3D打印技术在神经外科中的应用研究

周 磊 综述 毛更生 审校

3D打印技术在神经外科中的应用研究

周 磊 综述 毛更生 审校

3D打印技术；神经外科；综述

3D打印技术的原理是按照“分层制造、逐层叠加”制造的[1-3]。自1986年第一台商业3D打印机问世，此后进入快速发展阶段。目前，3D打印技术已初步应用在各行各业，包括工业、军事、航空、文化，以及医学等领域[4]。在医学领域，因为人体复杂的解剖以及个体变异等情况，3D打印技术可用于制作手术术前模拟、教学解剖模型、医学临床研究及新型药品研制等[5-7]。在神经外科方面，由于人类颅脑结构的复杂性，在手术中仅仅根据二维图像亦或者三维图像往往也可能是欠缺的，此时如果能够将三维图像通过3D打印机打印出来，用于患者宣教与沟通、术前诊断、手术模拟及术中参考，将有效提高手术的精确度、降低手术风险及减少并发症的发生。笔者通过阅读文献，将3D打印技术在神经外科中的应用范围、不足及应用研究前景综述如下。

1 应用范围

1.1 神经外科教学培训、手术计划及医患沟通 中枢神经系统结构复杂，低年资的神经外科年轻医师一般很难在短时间内理解并掌握，他们通过传统的解剖图谱、标本教学以及临床实践去学习并体会，即便是通过手术观摩，由于视角问题也不能很细致地看清一些解剖结构，在学习体会上可能造成困扰。而这些细微结构可使用3D打印机原比例地打印出来，立体的呈现在医师面前，可以提高学习效率。Brace等[8]在2015年根据3D打印技术打印出侧脑室外引流手术模型，次年据3D打印制作出模拟经鼻内镜入路模型供年轻神经外科医师学习，获得较高评价[9]。国内的杨治荣等[10]已成功完成了侧脑室解剖3D模型构建，形成中、英文两个版本的教学课件，并进行了局部的实践应用，取得了良好的教学效果，受到了师生的好评。在制定手术计划时，3D打印出的病灶模型不仅能够给予医师直观的展示，进行准确严格的术前准备、完美精细的术中操作，亦可在与患者及其家属沟通显示出其优势，由于神经结构的精细性以及复杂性，医疗术语和专业词汇会让患者及其家属一头雾水甚至不知所云，使沟通难以继续。如果采用举例子、打比方等通俗易懂的方法去说明问题，患方就能够容易理解，并能够与医师进行交流、沟通，达到事半功倍的成效[11]。若进一步能够拿出实体模型与患方进行沟通，则能够使交流更加融洽。用3D打印机打印出1∶1的神经系统病变结构，则可以让患者以及家属能够直观了解病情，解决了信息的不对称性，有助于解释和沟通，使医患关系更加和谐。

目前3D打印技术主要应用于以下神经外科系统疾病。

1.1.1 应用于颅底肿瘤 颅底肿瘤是颅内肿瘤的一部分，是指发生于颅底及其相邻近结构的肿瘤，因为颅底结构复杂，故此类手术具有低切除率、高致残率特点，因此被认为是神经外科的极限运动。此类肿瘤切除手术则可以非常充分体现出3D打印的优越性。术前据病灶数据，通过软件，利用3D打印机将其模型打印出来，可以让手术医师仔细领会肿瘤的位置、大小、形状、血供及其与周围神经、血管、重要核团的关系，增进术者对肿瘤组织及周围血管神经的解剖位置的理解，有助于手术入路的选择，并可通过不同颜色的材料区分肿瘤组织及正常脑组织，手术时能达到切除效果的同时最大限度地保护正常脑组织，有效地降低手术并发症及后遗症的发生率[12]。在1998年，日本报道了7例颅底肿瘤患者，术前据影像学资料建造了模型，结果其中5例肿瘤被成功切除，另2例脑膜瘤患者，因肿瘤紧邻粗大的神经及血管，完整切除可能引起并发症甚至死亡，最终选择部分切除，所有患者均无术后并发症[13]。国内中南大学湘雅医院应用3D打印技术，将一名复杂颅底肿瘤患者的病灶及周围组织打印出来，医生于术前通过模型对手术进行干预设计，精确成功的全切肿瘤，患者术后两天下床行走，第7天出院，恢复良好[14]。

1.1.2 应用于颅内动脉瘤 颅内动脉瘤是造成自发性蛛网膜下腔出血最常见原因[15]，是一种高死亡率和高致残率的疾病[16]，目前针对颅内破裂动脉瘤手术治疗分为开颅动脉瘤夹闭术和血管内介入栓塞术[17]。两种手术方案对术者技术的要求较高。开颅夹闭手术最大的难点在于动脉瘤解剖位置的精确把握以及对手术并发症的预防，术前手术良好的规划对减少术中操作损伤以及减少手术时长更加重要[18]，因为它们与动脉瘤破裂、术后感染以及致死致残率关系密切[19]。1999年，D’Urso等[20]报道了第一例快速成型技术建造的动脉瘤模型，术者可以从多角度近距离地研究复杂的脑血管解剖构造，增强术者的理解。他们认为，借助此模型可有效用于对患者宣教、术前诊断、手术模拟及术中参考。近几年，随着血管神经外科领域的进步，特别是DSA机器功能的研发，例如3D旋转造影，越来越多的颅内动脉瘤被清晰的认识，再通过3D打印技术将动脉瘤打印出来，能够更加使得手术事半功倍。Toshihiro等[21]利用3D打印技术将动脉瘤打印后，在进行夹闭手术前模拟手术过程，之后在真实手术时，在动脉瘤暴露以及动脉瘤夹大小选择上所用时间明显缩短，得到手术医师好评。

针对颅内动脉瘤血管内治疗，微导管理想的塑形能够提供在栓塞过程中微导管的稳定性，以及使弹簧圈准确进入动脉瘤腔，是手术成功的关键和难点[22～23]。可将动脉瘤以及载瘤动脉通过3D打印机打印出来，术者可直观据此血管走形在介入治疗前给与微导管塑形，真实手术时，能够使微导管准确便捷超选进入动脉瘤腔，在手术过程中微导管到位率高，微导管的稳定性明显加强，栓塞致密程度增加，使操作时间缩短，能够高效完成手术，降低了病人手术风险。Katsunari等[24]报道的在10个动脉瘤患者行血管内治疗前，将动脉瘤以及载瘤动脉通过3D打印机打印出来，据此对微导管进行预塑形，结果良好，其中并发症方面，除一例因术中大脑中动脉受损而致蛛网膜下腔出血外，其余9例无并发症发生；在稳定性以及准确性上，全部效果满意。

1.1.3 应用于动静脉畸形 动静脉畸形(AVM)是一种先天性血管畸形，是指AVM中供血动脉的动脉血液不经毛细血管床而直接汇入引流静脉，它本身结构复杂，以往医师对疾病的了解限于对二维图片的解读，由于血管间的重叠，对供血动脉、畸形团以及引流静脉判断准确性不够。3D打印出的实体模型可直观观察，并能分析病变及其与周围组织结构的关系，让手术医师全面真实地了解动静脉畸形团结构，确定最佳的手术方案，节省术者在获取DSA资料后至开始进行手术治疗所需的时间，也同时明显缩短了患者麻醉以及整个手术时间，节省相关术中等待的医疗费用，并能降低额外的麻醉以及手术的意外和风险。Thawani等[25]利用3D打印技术将动静脉畸形模型打印出来，研究解剖特点以及血流动力学特点，提高了医师对于复杂动静脉畸形的理解能力。广东省人民医院神经外科陈光忠教授[26]应用 AVM 实体模型指导与患者及其家属的术前谈话及手术方案设计，并与对照组结果进行对比，显示3D打印模型可以帮助术者更加直观地了解畸形团空间构筑学特征，指导术者进行手术方案的制定，同时应用3D打印实体模型可提高与AVM患者术前谈话效率及患者满意度。

1.2 应用于假体置入 目前针对神经外科中假体置入，主要应用于颅骨缺损。颅骨缺损是颅脑损伤、脑血管意外、颅内肿瘤常见的术后遗留问题[27]，由于患者颅骨的保护功能受损，进而可能引发患者出现各种神经系统症状[28]。目前临床上使用最多的假体置入原料是电脑塑形钛网，是根据个体颅骨缺损部位模型制作的假体，其契合满意程度良好，但主要问题是材料是贵金属，患者经济负担重，且生产耗费时间长、材料利用率低。目前已能利用3D技术改变这一局面，利用可置入材料通过3D打印机打印出缺损颅骨模型，经过消毒后可直接手术置入身体内，精确契合缺损部位，恢复自然外观的效果，患者满意度得以提升。2013年3月美国神经外科医师利用聚合物3D打印了一名男性患者2/3的颅骨并成功为该患者进行了手术治疗，这是获得美国食品和药物管理局许可后进行的第一例3D打印颅骨修补手术[29]。纪玉桂等[30]对23例颅骨纤维结构不良患者利用3D打印技术，快速成型制作出钛板模型，利用医用钛合金制造个体化修复块，并将此植入缺损区域，具有良好的适配性，术中无需修正、钛钉固定即可。术后随访修复体位置满意、形态良好，无感染现象发生。此方法简化手术操作，缩短了手术时间，临床效果满意。其次，复合植入体(细胞与植入体)具有生物相容度好，植入后不变形以及并发症少等优点，它是一个阶段性的产品并且能够相对满足临床所需要的材料，有待于进一步的时间验证和后期推广。Guillemot 等[31]将细胞和生物材料通过激光3D打印系统直接打印在实验小鼠颅骨缺损部位获得成功，对颅骨缺损的病人将又是一大福音。

2 不 足

虽然3D打印技术是一项具有工业革命意义的新兴制造技术，有着各种各样的优点，但也面临多方面的挑战与不足。

2.1 打印时间长与原料成本高 利用3D打印机打印模型所需时间较长，且成本高，因此对于急诊病例，往往不能够利用此技术，例如，颅内动脉瘤破裂出血，行DSA或者CTA检查后建立3D模型，Kimura等[32]报道，时间需要3～7 d，花费在300～400美元。患者在此时间段内可能出现二次出血导致死亡或者重残等情况，故目前对急诊利用率较低。但是随着技术的不断前进，打印的时间会逐渐缩短，成本亦会逐渐降低。

2.2 材料的制约 医用3D打印材料种类受到限制，主要材料为水凝胶、磷酸钙生物陶瓷及钛等，且目前国内尚缺乏关于3D打印材料的标准，因此现在3D打印材料主要依赖于进口，制约了其一定程度的发展。

2.3 精细程度低 3D打印模型的精确度目前受到原始图像分辨率和后期图像处理技术的影响。比如沿水平方向走行的细小血管(如穿支动脉)以及直径较小的血管则难以重建。Wurm等[33]指出，血管直径小于0.4 mm不能重建。我们相信，随着影像学设备的发展及后期图像处理技术的提高，精细问题有望在不远的将来得以解决，可以更好的显示一些细小结构，如穿支动脉。

3 应用研究前景

虽然许多研究尚处于起步阶段，且目前存在的不足制约了3D打印技术在科研和临床中的推广应用，但是随着科学技术的发展进步，当前面临的问题有望被一一攻克[34]。可以预期3D打印技术在神经外科中的应用方面还能够发挥更大空间和作用，并能够在神经修复、生物治疗上面取得新的进展，在未来的研究中尚需进一步发展与完善。此外3D打印技术定制性强的特点将为个性化医疗的实现提供有利条件，这就意味着，随着科技的不断发展与完善，患者将享受到更加优质的个性化医疗服务。总之，我们相信3D打印技术在神经外科领域的应用会有更为广阔的前景。

[1] Leong K F,Cheah C M. Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacement tissues and organs[J].Biomaterials,2003,24(13):2363-2378.

[2] Yeong W Y,Chua C K,Leong K F,ChanfrasekaranM.Rapid Prototyping in Tissue Engineering:Challenges and Potential[J].Trends in Biotechnology,2004,22(2):643-652.

[3] Seol Y J,JangT Y,Cho D W.Solid freeform fabrication technology applied to tissue engineering with various biomaterials[J].Soft Matter,2011,8(6):1730-1735.

[4] 李小丽,马剑雄,李 萍,等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014,35(1):1-5.

[5] OuKL,HosseinkhaniH.Development of 3D in vitro technology for medical applications[J].Int J Mol Sci，2014,15(10):17938-17962.

[6] Hespe A M，White R，Hudson J.Invited review applications for 3D printers in veterinary medicine[J].Vet Radio Ultrasound,2014，55(4):347-358.

[7] Klein G T,Lu Y,Wang M Y.3D printing and neurosurgery-ready for prime time[J].World Neurosurgery,2013,80 (3/4):233-235.

[8] Bruce L T, Deborah Rooney.Development of a 3D-printed external ventricular drain placement simulator: technical note[J].J Neurosurg 2015,123(4):1070-1076.

[9] Bruce L T, Anthony C,Wang,etal.A physical simulator for endoscopic endonasal drilling techniques: technical note[J].J Neurosurg,2016,124(3):811-816.

[10] 杨治荣,施 巍,沈 晨,等.3D真人侧脑室模型的设计与构建[J].第二军医大学学报,2012,33(11):1203-1206.

[11] 闰广庆,任家顺,陈 洪,等.医务人员人文素养在医患沟通中的应用探讨[J].重庆医学,2010,39(14):1927-1928.

[12] Oishi M,Fukuda M,Yajima N,etal.Interactivepresurgical simulation applying advanced 3D imaging and modeling techniques for skull base and deep tumors[J].J Neurosurg,2013,119(1):94-105.

[13] Abe M,Tabuchi K，Goto M，etal.Model-based surgical planning and simulation of cranial base surgery[J].Neurol Med Chir(Tokyo),1998，38(11):746-750.

[14] 相海泉.3D打印辅助手术治疗-记湘雅医院数字化医疗应用[J].中国信息界-e治疗,2014(4):55-55.

[15] D’Souza, Stanlies MB.Aneurysmal Subarachnoid Hemorrhage[J].J Neurosurgical Anesthesiology,2015,27(3): 222-240.

[16] Steiner T,Juvela S，Unterberg A，etal.European Stroke Organization Guidelines for the management of intracranial aneurysms and subarachnoid haemorrhage[J].Cerebrovasc Dis,2013,35(2):93-112.

[17] Li H,Pan R,Wang H,etal.Clipping versus coiling for ruptured intracranial aneurysms: a systematic review and meta-analysis[J].Stroke,2013,44(1):29-37.

[18] Lawton M T, Spetzler R F. Surgical management of giant intracranial aneurysms: experience with 171 patients.[J]. Clinical Neurosurgery, 1995, 42:245-266.

[19] Rinne J，Hernesniemi J，Niskanen M，etal.Management outcome for multiple intracranial aneurysms[J].Neurosurgery,1995,36(1):31-37.

[20] D’Urso P S,Thompson R G.Cerebrovascularbiomodelling:a technical note[J].Surg Neurol,1999,52(5):490-500.

[21] Toshihiro M,Keisuke O,Ryutaro K,etal.Development of Three-Dimensional Hollow Elastic Model for Cerebral Aneurysm Clipping Simulation Enabling Rapid and Low Cost Prototyping[J].World Neurosurgery,2015,83(3):351-361.

[22] Chae K S, Jeon P, Kim K H,etal. Endovascular coil embolization of very small intracranial aneurysms.[J]. Neuroradiology, 2011, 11(5):536-541.

[23] Kwon B J, Im S H, Park J C,etal.Shaping and navigating methods of microcatheters for endovascular ?treatment of paraclinoid aneurysms[J]. Neurosurgery,2010,67(1):34-40.

[24] Katsunari N.Microcatheter Shaping for Intracranial Aneurysm Coiling Using the 3-Dimensional Printing Rapid Prototyping Technology: Preliminary Result in the First 10 Consecutive Cases[J]. World Neurosurgery,2015,84(1):178-186.

[25] Thawani J P, Pisapia J M, Singh N,etal. 3D-Printed Modeling of an Arteriovenous Malformation Including Blood Flow.[J].World Neurosurgery, 2016, 90:675-683.

[26] 陈光忠,李鉴轶.3D打印技术在颅内动静脉畸形血管内介入治疗中的初步应用[J].中国脑血管病杂志,2016,13(1):25-28.

[27] 朱剑萍,孙 勇.2D/3D重建在颅骨修补中的应用[J].医学影象学杂志,2014,24(12): 2083-2085.

[28] 李 克,谷守欣.3D打印技术在中枢神经系统的临床应用[J].中国医学计算机成像杂志,2016,22(1):92-96.

[29] Ehrenberg R.3-D printer constructs two-thirds of man，s skull. Science News web edition,2013,March 11.

[30] 纪玉桂,李天栋,刘一兵.3D打印在颅骨骨纤维结构不良中的应用[J].海南医学,2014,25(19):2913-2914.

[31] Guillemot F,Souquet A,Catros S,etal.High-throughput laser printing of cells and biomaterials for tissue engineering[J].Acta Biomater，2010,6(7): 2494-2500.

[32] Kimura T, Morita A, Nishimura K,etal. Simulation of and training for cerebral aneurysm clipping with 3-dimensional models[J]. Neurosurgery, 2009, 65(4):719-725.

[33] Wurm G,Tomancok B,Pogady P,etal.Cerebrovascularstereolithographicbiomodeling for aneurysm surgery.Technical note[J].J Neurosurg,2004,100(1):139-145.

[34] 邓 滨,欧阳汉斌,黄文华.3D打印在医学领域的应用进展[J].中国医学物理学杂志,2016,33(4):389-392.

(2016-07-13收稿 2017-01-04修回)

(责任编辑 梁秋野)

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周 磊，硕士研究生，主治医师。

100039 北京，武警总医院神经血管外科

毛更生，E-mail:mclxmgs@126.com