3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李 賀，孫建軍，樂(lè)利明，孫啟皓，梁松林，荔志云

(1.中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院神經(jīng)外科，甘肅 蘭州 730050；2.寧夏醫(yī)科大學(xué)研究生院，寧夏 銀川 750004)

3D打印技術(shù)是一種快速發(fā)展的技術(shù)[1]，該技術(shù)基于三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層增加材料，逆向制造出三維物理實(shí)體模型[2]。在過(guò)去幾年內(nèi)，醫(yī)學(xué)成像和生物工程領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步，并共同催生了3D打印技術(shù)[3]。3D打印具有產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品設(shè)計(jì)個(gè)性化、精度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)精準(zhǔn)化、個(gè)體化治療的需求不斷提高，3D打印技術(shù)逐漸被應(yīng)用于神經(jīng)外科領(lǐng)域，已成為神經(jīng)外科發(fā)展的重要工具之一[5]。由于神經(jīng)系統(tǒng)解剖復(fù)雜且神經(jīng)外科手術(shù)難度大，很有必要根據(jù)患者的具體情況選擇合適的手術(shù)方案，因此，進(jìn)行個(gè)體化和精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃和模擬是神經(jīng)外科發(fā)展過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，因此把3D打印技術(shù)和神經(jīng)外科結(jié)合十分必要。雖然3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的某些領(lǐng)域還處于起步階段，但隨著不斷進(jìn)步，其可能為醫(yī)療行業(yè)帶來(lái)革命性的變化[6]。本文對(duì)3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科相關(guān)疾病中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用和研究提供依據(jù)。

1 3D打印技術(shù)在顱腦外傷去骨瓣減壓術(shù)后顱骨修補(bǔ)中的應(yīng)用

創(chuàng)傷性顱腦外傷患者由于顱內(nèi)血腫、腦挫裂傷、彌漫性顱內(nèi)腫脹，導(dǎo)致其顱內(nèi)壓升高，因此，往往需要行去骨瓣減壓術(shù)來(lái)減輕顱內(nèi)壓升高和腦水腫[7]；當(dāng)患者生命體征平穩(wěn)且腦水腫減退后3～6個(gè)月需行顱骨修補(bǔ)術(shù)[8]?，F(xiàn)在臨床中常用的顱骨修補(bǔ)材料為鈦網(wǎng)，傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)需要術(shù)中人工塑型，隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，應(yīng)用3D技術(shù)可以將患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)用影像后處理軟件轉(zhuǎn)換成立體的三維圖像，然后根據(jù)重建的三維圖像應(yīng)用3D打印技術(shù)定制與顱骨貼合緊密的鈦網(wǎng)[9]。3D塑型鈦網(wǎng)具有較高的可塑性且無(wú)腐蝕性，3D打印鈦網(wǎng)修補(bǔ)顱骨可以改善美觀和降低感染率[10]?，F(xiàn)在，應(yīng)用3D打印鈦網(wǎng)已成為成人顱骨修補(bǔ)的主要方法之一，3D打印的顱骨修補(bǔ)鈦網(wǎng)可為患者顱腦提供更加可靠的保護(hù)。

2 3D打印技術(shù)在顱內(nèi)復(fù)雜腫瘤治療中的應(yīng)用

因?yàn)轱B腦結(jié)構(gòu)精細(xì)且復(fù)雜，顱內(nèi)深部腫瘤組織常與周?chē)难芎蜕窠?jīng)連接緊密，所以顱內(nèi)深部腫瘤切除極其復(fù)雜，需要精湛的顱腦解剖知識(shí)[11]。研究報(bào)道，應(yīng)用三維重建模型和神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合治療復(fù)雜的顱內(nèi)腫瘤是可行的[12]。三維模型中解剖部位之間的估計(jì)距離誤差明顯小于三維圖像[13]。國(guó)內(nèi)一項(xiàng)臨床研究將25例顱內(nèi)復(fù)雜腫瘤患者的影像學(xué)資料進(jìn)行三維重建，重建出腫瘤周?chē)芎蜕窠?jīng)，并使用3D技術(shù)打印出來(lái)后行術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù)；患者在顯微內(nèi)鏡術(shù)后復(fù)查核磁共振成像顯示，21例患者腫瘤全部切除，4例患者因涉及重要功能區(qū)行腫瘤次全切，證明使用3D打印模擬手術(shù)明顯提高了腫瘤切除率[14]。有研究報(bào)道，顱底腫瘤和附近顱神經(jīng)的3D打印模型可模擬手術(shù)過(guò)程，便于術(shù)前設(shè)計(jì)，并有助于防止顱神經(jīng)損傷[15]。行鼻內(nèi)鏡下垂體大腺瘤切除術(shù)時(shí)，術(shù)前使用3D打印技術(shù)打印腫瘤與周?chē)M織的結(jié)構(gòu)，尤其顯露蝶竇的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)和腫瘤位置，有助于減輕手術(shù)對(duì)周?chē)窠?jīng)和血管的損傷[14,16]。在3D打印前應(yīng)用三維重建顱腦腫瘤和解剖模型技術(shù)，能夠清楚顯示腫瘤與顱內(nèi)血管、錐體束及功能區(qū)之間的空間關(guān)系，在3D打印后行術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù)，將有助于了解顱腦結(jié)構(gòu)的功能解剖，選擇最佳手術(shù)入路，避免對(duì)腦功能的損害。越來(lái)越多的證據(jù)表明，3D打印技術(shù)能夠?yàn)樯窠?jīng)外科醫(yī)生提供可以直接有效觀察和操作的立體顱骨模型，進(jìn)一步提高神經(jīng)外科手術(shù)的準(zhǔn)確性[17]。有研究報(bào)道，3D打印模型在手術(shù)方式和開(kāi)顱設(shè)計(jì)方面的手術(shù)規(guī)劃中具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于年輕的神經(jīng)外科醫(yī)生而言，這種益處更為明顯[18]?？傊B內(nèi)復(fù)雜腫瘤切除時(shí)應(yīng)用3D打印技術(shù)能明顯優(yōu)化手術(shù)方案和減輕對(duì)神經(jīng)和血管的損傷，腫瘤切除率明顯提高。

3 3D打印技術(shù)在顱內(nèi)血管疾病治療中的應(yīng)用

近年來(lái)，影像后處理技術(shù)發(fā)展迅速且技術(shù)日趨成熟，顱腦影像學(xué)資料呈現(xiàn)多平面成像的可用性，但了解復(fù)雜腦血管疾病的相關(guān)三維解剖結(jié)構(gòu)仍很困難?，F(xiàn)有研究中關(guān)于顱內(nèi)血管疾病與3D打印結(jié)合的報(bào)道主要是針對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤和高血壓腦出血。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤和高血壓腦出血手術(shù)時(shí)有較高的致死率和致殘率[19-20]，而3D打印模型可以從各個(gè)角度即時(shí)顯示血腫及復(fù)雜的血管病變解剖結(jié)構(gòu)，并結(jié)合觸覺(jué)反饋系統(tǒng)模擬手術(shù)，有效縮短手術(shù)時(shí)間[21]，最大程度優(yōu)化手術(shù)方案，減少患者致死率和致殘率。

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的常規(guī)手術(shù)包括介入手術(shù)和動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)，但顱底動(dòng)脈血管分支多，加上有變異的血管存在，復(fù)雜大腦動(dòng)脈瘤的手術(shù)治療對(duì)神經(jīng)外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。腦動(dòng)脈瘤手術(shù)的重點(diǎn)在于明確動(dòng)脈瘤瘤頸與載瘤動(dòng)脈的關(guān)系及其與周?chē)芎徒M織的解剖關(guān)系，因此，3D打印出大腦動(dòng)脈瘤及其周?chē)M織模型對(duì)術(shù)前模擬很有必要。陳俊等[22]對(duì)行夾閉術(shù)治療的45例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者基于顱腦CT血管造影(computed tomographic angiography，CTA)數(shù)據(jù)構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤 3D 打印模型，結(jié)果顯示，3D 打印技術(shù)和顱腦 CTA 測(cè)得的腦動(dòng)脈瘤體長(zhǎng)度、寬度以及厚度無(wú)明顯差異，借助3D打印模型的指導(dǎo)，45例動(dòng)脈瘤均完全夾閉。阿吉木·庫(kù)爾班等[23]研究報(bào)道，采用三維打印模型進(jìn)行多角度觀察，可以更加直接明了地觀察動(dòng)脈瘤瘤頸與動(dòng)脈瘤的關(guān)系，并精準(zhǔn)評(píng)估腦實(shí)質(zhì)、顱骨解剖與動(dòng)脈瘤之間的關(guān)系，從而減少術(shù)中誤傷血管的風(fēng)險(xiǎn)，縮短手術(shù)時(shí)間。

高血壓腦出血外科治療有傳統(tǒng)開(kāi)顱術(shù)、顱內(nèi)穿刺血腫抽吸術(shù)、小骨窗開(kāi)顱術(shù)、神經(jīng)內(nèi)鏡顱內(nèi)血腫清除術(shù)；由于上述手術(shù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且術(shù)中出血量大，可引起腦組織損傷及腦水腫加重，因此，合并基礎(chǔ)疾病的耐受性較差的老年患者更適合個(gè)體化導(dǎo)板定位微創(chuàng)穿刺引流術(shù)[24]。個(gè)體化導(dǎo)板定位微創(chuàng)穿刺引流術(shù)是在立體定向鉆孔穿刺引流術(shù)基礎(chǔ)上，將影像后處理技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于高血壓腦出血的精確血腫抽吸治療中，配合血腫內(nèi)尿激酶的注射可明顯促進(jìn)血腫的液化且有利于液化血腫的排除；個(gè)體化導(dǎo)板定位微創(chuàng)穿刺術(shù)與小骨窗開(kāi)顱術(shù)相比具有創(chuàng)傷小、出血少、并發(fā)癥少、術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，能促進(jìn)患者血腫的排除并利于患者神經(jīng)功能的恢復(fù)，可提高患者生活能力，有效改善患者預(yù)后[20,25]。

4 3D打印技術(shù)在功能神經(jīng)外科治療中的應(yīng)用

在功能神經(jīng)外科，三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣是常見(jiàn)的疾病，排除繼發(fā)因素，其最常見(jiàn)的原因?yàn)轱B內(nèi)血管壓迫神經(jīng)根[26]。對(duì)于三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣臨床治療中首先用藥物治療，當(dāng)出現(xiàn)藥物耐藥時(shí)，往往選擇手術(shù)干預(yù)[27]。微血管減壓術(shù)(microvascular decompression，MVD)是治療面肌痙攣和三叉神經(jīng)痛的有效手段[28]，然而，顱內(nèi)血管復(fù)雜且有一定的變異性，需要多模態(tài)影像重建。有研究報(bào)道，術(shù)前進(jìn)行多模態(tài)影像重建后，術(shù)后臨床緩解率可明顯提高[29]；多模態(tài)影像融合和3D打印技術(shù)結(jié)合可明確血管和神經(jīng)根的空間關(guān)系，從而提高責(zé)任血管的檢出率并明確診斷[30]。PANESAR等[31]將三叉神經(jīng)痛患者的影像學(xué)資料進(jìn)行影像學(xué)處理后，用3D打印技術(shù)成功制作了真實(shí)大小的3D 打印模型，描繪出了與患者相關(guān)的骨骼、責(zé)任血管與神經(jīng)根及周?chē)X組織的關(guān)系。因此，3D打印技術(shù)可作為一種描述顱底和神經(jīng)血管解剖關(guān)系的可視化輔助工具，為臨床醫(yī)生的術(shù)前評(píng)估、術(shù)中規(guī)劃、術(shù)后判斷給予一定指導(dǎo)。

5 3D打印技術(shù)在脊柱脊髓疾病治療中的應(yīng)用

在脊柱脊髓疾病的治療中，3D打印模型除用來(lái)指導(dǎo)治療方案、模擬手術(shù)入路及方式、獲得個(gè)性化的3D打印脊柱植入物外，還可應(yīng)用于患者術(shù)前談話及術(shù)后評(píng)估療效等[32]。在復(fù)雜的脊柱脊髓腫瘤疾病中應(yīng)用3D打印技術(shù)重建復(fù)雜腫瘤與周?chē)窠?jīng)血管的關(guān)系，模擬手術(shù)更加具有立體感，能減輕患者周?chē)窠?jīng)血管的損傷[33]。應(yīng)用3D仿生脊髓支架促進(jìn)脊髓損傷患者神經(jīng)功能恢復(fù)仍處于臨床前研究階段。3D打印技術(shù)應(yīng)用于患者的脊柱解剖模型和術(shù)中引導(dǎo)模板，可提供個(gè)性化的手術(shù)計(jì)劃和提高椎弓根螺釘放置的準(zhǔn)確性；然而，關(guān)于個(gè)性化3D技術(shù)打印脊柱植入物在椎間融合、椎體置換中應(yīng)用的報(bào)道較少[34]。脊髓損傷是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一種疾病，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞，其臨床治療效果往往不滿(mǎn)意[35]，最常用的治療方法是使用激素沖擊療法減少繼發(fā)性脊髓損傷[36]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，3D打印技術(shù)在脊髓損傷中的應(yīng)用展現(xiàn)出了良好的價(jià)值，KOFFLER等[34]根據(jù)嚙齒類(lèi)動(dòng)物損傷脊髓的程度，用微型連續(xù)投影方法打印出3D仿生脊髓支架，能夠在嚙齒動(dòng)物體內(nèi)支持軸突再生并在脊髓完全損傷部位形成新的神經(jīng)中繼能力；此外，納米技術(shù)和組織工程的研究進(jìn)展也為修復(fù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了有效的策略，而神經(jīng)組織工程的重點(diǎn)是將3D打印仿生支架與細(xì)胞連接起來(lái)，以修復(fù)和恢復(fù)神經(jīng)組織功能[35]。

6 3D打印技術(shù)的展望與不足

3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涉及神經(jīng)外科的各個(gè)亞專(zhuān)業(yè)，包括顱腦外傷術(shù)后顱骨修補(bǔ)、神經(jīng)外科功能性疾病、神經(jīng)外科血管性疾病、神經(jīng)外科腫瘤性疾病、脊柱脊髓疾病等。目前研究證實(shí)，將神經(jīng)外科和3D打印技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，不僅可以為患者提供更好的服務(wù)，還有利于神經(jīng)外科醫(yī)生的成長(zhǎng)；但是，目前3D打印在神經(jīng)外科中真正應(yīng)用于臨床的僅有顱骨修補(bǔ)和個(gè)體化導(dǎo)板的定制以及疾病模型的打印以模擬手術(shù)和術(shù)前規(guī)劃[37]。掌握3D打印不僅需要學(xué)習(xí)影像后處理技術(shù)，還要熟悉3D打印機(jī)的操作；且建模后進(jìn)行3D打印時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法應(yīng)用于急診手術(shù)，無(wú)法打印多種材料的多種結(jié)構(gòu)；當(dāng)造影劑含量少時(shí)，細(xì)小分支的血管不能充分顯影，導(dǎo)致重建困難[38]。因此，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用仍有廣闊的空間需要進(jìn)一步去探索。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步其不足之處會(huì)得到逐漸改善。