài)，并通過噴嘴擠壓，當(dāng)平臺垂直移動時，材料在噴嘴中凝固，然后每一層重復(fù)上述過程。熔融沉積技術(shù)通常比其他3D打印方法便宜，受材料可用性的限制較少。但其缺點是不能集成多種不同的材料，并且成品分辨率和表面光澤度相對較差[13,15]。

目前3D打印技術(shù)應(yīng)用比較廣泛的類型是立體光刻技術(shù)和熔融沉積技術(shù)[15]，近年來，已有研究證明使用上述打印技術(shù)可以重現(xiàn)令人滿意的患者個體化3D解剖模型[3,17-18]。

2 3D打印在鼻-顱底外科中的應(yīng)用

以往3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究主要集中于組織及器官的重建及修復(fù)。相關(guān)研究報道3D打印技術(shù)成功用于包含血管及血管網(wǎng)[19]、四肢骨骼[20]、顱骨[21]、耳[3]、下頜骨[22]等組織器官在內(nèi)的重建及修復(fù)。近年來隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其在各臨床?？?如鼻科、顱底外科等)的應(yīng)用價值不斷被發(fā)掘，如術(shù)前規(guī)劃[5,23-24]、解剖培訓(xùn)[25-26]等等。隨著3D打印技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的不斷融合、創(chuàng)新及發(fā)展，其在臨床應(yīng)用方面的發(fā)展前景越來越廣闊。

隨著3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用逐步深入，給鼻-顱底外科的手術(shù)設(shè)計、修復(fù)重建等臨床應(yīng)用帶來了新的契機。鼻-顱底解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置深在，使得開展此區(qū)域手術(shù)極為困難，鼻-顱底手術(shù)后的缺損修復(fù)重建也一直是臨床一大難題，3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)人體內(nèi)在局部解剖結(jié)構(gòu)及其位置關(guān)系進行三維立體可視化重現(xiàn)，使得復(fù)雜的鼻-顱底手術(shù)簡單化，功能重建更加完美。目前，3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科可應(yīng)用于：鼻-顱底缺損修復(fù)；術(shù)前規(guī)劃及術(shù)前手術(shù)模擬；解剖教學(xué)及培訓(xùn)；患者教育等方面[23,27]。

2.1 鼻-顱底缺損修復(fù)

3D打印技術(shù)在鼻-顱底缺損修復(fù)方向的研究是近年來的研究熱點之一。以往，因鼻-顱底解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置深在，使得開展此區(qū)域手術(shù)極為困難，鼻及顱底的缺損修復(fù)也一直是臨床一大難題。而3D打印技術(shù)憑借對局部解剖結(jié)構(gòu)及其毗鄰組織位置關(guān)系進行三維立體重現(xiàn)、對缺損部位通過計算機輔助技術(shù)精準重建等優(yōu)勢，使得復(fù)雜的鼻、顱底手術(shù)簡單化，功能重建更趨于完美。近幾年來，3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科的修復(fù)重建等方面取得了不小的進展。此外， 3D打印修復(fù)材料的研究近幾年來也取得了迅猛的發(fā)展。

2.1.1 3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科的缺損修復(fù)的研究 3D打印技術(shù)在鼻-顱底外科中的修復(fù)的相關(guān)研究近年來在國內(nèi)外已有不少報道。在鼻腔功能重建、改善外觀及局部癥狀等方面取得了不錯的效果。徐希康等[28]利用13例鼻骨骨折患者術(shù)前CT影像資料制作個體化3D打印鼻骨骨折復(fù)位器，成功用于鼻骨復(fù)位手術(shù)，患者術(shù)后外形主觀滿意度及鼻塞等癥狀均取得一定的改善。Park等[4]將3D打印的生物材料成功用于鼻腔重建的動物研究，成功將3D打印的聚己內(nèi)酯材料作為隔墊延伸移植物插入進行兔隆鼻整形，植入物的初始形狀和位置在3個月內(nèi)沒有變化，同時保持了良好的纖維血管向內(nèi)生長和最小的炎癥反應(yīng)。Zaoui等[29]對45位有癥狀的鼻中隔穿孔患者通過3D打印技術(shù)定制個性化有機硅“按鈕”(植入物)修復(fù)穿孔鼻中隔，患者術(shù)后隨訪顯示患者鼻塞、鼻出血等癥狀顯著改善。Le等[30]將3D打印的鈦植入物用于上頜竇腫瘤手術(shù)后上頜骨缺損的修補，術(shù)前將11例患者的計算機斷層掃描影像學(xué)數(shù)據(jù)根據(jù)腫瘤邊緣對缺損進行三維重建，然后利用3D打印設(shè)備將制作缺損鈦植入物模型，用于設(shè)計、規(guī)劃上頜竇腫瘤病損切除及術(shù)后上頜骨缺損的修補及重建，術(shù)后6個月隨訪外觀恢復(fù)良好，多數(shù)患者術(shù)后EORTC生命質(zhì)量測定量表(QLQ-C30)總體生活質(zhì)量評分效果滿意?？傮w而言，3D打印植入物在短期內(nèi)對于患者鼻腔功能、外觀、生活質(zhì)量等方面都有一定的改善，但長期效果、相關(guān)副作用等缺乏相關(guān)臨床研究報道，而且研究報道臨床樣本量偏少，3D打印技術(shù)的遠期效果仍需大量臨床研究證實。

近年來，隨著影像導(dǎo)航技術(shù)、內(nèi)鏡輔助技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，使得顱底相關(guān)疾病，尤其是顱底腫瘤的外科治療越來越廣泛地應(yīng)用，然而，對于腫物切除后局部解剖結(jié)構(gòu)的缺損修復(fù)仍然是臨床難題之一。以往，常常對缺損部位用自體組織如脂肪、黏膜瓣(鼻中隔黏膜瓣、鼻外側(cè)黏膜瓣等)或者生物材料等進行填充，但其缺點是對植入材料的深度、面積等參數(shù)不能精確計算，無法做到精確塑形，往往需要經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生進行操作，同時也增加了潛在的手術(shù)時間。而3D打印技術(shù)可以在術(shù)前通過計算機輔助技術(shù)三維重現(xiàn)局部缺損解剖模型，并在此基礎(chǔ)上對植入物進行精確塑形。Ahmed等[31]報道了1例利用3D打印技術(shù)的輔助顱中窩腫物切除，術(shù)前利用3D打印技術(shù)三維重建患者顱骨病變模型，并據(jù)此制定了手術(shù)方案，同時利用所打印模型，根據(jù)病變大小、形狀在設(shè)計了一種硅橡膠薄膜(植入物)，成功運用于術(shù)中病變?nèi)睋p修復(fù)，有效縮短了手術(shù)時間，術(shù)后隨訪恢復(fù)良好。Abdel等[32]以聚甲基丙烯酸甲酯為原材料為 3例患者打印假體后進行顱骨修補，術(shù)程順利，術(shù)后隨訪效果滿意。

2.1.2 3D打印材料在鼻-顱底缺損修復(fù)中的研究 近年來，3D打印技術(shù)應(yīng)用于鼻-顱底缺損修復(fù)材料中的研究取得了顯著的進展。 在傳統(tǒng)鼻-顱底缺損修復(fù)中。據(jù)報道，常用的修復(fù)材料有柔性材料如顳肌、顳肌筋膜、脂肪、黏膜瓣以及剛性材料如自體骨移植、羥基磷灰石、骨水泥、軟骨等[33]。上述材料雖然在臨床應(yīng)用廣泛，但存在著明顯的局限性，如柔性材料存在著貼合性、耐用性不足等缺點，而剛性材料對缺損部位不規(guī)則的貼合性、以及邊緣毛刺、銳利可能對腦組織進一步損害等缺點。而3D打印技術(shù)輔助下的修復(fù)材料，憑借其對局部組織缺損三維重現(xiàn)的優(yōu)勢，可以增強修復(fù)材料的貼合性，同時隨著組織工程的發(fā)展，生物修復(fù)材料的發(fā)展迅速，修復(fù)材料由金屬(鈦合金等)、羥基磷灰石到新型聚合物(PEKK等)、高分子生物材料等，其組織生物相容性不斷提高[33]。此外，有研究報道利用3D打印技術(shù)通過構(gòu)建個性化仿生三維支架來模擬不同組織的微環(huán)境,誘導(dǎo)自身干細胞的增殖與分化成功實現(xiàn)對軟骨等組織器官的修復(fù)[34]；雖然，這項技術(shù)尚處于試驗研究階段，但這項利用3D打印支架與干細胞結(jié)合的技術(shù)的成功實現(xiàn)，為顱底缺損修復(fù)帶來了潛在的治療策略。

2.2 術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模擬

耳鼻咽喉頭頸外科及神經(jīng)外科醫(yī)生在進行鼻-顱底外科相關(guān)區(qū)域手術(shù)時通常依靠他們以往的訓(xùn)練和經(jīng)驗以及CT或MRI的視覺輔助來計劃手術(shù)過程。但是由于鼻-顱底區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二維或虛擬圖像難以顯示局部解剖結(jié)構(gòu)細節(jié)[35]。而3D打印技術(shù)通過患者局部組織結(jié)構(gòu)原始影像數(shù)據(jù)(CT、MRI)生成反應(yīng)組織器官等真實三維結(jié)構(gòu)模型，對局部解剖結(jié)構(gòu)進行體外立體重現(xiàn)，通過對重建的三維結(jié)構(gòu)收集相關(guān)數(shù)據(jù)(如面積、長度、容積、角度等參數(shù))[5,10,36]，從而制定更加精準的手術(shù)方案。薛亮等[37]利用患者CTA數(shù)據(jù)制作頸內(nèi)動脈床突上段大型動脈瘤3D模型，并在術(shù)前評估相關(guān)解剖關(guān)系，手術(shù)模擬動脈瘤夾閉；在術(shù)中證實3D模型中的相關(guān)結(jié)構(gòu)解剖關(guān)系與患者實際情況一致，術(shù)中順利夾閉動脈瘤。吳昆旻等[38]術(shù)前利用10例鼻鼻竇惡性腫瘤(鱗癌4例，骨肉瘤1例，嗅神經(jīng)母細胞瘤2例，腺樣囊性癌2例，黏液表皮樣癌1例)鼻竇CT影像資料3D重建病打印病變鼻竇模型，在模型上進行術(shù)前設(shè)計及模擬手術(shù)，確定手術(shù)方案后進行腫瘤切除及同期重建；術(shù)中順利切除腫物，準確定位缺損并修復(fù)，術(shù)后患者愈合良好，無嚴重并發(fā)癥。

另外，研究發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)可以使得外科醫(yī)生更好地在3個維度上評估模擬手術(shù)通道，并確定擬行的手術(shù)方法及手術(shù)安全范圍并可明顯縮短手術(shù)時間[5]。Grau等[39]在使用經(jīng)前額徑向筋膜皮瓣修復(fù)腦脊液漏之前，先利用3D打印技術(shù)構(gòu)建了顱底模型，術(shù)前根據(jù)重建模型腦脊液鼻漏進行定位及定量(范圍)評估，并進行術(shù)前模擬，使得手術(shù)順利進行，并明顯縮短了手術(shù)時間。Lan等[5]術(shù)前收集患者影像資料，重建具有顱底，腦動脈及動脈瘤的3D打印模型，并在顯微鏡下對該模型進行了49次模擬手術(shù)，經(jīng)過驗證和經(jīng)驗積累后進行了實際手術(shù)，術(shù)后回顧顯示84%(21/25)的患者腫瘤全切，并只有1例術(shù)中出現(xiàn)動眼神經(jīng)損傷。

2.3 解剖教學(xué)及培訓(xùn)

以往醫(yī)療機構(gòu)或院校進行解剖教學(xué)及訓(xùn)練都是利用尸體進行。由于成本、可操作性和法規(guī)要求，再加上臨床醫(yī)學(xué)生體量逐年增加，醫(yī)學(xué)教育資源分配成為一大難題，對尸體進行解剖教學(xué)訓(xùn)練已成為許多醫(yī)療機構(gòu)的挑戰(zhàn)。鼻-顱底結(jié)構(gòu)位置深在，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得開展相關(guān)區(qū)域手術(shù)的醫(yī)師必須具備豐富的解剖學(xué)基礎(chǔ)及經(jīng)驗[23,25,27]。而相當(dāng)一部分年輕醫(yī)師由于條件限制(缺乏尸體的解剖訓(xùn)練)，使得進行此區(qū)域的解剖學(xué)習(xí)十分困難。3D打印可以精確地創(chuàng)建復(fù)雜且個性化的構(gòu)造，這使該技術(shù)成為構(gòu)建用于教學(xué)和培訓(xùn)的臨床解剖模型的理想選擇。近年來，一些研究人員創(chuàng)建了3D打印的鼻和鼻竇的模擬器[40-43]，用于內(nèi)鏡鼻竇手術(shù)培訓(xùn)，在操作過程中同時用圖像引導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)定位解剖位置并進行對比，最后用Likert量表問卷對進行調(diào)查，證實其準確性及實用性良好。此外，Tai等[44]使用3D打印基于高分辨率CT圖像開發(fā)了鼻內(nèi)鏡入路訓(xùn)練模型；該模擬器旨在準確地暴露重要的解剖標(biāo)記，例如蝶骨、頸內(nèi)動脈、視神經(jīng)、蝶鞍等結(jié)構(gòu)，使得其可用于鼻內(nèi)鏡操作練習(xí)。有研究機構(gòu)評估住院醫(yī)師在接受 3D打印蝶鞍區(qū)手術(shù)訓(xùn)練的效果[29,45]，在培訓(xùn)過程中，要求初學(xué)者從真實性、實用性和有效性等方面對這些手術(shù)操作進行定性評估，均得到了積極反饋。目前用于鼻-顱底的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用了與人體骨骼相似的材料，并且附有復(fù)合纖維材料制成的軟組織黏膜，增加了打印模型的真實性和觸感，顯著提升了住院醫(yī)生的培訓(xùn)效果，有效縮短了醫(yī)生的培訓(xùn)周期[13]。

2.4 患者教育

術(shù)前醫(yī)患溝通一直被視為醫(yī)師臨床工作中最關(guān)鍵同時也是最具挑戰(zhàn)性的問題之一[10]?；颊邔ψ陨砑膊≡\斷和治療方案的理解是對醫(yī)生的依從性和滿意度的組成部分[46]?；颊邔ψ陨砑膊〉睦斫獠蛔憧赡軐?dǎo)致患者選擇不采取有效而且必要的治療方案而導(dǎo)致病情延誤，這在耳鼻咽喉頭頸外科醫(yī)師醫(yī)療過程中尤其普遍[10,47]。有研究報道，因患者未理解診療方案而導(dǎo)致的手術(shù)取消率超過16%[48]。Stewart等[46]根據(jù)臨床影像數(shù)據(jù)開發(fā)了3D打印的多種材料的鼻-顱底模型，形象客觀地再現(xiàn)手術(shù)部位及比鄰，以便與患者進行交流，以解釋其解剖結(jié)構(gòu)，疾病狀態(tài)和治療選擇。3D打印技術(shù)的應(yīng)用加強了患者對自身疾病情況的理解以及減少不必要的焦慮，對增加患者醫(yī)從性及改善患者預(yù)后大有裨益。

3 總結(jié)

總之，在獲取尸體材料進行模擬和解剖解剖的醫(yī)療或醫(yī)學(xué)教育機構(gòu)資源相對有限的情況下，3D打印技術(shù)作為一簡便、高效、經(jīng)濟的方式可以成為培訓(xùn)和教育模型的來源。在鼻-顱底缺損修復(fù)方面，利用3D打印技術(shù)，可以對局部缺損結(jié)構(gòu)進行精準修復(fù)，并且能有效改善外觀及重建鼻腔功能。但作為植入物，其生物組織相容性問題仍需克服，這對修復(fù)材料有著極高的要，而隨著3D打印技術(shù)與干細胞技術(shù)結(jié)合修復(fù)組織器官體外試驗的成功，為顱底缺損修復(fù)帶來了潛在的治療策略。在手術(shù)計劃階段，利用3D打印技術(shù)重建解剖模型可以增進醫(yī)師對的病灶關(guān)鍵部位解剖關(guān)系的了解，積累手術(shù)經(jīng)驗。通過與3D打印的模擬和解剖模型交互體驗，使受訓(xùn)者術(shù)前可以獲得基本的操作技能，同時可以使培訓(xùn)醫(yī)師在培訓(xùn)初期就擁有積累豐富的手術(shù)經(jīng)驗，從而提高手術(shù)成功率及患者的安全性；在患者教育方面，可以通過3D打印技術(shù)重現(xiàn)立體解剖結(jié)構(gòu)使得患者提高對自身疾病認知水平，從而增加其醫(yī)從性。此外，在對患者和整個醫(yī)療系統(tǒng)的醫(yī)療成本審查越來越嚴格的時代，使用3D打印有可能降低醫(yī)療成本[49]。

然而隨著3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用，其弊端也日益凸顯：①對局部解剖細微結(jié)構(gòu)顯示能力較差，軟組織和骨組織難以區(qū)分，骨縫無法清晰顯示，對顱底局部細微結(jié)構(gòu)如筋膜、神經(jīng)、血管及側(cè)支循環(huán)的3D還原的精確度仍需進一步提高，這對CT等影像資料的分辨率、清晰度以及3D打印技術(shù)材料的材質(zhì)等提出了更高的要求；②作為身體植入物，其材料要求相當(dāng)嚴格，其組織生物相容性仍是一大挑戰(zhàn)；③在初期投入階段，其成本問題仍是限制其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。筆者認為，隨著影像技術(shù)、3D打印技術(shù)、材料、生物組織工程的發(fā)展，其成本、精度、組織兼容性問題都會越來越完善。3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用方面有著廣闊的應(yīng)用前景，我們在鼻-顱底外科領(lǐng)域所需要做的是學(xué)習(xí)并不斷發(fā)掘其臨床應(yīng)用價值，從而為更多地為鼻-顱底外科患者治療及預(yù)后改善提供便利。