3D打印技术在中枢神经系统的临床应用

李 克谷守欣张国福付 玏

作者单位： 1复旦大学附属华山医院放射科　2复旦大学附属妇产科医院放射科



3D打印技术在中枢神经系统的临床应用

李 克1谷守欣2张国福2付 玏1

作者单位： 1复旦大学附属华山医院放射科2复旦大学附属妇产科医院放射科

【摘要】总结3D打印技术在外科学的临床应用现状，分析未来发展趋势。检索目前国内外3D打印技术在外科学临床应用的相关文献，并进行综合分析。3D打印技术在外科学领域的应用越来越广泛，尤其在中枢神经系统的影响越来越深刻，但临床实际应用中仍存在诸多问题。随着生物材料科学和计算机信息技术的快速发展，3D打印技术在神经系统外科学方面必将实现突破性的进展。

【关键词】3D打印技术；快速成型；颅骨缺损

中国医学计算机成像杂志，2016，22：92-96

Chin Comput Med Imag，2016，22：92-96

1 Department of Radiology, Huashan Hospital, Fudan University

2 Department of Radiology, Obstetrical and Gynecological Hospital, Fudan University,

Address: 128 Shenyang Rd., Shanghai 200090, P.R.C.

Address Correspondence to GU Shou-xin （E-mail: shouxin2006aggie@163. co）

3D打印（three-dimensional printing，3DP）技术源于20世纪80年代，是一种快速成型技术；它由计算机辅助设计数据及成型设备将成型材料以“分层制造，逐层叠加”的原理，快速制作所需物件三维实体的一种分层制造技术。作为新型工业加工技术，3D打印技术集成了现代数控技术、计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）技术以及新材料科学等领域的最新成果［1-2］。3DP的核心是“增材制造”、“分层制造”以及“快速成型”，而“分层制造”与数字医学中CTMRI等检查提供的连续断层图像信息有着先天共通的契合点，正如王成焘教授所说：医学界对于3D打印技术有着一种先天的亲切。3D打印技术自引入生物医学领域后就被临床外科学所普遍关注，如颅脑外科、颌面外科、整形外科等等，并且该技术被认为是神经系统外科学数字化发展进程中的重要环节。

3D打印技术的分类和材料

1． 3D打印技术分类

3DP根据打印材料的形式和工艺方法不同，大致分为五大类：①粉末/丝状材料高能束烧结及熔化成型，如电子束熔化（EBM）、激光选区熔化（SLM）等；②液态树脂光固化成型，如紫外光固化成型（SLA）等；③丝材挤出热熔成型，如熔融沉积制造（FDM）；④液体喷印成型，如立体喷印（3DP）；⑤固体薄层材料片/板/块材粘接或焊接成型，如分层实体制造（LOM）等。

经典的快速成形技术包括如下四种［2-3］：

1．1粉末粘结3D打印（SLS）：该技术应用范围最广，因其适用的材料范围大， 特别是金属和陶瓷材料的成型方面有独特的优势。工艺过程：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料（图1）；然后，按照实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层（图1），同时将工作台下降一个单位层厚；重复上述步骤，逐层堆砌，最终形成三维打印产品（图1）。优点：精密度高；材料适用范围广；无需附加支撑结构。缺点：成本较高；产品强度偏低，一般需要后续工艺提高强度，但后续工艺会导致产品体积收缩，变形严重。

1．2光固化3D打印（SLA）：该技术使用液态光敏树脂作原料，基于喷射成形技术和光固化成形技术。工艺过程：打印喷头根据零件的截面形状，选择性喷射光固化实体材料和光固化支撑材料形成截面轮廓，在紫外光照射下光固化材料边打印边固化，层层堆积至制件成形完毕。优点：精密度高，是所有RP工艺中最高的；模型产品表面质量好，制作效率高，原材料的利用率高，能制造形状复杂、特别精细的零件。缺点：材料适用范围较窄；固化过程中易发生翘曲变形，必须另外设置支撑结构。目前骨骼类产品的打印材料如羟基磷灰石，生物玻璃等本身不具有光敏性，需与光敏材料混合使用，从而导致打印后的产品生物活性改变。

1．3熔融材料3D打印成形（FDM）：该技术基于熔融涂覆成形（FDM）专利技术，分别加热两种丝状热塑性材料至熔融态，由计算机控制挤压头的运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，根据零件截面形状，选择性涂覆实体材料和支撑材料形成截面轮廓，并迅速冷却固化，层层堆积至制件成形完毕，其原理与光敏材料3D打印成形类似。该技术的系统成本较低，无污染。另外，采用该技术加工由磷灰石和骨骼所需的有机盐配置而成的骨水泥，有利于保证产品的生物相容性和生物活性。缺点：材料适用范围有限；成形较慢，精度也有待提高。

1．4分层实体制造（LOM）：该技术采用激光切割法，即利用二氧化碳激光束对背面涂有热融胶的纸进行逐层数控切割，并通过粘合逐层叠加出样品。层面信息通过每一层的轮廓来表示， 激光扫描器动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有一定厚度的片材，这种加工方法只需加工轮廓，因此加工速度快， 并且成本低。但材料范围很窄，每层范围不可调整是其最大缺点。另外，产品切缘常残留热融胶，不易剔除，因而难以获得高精度的产品。

2．3D打印技术的材料

快速成形技术是计算机技术与材料技术结合诞生的新型加工技术，材料科学的发展对于3D打印技术的应用和推广意义重大。目前可用于3D打印的材料不超过100种，而能用于生物医学领域的非常少。下面介绍几种主要的打印材料。

2．1水凝胶：细胞相容性良好的水凝胶可以使细胞存活，从而实现成骨细胞、内皮祖细胞的良好分化。目前，水凝胶广泛应用于生物医学工程领域，例如“生物墨水”成分便是水凝胶溶液与细胞悬液等混合物制成。3DP技术发展迅猛，并在该领域取得多项突破性进展：利用活体细胞作为“墨水”打印人体的组织、器官；利用软骨细胞和可降解材料化合物打印三维生物工程支架，成功合成软骨基质；采用人体胚胎干细胞作为“墨水”直接打印三维结构获得成功，并保持胚胎干细胞分化潜能，为器官打印和移植提供了技术上的支持。

图1 粉末粘结3D打印的工艺过程［4］A．均匀铺洒多层单位厚度的粉末材料。B．打印喷头选择性喷射彩色粘结剂。C．重复过程，堆积模型。D．清除多余的粉末，应用粘结剂。

2．2磷酸钙生物陶瓷材料：是一种重要的骨修复材料，属于可吸收生物陶瓷，因其在生物体内逐渐降解， 被骨组织吸收， 是非常有前景的骨组织工程支架材料，主要用于整形外科、牙科种植和脊柱外科等领域。

2．3钛：目前，公认的组织相容性最好、性质最稳定、质量最轻的修补材料之一。其来源丰富，不易被腐蚀，固定牢靠，并发症少，对术后磁共振成像检查无影响；其弹性模量和人骨非常接近，完全可用于人工骨骼移植，是现阶段较为理想的颅骨修补材料和支架移植材料。近年来在医学上的应用也越来越广泛，尤其在神经外科颅骨修补治疗中得到广泛的应用。

2．4智能材料：智能材料结构在外界刺激下，可将传感、控制和驱动三种功能集于一身，能够完成相应的反应，主要包括电活性聚合物和记忆胶体等智能材料。2013年，Skylar Tibbits首次提出“4D打印技术”概念［5］，即通过3D打印技术制造加工任意复杂形状的智能材料，该智能材料可以随时间和外界环境发生相应变化。对于智能材料而言，3D打印技术解决了传统制备方法无法制备复杂性状智能材料的难题。目前，生物医学领域已经应用和研发的产品包括智能医用绷带、变焦距透镜和仿生机器人等。

三维重构建模和快速成型技术

3D打印的前提是生成可用于驱动打印喷头的指令数据进而操控成型设备实现产品成型。临床通过影像检查CTMRI等扫描设备获得人体组织的二维断层图像数据，然后利用专用软件将二维断层图像重建为三维虚拟模型，并生成为快速成型机可以接受的STL（stereo lithography）格式图形文件，最终制造出生物产品三维实体模型。

三维重建为病变体的定量分析（如计算体积，表面积和空间方位等）提供重要依据，是手术规划和模拟手术过程的重要部分。三维重构建模不仅提供人体内部结构的数字化三维模型，而且利用相关软件还能在模型上进行手术设计和生物力学分析，这一点在脊柱外科的螺钉置入术中意义显著。

1． 数据获取

CT、MRI和正电子放射断层扫描（PET）等检查都能轻松获得病人有关部位的二维断层图像数据，其中，螺旋CT与快速成型技术的结合应用更为普遍，尤其擅长骨骼数据的获取。随着CT扫描技术的飞跃发展和伪影抑制技术的进步，螺旋CT可以连续移动和无间隔扫描， 当准值厚度和前进速度相等时， 伪影可以减少到最低限度， 可达到类似高分辨率CT的高质量图像，为三维重建时边界的提取及矢量化奠定了基础。MRI引导下的3D打印技术在医学领域应用较少，目前仅有心血管系统和神经系统等少数应用报道。

2． 三维重建

除了CT工作站自带的三维重建系统外，目前，国外市场已经出现多个商品化的医学影像三维处理软件，比较经典的如比利时公司的Mimics，美国公司的3D．Doctor等，以及国内的3D Med 、Delphi、“AccuRad TM pro 3D高级图像处理软件”等。医学图像处理软件可将CT 或 MRI 扫描的二维断层数据，以 DICOM格式输入，通过滤波、二值化、轮廓提取和三维重建，最终转化为 STL 文件导出。

3． 快速成型打印

三维重建后的图像，经过格式转换，以STL格式数据输入计算机，应用快速成型技术，逐层堆积即可制作成大小相等、形状相同的实体模型。

3D打印技术在中枢神经系统方面的应用及国内现状

3D打印技术引入医学领域20多年来，已经引起越来越多临床学科的关注和重视，特别是硬组织外科领域。3D打印技术属于非传统加工工艺，与传统“减材”制造方向相反，该技术通过“增材”制造将材料直接加工成成品，特别适合生物医学中多曲面、非对称、内部结构精细等复杂产品（如骨骼和器官）的快速制造和个性化定制。

本文将着重介绍融入3DP技术最广泛、影响最深刻的神经系统外科疾病的临床应用现状。

1． 硬组织外科

1．1颅骨缺损修复：颅骨缺损会导致患者颅骨的保护功能受损，从而引发患者的各种神经系统症状。医学发展日新月异，患者对手术效果要求更高，除了达到外形和功能的修复，还要兼顾外形美观。3D打印技术可以帮助外科医生根据患者颅骨缺损的实际情况进行个性化的数字化精确修复，最大程度地接近自然外观的效果。

鲁能的表现也同样有些难堪，两队自2008年至今已在中超交手20次，鲁能队1胜9平10负的战绩简直惨不忍睹。

1．1．1预制个性化颅骨缺损修复体：术前将颅骨缺损患者CT扫描断层图像的数据进行三维重建处理，精确设计修补材料的大小及生理弧度，并运用计算机技术进行精确设计塑形，制造出与缺损处吻合良好的修复体。该技术尤其在特殊部位的成形手术（如颅底处），具有传统方法无法超越的优越性。值得注意的是，预制修复体时采用的是镜面对照原理，而双侧颅骨缺损患者面临缺乏自身健侧对照数据的问题。目前随着正常颅骨数据库的建立，此类患者可以从数据库内找到相似的形态数据加以比照，然后进行技术处理还原，从而设计制作成比较满意的修复体。

与传统的手工修复方式相比，数字化3D快速成型技术在颅骨修补手术中具有明显优势：

（1）快速成型技术制造个性化修复体的周期短、效率高

（2）预制体与缺损处解剖形态匹配良好、术后效果患者满意度高

（3）术前预制缺损修复体，省去术中塑形过程，大大缩短手术时间

（4）简化手术操作过程，术中麻醉时间缩短，手术风险降低

1．1．2修复材料：颅骨缺损的修复材料除了要恢复头颅解剖学原貌，还要组织相容性好，并发症少，这样手术的远期效果才会理想。因此，目前国内外研究的热点集中在数字化成型技术中颅骨缺损修复材料的应用价值比较［6］：

（1）钛网：目前被临床广泛应用。根据患者头颅CT扫描数据及三维重建结果，模拟缺损颅骨的形状和曲度，预制个性化的钛网补片，解剖外观和组织相容性均取得满意效果。因修复体和缺损面吻合度高，明显减少了术中固定钛钉的使用数量，某种程度上可降低患者的部分治疗费用。该材料对术后CT、核磁共振等检查无明显影响，极具临床推广价值。

（2）复合材料EH：具有医用树脂和羟基磷灰石复合材料的优点：生物相容性良好、机械强度大、植入后不吸收、不变形，并发症较少，其作为阶段性的产品，是一个相对比较能够满足临床需要的材料，有待进一步的时间验证和推广。

（3）组织工程骨：组织工程骨是理想的骨缺损修复材料。但目前该技术掌握的难度大、费用高、周期长，尚难以在临床大规模推广。

1．2 脊柱外科：脊柱解剖结构复杂，而脊柱损伤、畸形、退变及肿瘤等常见脊柱疾病又常伴有椎体结构的解剖变异，尤其是儿童胸椎椎弓根细小，节段性差异大，周围伴有血管、神经根、脊髓等重要组织结构，手术允许偏差范围小、风险大，因此脊柱外科的手术治疗对临床医师来说非常棘手，并且具有挑战性。如何提高手术精确性和安全性是脊柱外科医生共同努力的目标。

3D打印技术在脊柱外科的临床应用特点［7-11］：

（1）提供脊柱立体实物模型：可立体显示脊柱病变的解剖结构，方便观察、测量，对手术方案的制定、术前手术模拟操练具有指导意义。常用于重度脊柱畸形的矫正（图3）。

（2）提高手术精确性和安全性：尤其在椎弓根的螺钉内固定中优势明显。个体化椎弓根螺钉导航模板是3D打印技术的产物，该方法对脊柱进行三维重建，从不同的角度与方向观察实物模型，术前模拟置钉入路并制定参数，明显缩短手术时间，显著提高了手术安全性。

（3）发展前景广阔：三维重建技术结合三维有限元可以分析脊柱各部分的受力情况，固定器械的应力状态，从而为开发各种更加坚固的椎弓根内固定材料提供技术支持。

2． 软组织外科

2．1 颅内动脉瘤：Wurm等［12］将快速成型技术应用于颅内动脉瘤的手术治疗，动脉瘤的3DP立体模型有助于术前诊断和手术计划的制定，可供经验不足的医生术前模拟操作和术中手术指导。研究结果证实3D快速成型技术在脑外科手术的可行性和实用性。

2．2 脑室系统畸形：国外研究者利用3D打印技术制造出Dany-walker畸形患儿的脑室系统模型，该3D模型显示病变直观、立体，有效地帮助医生和患儿家属沟通，为观察和测量脑室的复杂形态提供唯一的可能性。

2．3外耳畸形修复：快速成形技术和组织工程技术相结合构建的生物替代物在人体器官修复方面具有良好前景。目前，国内外学者将快速成型技术用于小耳畸形的全耳再造修复，利用该技术制作的三维模型较传统的二维胶片模型更加立体、直观，可以指导术前雕刻和术中修复对照。

总结和展望

3-D打印技术临床应用的优势主要体现［1，13-15］：

（1）提供术前模拟手术的模型：更直观的协助医生进行病情解释与术前病情分析，减少医患矛盾；典型病例模型还可作为示教用具。

（2）提供术前模拟手术操作的可行性：帮助外科医生术前全面评估病情；分析和探索最佳手术方案，从而减少手术时间、术中出血及各种并发症；方便外科医生对解剖结构的认识，大大降低了手术带来的副损伤。

（3）预制术中导板，优化手术效果：术中将导板准确就位、稳定固定，促进手术的个性化和精确性。

（4）个性化治疗中植入物的计算机辅助设计和制作：精确契合缺损部位，目标是既仿制物体外部空间造型，也打印内部三维结构，实现从宏观结构到微观组织的“内外兼修”。

3D打印技术正在迅速发展成为生物医学领域中的一项热门研究技术，是数字化医学进程中的催化剂。目前，3D打印技术的诸多优势在国内还停留在理论层面，距离临床实践和广泛推广的目标还有距离。我们相信随着生物材料科学的进步和计算机技术的发展，3D打印技术必将实现生物医学各个领域的革命性进步。

参 考 文 献

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［4］Ebert L C, Thali M J, Ross S. Getting in touch-3D printing in Forensic Imaging. Forensic science international, 2011, 211: e1-e6.

［5］李涤尘, 刘佳煜, 王延杰, 等. 4D 打印-智能材料的增材制造技术. 机电工程技术, 2014 : 1-9.

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［13］刘云峰, 徐俊华, 董星涛, 等. 实现精确种牙的现代设计与制造技术. 机械工程学报, 2010 : 150-157.

［14］董青山，郭家平，李志进，等.基于快速成型术即刻精确修复下颌骨缺损的临床研究. 口腔医学研究，2012，28:1134-1137.

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Application of Three-dimensional Printing Technique in Central Neural System Diseases

LI Ke1, GU Shou-xin2, ZHANG Guo-fu2, FU Le1

【Abstract】To review the current research status of three-dimensional （3-D） printing technique on clinical surgery application and predict the future development trends. Recent related literature about 3-D printing technique on surgery application was summarized, reviewed, and analyzed. 3-D printing technique is more and more widely used in the field of surgery application, and has had a profound influence on central nervous system, but still many problems existed. As the rapid development of the biological materials science and computer technology, 3-D printing technique will achieve breakthroughs in terms of neurosurgery.

【Key words】Three-dimensional printing technique；Rapid prototyping；Cranial defect

收稿时间:（2015.03.31;修回时间：2015.05.16）

通信作者：谷守欣 （电子邮箱：shouxin2006aggie@163.com）

通信地址:上海市杨浦区沈阳路128号, 上海200090

中图分类号：TP334.8

文献标志码：B

文章编号：1006-5741（2016）-01-0092-05