3D打印技术在神经外科颅底手术临床教学中的应用

程传东

颅底解剖结构复杂，位置深在，有较多且不规则的孔、裂、管和道，其内有血管神经穿行。正常情况下颅神经和血管的位置恒定，但颅底肿瘤常致解剖结构发生变化，甚至重要神经血管被肿瘤包绕，如何实现术前对毗邻重要结构进行可视化观察与评估，是神经外科亟待解决的难题。随着组织工程学的发展，三维（three dimensional，3D） 打印技术已逐渐用于神经外科，如个性化植入物、组织工程支架、修复材料等[1]。3D打印技术在颅底手术中的应用，有助于术前了解肿瘤与颅底重要解剖结构的空间位置关系，制定个体化手术方案，甚至术前模拟手术过程，可以提升临床医生直观认识，在临床和教学中均有重要意义。

1 颅底手术教学中的难点

颅底肿瘤是指发生于颅底及其相邻近结构的肿瘤。颅底主要有额骨、筛骨、蝶骨、颞骨和枕骨的颅底部分组成。前、中、后颅底分别由蝶骨翼、颞骨岩部分界。在颅底骨质厚薄不一，有较多的孔、裂、管，是神经血管走行通道，主要有筛孔、视神经管、眶上裂、圆孔、卵圆孔、棘孔、颈动脉管、颈静脉孔、舌下神经管和枕骨大孔等，这也是颅底肿瘤向颅内外沟通的驿道。肿瘤既可向颅内发展，也可向颅外扩延，甚至涉及多部位、多学科领域。

颅底手术需要根据肿瘤的位置、性质以及与周边重要神经血管的空间位置关系选择最佳入路，手术中可能需行较多骨质的磨出、自然解剖间隙的显露。颅底显微解剖的研究集中在鞍区、基底池、桥小脑角区（CPA)、蝶—岩—斜坡区和颈静脉孔区等，相关手术入路有眶上入路、颞下入路、鼻-蝶窦入路、翼点入路、乙状窦前/后入路、幕上下联合入路以及远外侧入路等，甚至多学科协作，手术难度大，并发症多。一般需由高年资经验丰富的颅底外科医师手术完成。而神经外科作为三级学科，低年级研究生或低年资专科医师参加颅底手术机会较少，对颅底解剖和手术相关入路的认识仅限于理论层面，他们通过传统的解剖图谱以及临床实践去学习并体会，即便是参与手术过程，由于视角及经验问题也可能无法精准识别一些解剖结构，一般很难在短时间内掌握理解[2]。即便是通过标本教学，一方面因尸头标本珍贵，价格不菲；另外一方面则是因为解剖标本也无法实时直观反映肿瘤、血管、神经以及颅骨的个体化空间位置关系，在学习体会上可能造成困扰。

2 3D打印技术在神经外科的应用进展

3D打印技术是利用计算机的数字化三维成像结合现代高新技术连续打印的一项新的应用技术，目前已初步应用于工业、军事、航空以及医学等领域[2]。3D打印技术通过分层加工、叠加成型以及逐层增加来塑化模拟实体的特性，使其在高精度、高难度以及高度复杂的个体化过程中显示出独特的优越性。在神经外科应用方面，由于中枢神经系统结构的复杂性、功能的抽象性，在临床诊治过程中仅依据二维图像亦或者三维图像往往也难以理解掌握，此时如果能够将三维数据通过3D技术打印出来，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[2]。

血管病是3D打印技术在神经外科临床工作中应用最为广泛的领域之一。利用3D打印技术可以将动脉瘤、血管畸形精确地模拟重建出来，直观反映动脉瘤、血管畸形的动脉、静脉关系以及相对空间位置，为临床医生在术前提供理想的可视化模型，从而进行手术策略的选择、手术过程的模拟和术中操作的训练。

对于颅内动脉瘤血管内介入治疗，3D打印颅内动脉瘤模型可指导术者根据血管走形在术前进行微导管预塑形，从而使手术中微导管能够准确超选入动脉瘤腔，提高微导管到位率，加强栓塞稳定性，增加栓塞致密程度，缩短手术时间，能够高效完成手术，降低病人手术风险。Katsunari N等[3]报道10例动脉瘤患者术前应用3D打印技术将动脉瘤以及载瘤动脉打印出来，对微导管进行预塑形，取得了良好的手术效果，缩短了手术时间。

颅内动静脉畸形（AVM），由于供血动脉、畸形团以及引流静脉等的异常重叠，且时常合并动脉瘤，通过术前血管造影很难精准识别精细结构。3D打印模型可直观观察，并能分析AVM及其与周围组织结构的关系，全面真实地了解畸形团结构，确定最佳的手术方案。陈光忠等[4]应用3D打印AVM模型指导手术方案设计及术前沟通谈话，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结构特征，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。

3D打印技术在神经外科领域中得到广泛应用的另一项研究就是3D打印颅骨成型技术。社会文明程度高度发展，人体缺损后的重建、修复与美容需求越来越高。对于大面积颅骨缺损以及前额、眉弓和颧弓等特殊部位缺损的患者，采用传统方法进行手术修补后极易造成外观不对称，严重影响患者的人际社会交往，而3D打印技术可在修复的同时增加美观。纪玉桂等[5]对23例颅骨纤维结构不良患者利用3D打印技术，根据术前影像数据打印钛板模型，用于病灶切除后的颅骨修补，术中无需再次修剪塑型，具有良好的适配性，手术效果满意。

3 3D打印技术在神经外科颅底手术教学中的应用前景及临床实践

目前来看，3D打印技术在神经外科领域中应用最多的还是疾病模型的打印，主要用于教学和个体化精准治疗，以及打印出精细的颅骨缺损修补组织，用于颅骨的修补。而3D打印技术应用于颅底手术报道较少，林继业等[6]人利用3D打印技术对9例颅底肿瘤手术制作3D实体模型，根据颅底肿瘤的组织来源或侵犯范围，从不同的角度观察3D打印模型，并对其进行切割、测量，指导手术入路及预判术中处理要点，均取得良好效果。王振等[7]人通过3D打印技术对3例脑干肿瘤进行术前模拟手术，优化手术方式、体位等取得良好临床疗效。但3D打印技术存在一定局限性，3D打印是基于颅脑CT、MRI、CTA、及MRV等解剖影像进行融合重建，对于神经传导束、功能区以及神经核团等无法进行重建显示，对于听神经瘤患者面神经受压菲薄移位等情况无法示踪显示，且对于肿瘤周边的细小血管亦无法显示。胶质瘤等浸润性生长的恶性肿瘤，3D打印技术只能提供肿瘤相对脑组织及血管的位置关系，无法显示肿瘤大小及其对脑组织和血管的浸润关系，存在一定局限性。因此3D打印技术需进一步优化影像数据，改良打印材料，尽可能还原实际情况。

而对于颅底手术来说，更多的是涉及手术入路的选择、骨质磨出的范围以及病灶与周边重要血管神经的空间位置关系，利用3D打印可以将平面影像数据转换为立体模型，在此基础上神经外科医师可以进行手术入路设计、模拟手术过程以及临床教学等。在我们的日常教学中，根据患者影像资料，利用3D打印技术高度模拟颅底形态，以尽可能贴近临床的真实环境和更符合伦理关怀的方式开展教学，既保护了患者的利益，符合医学伦理要求，又有效缓解了临床资源不足的困境，拓宽了医学生的技能培训空间。对于低年资及规范化专科神经外科医生来说，颅底模型上反复演练并结合术前影像资料、术中实际情况，逐步认识与掌握相关颅底知识并进而熟能生巧，在实际手术和操作时能够胸有成竹、有的放矢，对提高手术和操作效率、降低风险、保障患者安全具有重要价值，通过近两届学员培训得知通过3D模型临床教学可以提高学员的兴趣、提升学员的感性认识以及实际操作能力。3D打印模型具有重复使用、易于保存，基本还原实际结构等优点，对于神经外科医生的成长及推动专科医师培训有着重要意义。

综上所述，3D打印技术是一项新兴的技术手段，对于复杂的神经外科颅底手术3D打印模型不仅可以指导临床医师术前个体化手术设计，同时将理论知识、二维图像结合3D模型应用于临床教学中，对神经外科医生成长有着重要帮助，使得传统解剖图谱既能“看得见”又能“摸得着”。