3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科臨床治療中的應用進展

楊鑫 綜述 荔志云 審校

1.甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅 蘭州 730000；2.聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院神經(jīng)外科，甘肅 蘭州 730000

3D打印技術(shù)也稱為快速成型技術(shù)，是指基于CAD三維數(shù)學模型，通過逐層增加材料，逆向制造出與相應數(shù)學模型一致的三維物理實體模型的制造方法[1]。KODAMA于1982年首次報道了3D打印技術(shù)的誕生，ANDEL于1993年首次報道將3D打印技術(shù)用于外科治療領(lǐng)域，此后3D打印技術(shù)迅速應用于醫(yī)學，如醫(yī)學教育的解剖模型、植入物及假體、生物打印等[2-3]?，F(xiàn)代3D打印技術(shù)使得構(gòu)建層厚在微米量級的解剖結(jié)構(gòu)成為可能，同時隨著醫(yī)學影像對比度分割技術(shù)的進步，當前的3D打印技術(shù)已可實現(xiàn)不同質(zhì)地、不同色彩的材料打印，包括骨骼、肌腱、血管及神經(jīng)等。國內(nèi)外3D打印技術(shù)在外科學中的應用十分廣泛，其中以骨科、頜面外科等學科最為活躍。因神經(jīng)系統(tǒng)病種繁多，且相同病種在不同解剖部位有著高度特異性，盡管醫(yī)學影像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高水平，但部分復雜的神經(jīng)、血管解剖結(jié)構(gòu)仍然難以體現(xiàn)，使得3D打印技術(shù)應用于神經(jīng)外科學領(lǐng)域的研究相對較少。當前3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的應用主要包括解剖模型、模擬患者特定病理學及生物相容性假體的制作等[4]，現(xiàn)給予綜述如下：

1 腦腫瘤

腦腫瘤為最常見的顱內(nèi)原發(fā)性疾病，常見病理類型包括腦膠質(zhì)瘤、腦膜瘤、垂體瘤等。根據(jù)2012年發(fā)布的《中國腫瘤登記年報》顯示，在全球新發(fā)的惡性腫瘤患者中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤占比約2.4%，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢[5]。目前腦腫瘤的治療朝著“個體化精準醫(yī)學”發(fā)展，其理想結(jié)果是在盡量全切腫瘤的同時，保持大腦原有的神經(jīng)功能不受損害，并修復因腫瘤占位或腦水腫引起的神經(jīng)功能缺損。就重建精度而言，SPOTTISWOODE等[6]首次報道了利用3D打印技術(shù)構(gòu)建腦腫瘤模型，研究結(jié)果表明重建的腫瘤平均誤差小于0.5 mm，能清楚顯示功能區(qū)與腫瘤相對于腦表面的位置特征及毗鄰結(jié)構(gòu)，精準體現(xiàn)腫瘤的解剖層次。

在腦腫瘤患者中，顱底腫瘤因其位置深在、解剖復雜、功能重要而呈現(xiàn)出較高的手術(shù)難度，對術(shù)者的解剖基礎(chǔ)及手術(shù)技巧要求極高，目前的技術(shù)水平已可建立3D顱底打印模型對顱底腫瘤進行術(shù)前規(guī)劃，而且數(shù)字模型還可導入導航系統(tǒng)，與相應的二維神經(jīng)影像進行實時匹配，更好地完成術(shù)前導航。MULLER等[7]研究顯示，對于復雜顱底病變，3D打印模型能夠準確顯示復雜顱底腫瘤解剖結(jié)構(gòu)，在術(shù)前模擬進行顱底骨質(zhì)磨除，有利于了解腫瘤與毗鄰神經(jīng)、血管的關(guān)系，適用于高度個體化復雜顱底腫瘤手術(shù)策略的制定。蘭青等[8]自2015—2016年利用3D打印技術(shù)完成12例腦腫瘤切除術(shù)，所有患者手術(shù)過程與術(shù)前3D模型手術(shù)規(guī)劃一致，且神經(jīng)功能保留良好。3D重建數(shù)字模擬腦腫瘤、血管及神經(jīng)纖維束還可清晰展示腦腫瘤與傳導束的空間關(guān)系，避免術(shù)中損傷傳導束造成神經(jīng)功能損害。但目前3D打印技術(shù)輔助腦腫瘤治療仍存在較多不足之處，如顱內(nèi)壓及血流動力學、腫瘤與周圍解剖結(jié)構(gòu)黏連程度難以體現(xiàn)，蛛網(wǎng)膜系統(tǒng)及腦溝腦回等解剖結(jié)構(gòu)重建不完善等。

2 出血性腦血管病

顱內(nèi)動脈瘤是最常見的出血性腦血管病，對于顱內(nèi)動脈瘤的治療，顯微手術(shù)夾閉仍是金標準，其次為血管內(nèi)介入栓塞治療。在顯微手術(shù)夾閉顱內(nèi)動脈瘤過程中，明確動脈瘤的形態(tài)、瘤頸、朝向及與周圍血管的解剖關(guān)系極為重要。通過3D重建及打印的動脈瘤三維模型，在解剖學上是比較準確的，模型精度可達到0.1 mm，此類模型可使手術(shù)醫(yī)師術(shù)前加深對動脈瘤術(shù)區(qū)解剖結(jié)構(gòu)的理解，并可多次模擬動脈瘤夾閉過程，挑選最為合適的動脈瘤瘤夾，使得動脈瘤夾閉更為精準[9-11]。在血管內(nèi)治療方面，NAMBA等[12]利用3D打印技術(shù)打印出10例動脈瘤模型，并根據(jù)模型提前選擇合適的微導管并塑形，提高了術(shù)中彈簧圈釋放過程中的穩(wěn)定性，顯著降低了手術(shù)操作時間及風險。對于寬頸動脈瘤，TSANG等[13]依據(jù)3D打印技術(shù)重建了載瘤動脈及動脈瘤，在術(shù)前挑選合適的血流導向裝置并指導術(shù)中的置入，術(shù)后長期隨訪結(jié)果示栓塞效果滿意，動脈瘤平均血流速度有明顯降低。

腦動靜脈畸形是另一常見的出血性腦血管病，有著復雜的供血動脈及引流靜脈，到目前為止血管內(nèi)治療和顯微外科也只能有選擇地部分治療動靜脈畸形，手術(shù)切除巨大或重要功能區(qū)的動靜脈畸形難度較高。相關(guān)的研究表明，通過3D打印技術(shù)構(gòu)建細致的動靜脈畸形三維模型，包括顱骨、腦組織、頸內(nèi)動脈系統(tǒng)、供血動脈、引流靜脈及靜脈竇等，可協(xié)助手術(shù)醫(yī)師進一步明確復雜的畸形團解剖結(jié)構(gòu)，有利于術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)治療效果評價[14]。WEINSTOCK等[15]利用3D打印輔助小兒腦動靜脈畸形顯微手術(shù)，結(jié)果顯示利用3D模型提前進行手術(shù)規(guī)劃可縮短顯微手術(shù)時間，但仍欠缺患者長期隨訪資料。在血管內(nèi)治療方面，CONTI等[16]運用3D-DSA結(jié)合3D打印技術(shù)重建動靜脈畸形模型，有助于術(shù)前了解畸形血管團內(nèi)血流動力學情況，測量并計算目標模型的血容量，利于栓塞治療策略的制定。但目前3D打印技術(shù)對于病變部位供血動脈及引流靜脈的區(qū)分建模仍存在較大的難度，需后期人工加工，帶有一定的個人主觀性，是今后亟需解決的問題。

高血壓腦出血在當前亦有著極高的發(fā)病率，其發(fā)病后死亡率高達28%～38%[17]，隨著精準醫(yī)學理念的發(fā)展，軟通道穿刺引流因其安全、簡單、微創(chuàng)的優(yōu)勢而應用越來越廣，但臨床上因CT定位誤差、患者個體差異或術(shù)者操作偏差等因素常導致療效欠佳，引流管往往難以置入最大血腫層面中心[18]。利用3D打印技術(shù)，可根據(jù)血腫體表投影設(shè)計出精確的穿刺導板及通道，準確規(guī)劃出血腫腔穿刺方向和穿刺深度，同時還能重建出重要血管及神經(jīng)，降低穿刺過程中醫(yī)源性損傷發(fā)生率[19]。張濤等[20]、劉峰等[21]利用3D打印手術(shù)導板輔助腦內(nèi)血腫穿刺，對比傳統(tǒng)CT引導下腦內(nèi)血腫穿刺，結(jié)果顯示手術(shù)導板定位更為精確，血腫穿刺準確率明顯升高，血腫引流時間及血腫引流率較傳統(tǒng)方法明顯改善。使用3D打印導板進行顱內(nèi)血腫穿刺引流實現(xiàn)了精準化、個體化的目的[22]，療效確切，值得基層醫(yī)院進行推廣與應用。但穿刺導板有時難以做到與顱面部完全貼合，且存在打印導板消毒不徹底等問題，還需更好的解決辦法。

3 顱骨重建

重型顱腦損傷、高血壓腦出血或大面積腦梗死并腦疝形成者，在手術(shù)清除血腫及壞死腦組織的同時常常需要去骨瓣減壓，顱骨粉碎性骨折及顱骨骨瘤術(shù)后亦可造成顱骨缺損。顱骨缺損不僅影響個人美觀與安全，而且常出現(xiàn)顱骨缺損綜合征，因此顱骨修補術(shù)為神經(jīng)外科的常見術(shù)式。目前應用3D打印技術(shù)重建顱骨修補材料在臨床上已經(jīng)反映出良好的治療效果，常用的重建修補材料包括聚甲基異丁烯酸(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)等[23]。SCHON等[24]利用3D打印技術(shù)連續(xù)完成16例顱骨修補術(shù)，結(jié)果顯示利用3D重建的PMMA顱骨材料進行修補不僅有著極高的修補精準度，還表現(xiàn)出良好的組織相容性，且術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較傳統(tǒng)修補方法亦有所降低，對于原骨瓣不可用的顱骨缺損患者來說，利用3D打印輔助顱骨修補還能顯著降低患者的治療成本。

顱縫早閉為常見的先天性顱腦畸形，會形成各種頭顱狹小畸形，同時壓迫或限制正在迅速發(fā)育的腦組織，引起顱內(nèi)壓增高和各種腦功能障礙。其傳統(tǒng)的治療方法為切開原已閉合的骨縫或建立新的骨溝，使顱腔能有所擴大，以保證腦的正常發(fā)育。ENRICO等[25]利用3D打印技術(shù)建立顱骨模型，清晰地顯示了顱面解剖的各個方面以及最常見的顱縫骨病病理變化，包括蝶骨翼、淺眼眶、頸靜脈孔等解剖結(jié)構(gòu)。GHIZONI等[25]利用3D打印技術(shù)完成4例顱縫畸形術(shù)前規(guī)劃，利用3D打印顱骨模型提前進行解剖學及力學分析，并選擇最為合適的手術(shù)器械，結(jié)果表明在顱縫畸形術(shù)前模擬中3D打印模型為良好的選擇，尤其在對術(shù)中及術(shù)后的力學分析方面有著獨到的效果。

4 脊柱脊髓疾病

既往脊柱脊髓腫瘤的術(shù)前評估主要依靠CT、MRI等二維影像學資料，所反映的解剖結(jié)構(gòu)在視覺上存在一定的差異。3D打印技術(shù)建立的腫瘤模型能較好地判斷組織結(jié)構(gòu)層次、周圍毗鄰的臟器及腫瘤邊界，并且可進行術(shù)前規(guī)劃、模擬切除等過程，評估手術(shù)的風險及難度[26]。于貝貝等[27]利用3D打印脊髓腫瘤模型完成9例脊髓腫瘤切除術(shù)，術(shù)后無嚴重神經(jīng)功能損害或手術(shù)并發(fā)癥。而對于術(shù)前影像學顯示腫瘤邊界不清晰患者，尤其是腫瘤形態(tài)不規(guī)則時，3D打印技術(shù)還可提高外科手術(shù)取得陰性切緣的能力[28]。但3D打印脊神經(jīng)仍存在一定局限性，主要是由于彌散張量纖維束追蹤、彌散張量成像的空間分辨率無法到達重建要求，難以對結(jié)構(gòu)復雜的神經(jīng)纖維束進行纖維素示蹤[29]。因此，亟需新的高準度掃描方法對神經(jīng)纖維束進行示蹤，重建打印出脊神經(jīng)與腫瘤相對關(guān)系的3D實物模型，增強術(shù)中對脊神經(jīng)的保護，以減少術(shù)中神經(jīng)觀念損害。

脊柱側(cè)彎為最常見的脊柱先天畸形，傳統(tǒng)手術(shù)治療主要借助術(shù)前CT數(shù)據(jù)及術(shù)中C臂透視來完成椎弓根螺釘系統(tǒng)的置入，其手術(shù)精準度很大程度上取決于手術(shù)者的臨床經(jīng)驗。RAJASEKARAN等[30]研究表明，徒手傳統(tǒng)置釘技準確率僅為60%左右；而CECCHINATO等[31]研究亦表明，在脊柱側(cè)彎矯形手術(shù)中傳統(tǒng)置釘?shù)腻e位發(fā)生率可高達30%，椎弓根螺釘位置不正確可造成神經(jīng)系統(tǒng)及血管結(jié)構(gòu)的嚴重損害，其損傷風險隨著脊柱側(cè)彎嚴重程度不斷升高。目前3D打印技術(shù)在脊柱矯形手術(shù)中已表現(xiàn)出良好的個體性與精準性，使用3D打印技術(shù)輔助螺釘置入，其手術(shù)時間、出血量、置釘準確率均優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)方法。TAN等[32]在3D模型輔助下對23例患者共置入494顆螺釘，螺釘置入精準度達96.3%，患者術(shù)后未出現(xiàn)相關(guān)神經(jīng)及血管損害。GIROD等[33]的個案報告顯示，術(shù)前建立畸形脊柱模型有助于術(shù)前規(guī)劃及模擬矯正，從而提高矯形效果。3D打印技術(shù)在脊柱側(cè)彎矯形中已顯示出良好的優(yōu)勢，不僅能加強手術(shù)醫(yī)師對復雜畸形脊柱的認知程度，還可觀察截骨角度、截骨位置及椎弓根置釘位置，對矯正手術(shù)方案進行良好規(guī)劃，降低手術(shù)置釘難度，避免損傷神經(jīng)及血管結(jié)構(gòu)，提高手術(shù)的安全性及有效性。

5 總結(jié)

在傳統(tǒng)神經(jīng)外科朝著智能化不斷邁進的時代，3D打印技術(shù)作為一門交叉融合技術(shù)，展現(xiàn)出其個性化的模型定位及空間解剖關(guān)系，在神經(jīng)外科臨床工作中已顯示出良好的治療效果，在解剖教學、技術(shù)培訓、手術(shù)規(guī)劃及醫(yī)患溝通等也表現(xiàn)出較高的價值，值得臨床推廣使用。但目前仍缺乏大量的臨床應用病例，尤其是手術(shù)治療效果、手術(shù)安全性及術(shù)前訓練的長期影響等諸多方面缺少確切的數(shù)據(jù)支撐；且存在諸多亟待解決的技術(shù)問題，包括打印時間及成本較高、打印精度不足、復合材料打印難度大及生物材料組織相容性欠佳等問題。但隨著3D打印技術(shù)的不斷進步，醫(yī)工交叉精準醫(yī)療的快速發(fā)展，上述問題會逐步得到解決，3D打印技術(shù)將不再局限于解剖及外科的常規(guī)應用，有望在神經(jīng)元修復、功能重塑及顱內(nèi)外血管重建等方面取得更大的突破。