3D打印技术在精准微创治疗中的应用进展*

王 然 陆丽娟 林 建

（南京大学医学院附属鼓楼医院疼痛科，南京 210008）

·特约综述·

3D打印技术在精准微创治疗中的应用进展*

王 然 陆丽娟△林 建

（南京大学医学院附属鼓楼医院疼痛科，南京 210008）

近年来，随着3D打印(3D printing, 3DP)技术临床转化的快速推进，其在医疗领域，尤其是精准微创治疗中的应用价值逐渐得到重视。精准治疗，即针对病人的个性化特征量体裁衣地提供治疗方案。基于影像数据三维重建及计算机辅助设计，3D打印技术不仅为临床提供了立体可触的个性化解剖模型，更成为辅助完成手术方案设计、精确术前模拟、精准手术导航的重要工具。微创介入手术是治疗慢性疼痛的重要手段，而3D打印技术在该领域的应用相对较少，本文将就3D打印技术在精准微创治疗中的临床应用进行综述，并对其在慢性疼痛领域的应用前景进行展望。

3D打印；个体化导航； 精准治疗； 微创治疗； 计算机辅助设计

3D打印(3D printing, 3DP)，又称“增材制造”(Addictive Manufacturing, AM)，是快速制造(Rapid Prototyping, RP)技术的一种，是基于计算机三维数字成像技术，采用逐层制造的方式将打印材料结合起来的工艺[1]。与传统的制造工艺相比，它省去了大量的复杂繁琐的流程（包括模型制作、模具制作、不同结构的拆分制作与组装等），以一种简洁、直接的方式将计算机辅助设计的数字化模型转换成三维实体[2,3]，凭借此优势，3D打印概念一经提出便迅速风靡整个工业领域。近年来，3D打印技术逐渐从工业领域拓展至医疗行业并迅速发展。

精准外科手术，是伴随数字医学技术发展而产生的全新手术模式[4]，以对疾病的精确定性与准确判断为基础，包括个性化手术方案设计、精确术前模拟、手术可能出现问题的预判及解决预案、高精度高效率的手术实施等。微创外科手术以微创化、可视化、可控化及标准化为特征，旨在以最小的创伤、最大的脏器保护、最低的医疗耗费获得最佳的治疗效果[5]。先进的医学影像技术与设备是精准外科手术发展的重要工具，能提供丰富的疾病相关信息。然而尽管医学影像技术已能实现3D成像甚至4D动态成像，但碍于显像模式的限制，医生们只能通过2D的计算机屏幕去查看[1]，其临床价值未能被充分利用。3D打印技术将数字化影像资料转变成三维实体，还原了真实的解剖结构，弥补了传统的2D观看模式的不足，不仅为医生提供了立体的观察体验，而且通过基于计算机辅助设计(Computerassisted Design, CAD)的数字化手术模拟与基于3D模型的实操手术演练，还能辅助医师预评估个性化手术方案的可行性与安全性。此外，利用CAD技术设计的个性化手术器械更能高效且精准地辅助手术，以最小的创伤代价达到最佳的治疗效果[6]。

尽管3D打印技术已在精准外科手术领域取得一定进展，但应用于慢性疼痛治疗中的还非常少。微创介入手术是疼痛治疗的重要手段，精准穿刺是确保疗效的关键，3D打印技术在该领域有广阔的应用前景，值得疼痛专科医生深入地理解和推广。本文就3D打印概念、技术类型、3D打印在术前规划及术中精准引导中的应用及在慢性疼痛诊疗的应用前景等进行综述。

1. 3D打印技术简介

1984年，Chuck Hull设计出了立体平板印刷技术(stereolithography, SLA)，即利用固化光敏聚合物与紫外光激光器，通过逐层添加的方式制造立体模型[7]。自此，3D打印的概念便被引入工业制造领域，并逐步拓展至其他领域，包括医疗行业[8]。与传统的制造工艺相比，它省去了大量的复杂繁琐的产品制造流程（包括模型制作、模具制作、不同结构的拆分制作与组装等），以一种简洁、直接的方式将数字化模型转换成三维实体[2,3]，这不仅节省材料、简单快捷、降低单个产品的制作成本，更重要的是，随着3D打印软硬设备的升级，整体的设计制作流程将逐渐从工厂搬迁至办公室，使人们更容易将其应用到制造业中。

近年来3D打印快速在临床展开，并得到广泛应用[8]。例如肝脏肿瘤的外科手术治疗，术前充分了解肝脏组织结构及血管分布是制订手术方案的基础，通过薄层CT扫描、三维重建并3D打印肝脏模型，外科医生可以直观了解病人的个性化解剖特征、决定切除范围并进行手术模拟。由于该模型亦能提供肿瘤的解剖信息，术中借助3D模型指导手术更加提高了手术的精准性[9]。凭借3D生物打印技术的进步，其优势发挥至器官移植领域，利用患者自身细胞打印新的器官以完成移植手术，不仅摆脱了供体缺乏的困境，也解决了机体排斥反应的问题[10]。在骨科，3D打印的个性化人工关节、骨缺损植入物、内固定器械等产品由于更易生产且精度更高，不仅可以辅助完成个性化的手术方案，而且降低了手术的费用[11]。此外，3D打印技术在口腔颌面外科、心脏外科、介入科、康复科等临床学科以及医学教育和医患沟通中的应用都已取得重要进展，并在一定程度上逐渐颠覆传统的治疗理念。

2. 3D打印流程及技术类型

（1）3D打印流程

临床需要进行3D打印时，①病人需行目标区域的CT或磁共振扫描，并将影像数据以DICOM格式保存下来；②将影像数据导入3D建模软件中，三维重建出扫描结构的立体模型，根据具体需要进行个性化设计；③完成数字化设计后，将打印目标以stl格式导出；④3D打印机完成打印。

（2）3D打印技术类型

立体平板印刷技术(SLA Stereolithography)[7]：最早用以制造生物实体模型的打印技术，采用紫外线曝光光敏树脂使其固化的原理。立体平板印刷技术是3D生物模型打印的推荐标准，其打印厚度最薄可达到0.025 mm，越是大体积的模型，其打印的效率优势越能显现，此外，该打印模式可以精细地显示内部细节。但是，由于打印后需要手工处理支撑结构，不仅增加了人力劳动，还增加了打印材料成本。近来，在传统的SLA技术上发展出了新的打印模式CLIP (continuous liquid interface production)，在曝光池中加入抑制液态光敏树脂聚合的氧气，以平衡紫外线曝光固化作用，可直接立体式地打印出模型整体，摆脱了逐层打印的弊端，极大提高了打印的速度与质量。

多喷头打印(MJM Multijet modeling printing)[12]：该技术类似于SLA，通过喷头处喷出液态光敏树脂并利用紫外光使其快速固化实现打印，其优势在于打印过程由溶于水中的凝胶样材料提供支撑，避免了打印后支撑的处理。该打印技术不仅可以达到SLA的精度，而且可以根据需要针对不同部位使用不同的打印材料。

选择性激光烧结(SLS Selective Laser Sintering)[12]：同样采用逐层打印的方式，利用高能激光束将粉末状的塑料、金属、玻璃以及陶瓷材料烧结成三维实体。类似于SLA，未烧结的多余部分需要打印后处理，但该部分去除的材料仍可继续利用。该模式打印的模型表面光滑，结构精致，具有更高的精度，但操作更复杂，价格也更加昂贵。

粘合剂喷射技术(BJT Binder Jet Technique)[12]：这是一项用于降低3D打印成本的技术，受到广泛关注。它设置专门喷射粘合剂的喷嘴，逐层将打印粉末粘合起来，同样，该技术也不需要使用打印支撑，但是由于打印模型的强度以及表面光滑程度远不如SLA和SLS，打印后需要进一步加工强化。

熔融沉积成型技术(FDM Fused Deposition Modeling)[12]：熔融沉积成型技术是当前使用最普遍的消费级打印模式，最具价格优势。根据数字化模型的空间坐标，打印喷嘴在打印平台上逐层喷射出融化的热塑材料，该材料可在喷出后快速固化成型。目前，用于FDM打印的材料最常见的是ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene)和 PLA（polylactic acid）材料，价格低廉，但该打印技术的缺陷在于支撑结构损害了模型原有的光滑表面。

3. 3D打印技术在术前规划中的临床应用

临床治疗中，对目标部位解剖结构的精确把握是实现个性化精准治疗的重要基础，解剖结构的个体差异是不可回避的现实问题，甚至决定了手术的成败。然而传统的CT或MRI仅提供了二维的影像资料，目标组织的空间位置、与相邻结构的相对距离、角度等空间信息无法直接获得，因而临床医生很难据此对手术进行个性化的准备[13]。

随着3D打印技术的进展，3D可视化技术、3D打印实体模型、计算机辅助设计的应用为术前手术方案提供了新方法，并在以下领域得以开展：①上颌骨、下颌骨截骨及重建[14,15]；②微创义齿种植[16]、牙根尖切除术[17]；③颅缝早闭的颅骨重建[18]；④骨折截骨手术[19]、脊柱椎弓根螺钉置入[20]；⑤普外手术如巨块型肝癌切除术[9]；⑥放射性粒子植入术前规划[21]；⑦心血管手术[22]。

计算机辅助设计的应用提供了丰富的手术设计工具，除了展示目标组织精细解剖结构、辅助完成手术方案的制定、提高术者对手术的把握外，该技术还提供了完备的测量、切割、模拟功能，术者可以客观地检验手术方案的可行性及安全性，充分了解手术的相关风险并做好相关预案，进而将可能的损失降至最低。此外，术中将3D影像资料及3D实体模型与术野所见对比，辅助术者动态把握手术过程，更提高了治疗的精准性。

4. 3D打印个体化导航模板在个性化精准治疗中的临床应用

3D打印个性化导航模板是一种用于引导穿刺、切割、固定、重建等手术操作的工具。导板制作基于病人个性化影像数据重建的三维模型，利用计算机辅助设计软件设计出基座、引导轨道、引导孔道等结构，最终通过3D打印设备打印出实体导板模型。个性化导航模板是根据病人的个性化解剖结构制作而成，可以将传统的手术操作按照术前的模拟设计精确执行，实现个性化、精准化、微创化治疗。个性化手术导板最早使用在膝关节重建手术[23]中，随着3D打印技术的引入，该技术在各专科迅速开展。

（1）口腔颌面外科

义齿种植是牙列缺损和缺失患者理想的口腔修复方式，随着种植技术的进展，实现精准种植并保留牙齿的功能及美观已经成为该项治疗的终极目标[24]。为实现美观及微创的目标，充分的术前评估与规划是重要的基础工作，如何在存在解剖差异的基础上实现精准种植是需要攻克的重要课题。Pei Shen等[24]在计算机辅助术前评估的基础上，利用3D打印个性化手术导板完成了57颗义齿的植入，结果发现与非导板义齿植入相比，种植精准大大提高。Tahmaseb A等人[16]对不同的辅助义齿种植导板的临床应用进行综述，结果表明3D打印义齿种植导板能显著提高种植的精准性，并减少下牙槽神经损伤等并发症。

（2）骨科

由于不同患者之间的个体差异和解剖变异，骨折复位、内固定接骨板或固定螺钉的置入具有创伤大、耗时长的特点，微创的骨折复位及内固定对于术者的解剖知识、手术经验有更高的要求。3D打印技术及CAD技术为脊柱外科螺钉植入提供了新方法，3D打印椎弓根螺钉植入导板分别在颈椎[20]、胸椎[25]、腰椎[26]的螺钉置入手术中得到应用，结果均显示使用3D打印导板显著提高了置钉的精准性，提高手术的效率，值得推广。陈宣煌等[27]通过3D打印带钉道的导航模板辅助完成了17例胫骨近端骨折的钢板和螺钉微创置入，结果证实3D打印导航模块辅助下的内固定准确性高，手术时间短，安全性高。

（3）粒子放射治疗

短距离放射性疗法是治疗晚期宫颈癌等晚期肿瘤的方法之一，粒子植入过程对植入精准性及剂量精准性有很高的要求。Jacob Christian等[21]提出了一种辅助经阴道粒子植入治疗晚期宫颈癌的手术导板，在术前充分的置入靶点评估基础上，利用该导板完成了3次粒子置入手术，由导板辅助手术操作方便，经预留针道置入放射性粒子位置准确，大大降低了手术的操作难度，尤其对于阴道空间狭小的患者，该手术导板的优势将更加凸显。

（4）疼痛医学

微创治疗技术因具有创伤小、术后恢复快、疗效确切、并发症少的优点，已成为疼痛治疗的核心手段[28]。疼痛科开展的椎间盘微创、椎体微创、神经微创等各种微创治疗要求术者具备扎实的解剖知识和丰富的手术经验，个体的解剖差异进一步提高了操作难度。对于位置深在、靶点较小的困难穿刺操作如经皮卵圆孔穿刺，即使经验丰富的疼痛科医生，穿刺的失败率仍然很高[29]。本课题组于2014年开展相关研究，将3D打印技术成功应用于个体化导航经皮卵圆孔穿刺，证实3D打印个性化导航系统能够显著提高穿刺成功率和手术安全性，大大缩短手术时间，减少损伤、降低并发症发生率[13]。顾铁保等[30]利用3D打印导航模板完成18例原发性三叉神经痛的半月节射频热凝术，也证实了上述结果。

相较于传统的立体定向导航技术、神经导航定位技术[31]、机器人导航技术[32]，3D打印个性化导航系统在患者舒适度、术者操作便捷度、手术总费用、临床可推广性和技能门槛等方面都有着极大的优势。

（5）3D打印个体化导航模板应用的不足和对策

为解决导航模板的稳定固定问题，术者常通过暴露骨性组织如棘突、椎板、关节突、下颌骨或上颌骨等结构实现导航模板的完好贴合，而暴露和剥离组织势必会导致出血量增加，手术时间延长，这又与微创化的目标相反。因此，并非所有的治疗个性化手术导板均能发挥优势。

导航的精确还受到打印产品的精度的影响，包括打印机的打印精度和CT的扫描精度。扫描的断层越薄，误差越小，输出的精度越高，但是放射量增大的问题也随之产生。由于计算机或打印机故障可能导致打印模板精准性出现偏差，树脂或塑料模板在消毒的过程中可能发生形变而影响精度，因此术者必须意识到不能完全地依赖导航模板，需结合临床经验，做出正确的判断并调整导航方向的偏离。

除此之外，仍有许多问题限制了3D打印技术的推广。①知识产权保护也面临全新的挑战。②临床医生3D打印技术基础知识和实践技能需要有针对性的培训。③鉴于高精度打印设备及材料的价格，3D打印技术还不具备绝对的经济上的优势。

5. 3D打印技术应用于慢性疼痛精准治疗的展望

（1）国内慢性疼痛诊疗现状

慢性疼痛在社区人群，尤其是老年人群中具有较高的发病率。上海市居民慢性疼痛患病现状调查[33]显示：社区居民患有慢性疼痛者占比92.68%，而在医院门诊患者中，其比例更高，但仍有很多患者未能得到及时的诊治。自2007卫生部在《医疗机构诊疗科目名录》中增加一级诊疗科目“疼痛科”之后，全国各级医院的疼痛科逐渐建立。然而，经过了九年的发展，疼痛科医生队伍依然无法满足庞大的诊疗需求。在规范诊疗技术、疼痛学科质控、重点学科建设、完善疼痛科医疗服务价格体系、疼痛专业人才规范化培训、中青年疼痛专业人才培养等方面，刚起步的疼痛学科仍需要继续努力[34]。与此同时，非疼痛科的医务人员对于疼痛，尤其是慢性疼痛诊疗的知识储备依然有待加强[35]。

（2）3D打印技术应用于个性化精准治疗的展望

数字化技术在临床诊疗中的广泛应用，已悄然改变着现代医学的基本面貌。以“个性化治疗”为基础的精准医学一直以来都是临床工作者的追求，数字医学的进步是其最直接的动力，3D打印技术的不断提高更是开辟了个性化精准医学的新篇章[36]。我国的数字医学虽然还处于萌芽阶段，但其突飞猛进之势，正推动着以“精准化、个性化、微创化、远程化”为主要特征的现代医学的快速发展。

微创介入治疗是慢性疼痛治疗的重要手段，在疼痛诊疗中起着举足轻重的作用，为各种指南所推荐，也为患者及家属所接受。完善的术前规划及3D打印导航系统的引导能够显著提高微创介入手术的准确性，使得原本复杂的手术过程变得简洁，降低手术风险的同时保证了手术安全，使年轻医师也能安全完成传统意义上的疑难手术，对人才队伍缺乏的疼痛专科是有力的支持，远程医疗的出现更使3D打印远程辅助微创治疗成为可能。目前，3D打印导航系统在疼痛微创介入手术中的应用还处于开发和研究阶段，但是前景广阔，疼痛科医生需要积极地参与其中。

（3）3D打印技术的应用对慢性疼痛诊疗现状的积极影响

3D打印技术的推广及远程协助，对于提高疼痛诊疗水平，尤其是加快年轻医生、基层医院医生的学习成长大有裨益，可使基层医院同步分享上级医院的创新成果，将大大推动医疗资源相对缺乏、尤其是专业医护人员缺乏的疼痛学科的发展，该技术的推广在保证治疗效果的同时明显提高治疗效率，可以部分缓解疼痛医护人员的压力，创建更为和谐稳定的医疗环境，而随着基层医院的诊疗水平的提升，慢性疼痛的分级诊疗现状亦将得到改善。

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10.3969/j.issn.1006-9852.2017.02.001

南京市医学科技发展项目（ZKX15015）

△通讯作者 932200932@qq.com