3D打印在神经外科应用的新进展

刘镇楠 李文政 王东 岳树源

3D打印自20世纪90年代出现后便很快应用于各行各业，3D打印的核心原理为“分层制造，逐层叠加”，打印原理包括立体光固化成型法、熔融沉积造型（fused deposition modeling，FDM）、分层实体制造、三维粉末粘接、选择性激光烧秸工艺等[1]。目前已广泛应用于军事、航天、汽车、建筑、医药等领域。当然，在神经外科，3D打印也是大有用武之地，脑是人体最复杂的器官，颅脑手术也是人体难度相对较高，较复杂的手术，近年来3D打印在医学领域的应用一定意义上带动了神经外科发展，同仁们进行了许多探索。本文就近年来3D打印在神经外科领域的新进展与突破作一综述。

一、3D打印与颅骨修补及畸形修复

颅脑外伤术后或某些择期术后通常会遗留颅骨缺陷问题。以往用于修补的颅骨材料常运用三维数字化成型技术合成，技术已相对成熟，但其产品不能完全契合临床，术中往往需要术者进行微整塑形。随着3D打印技术的兴起，由于其能精确精美地制作出匹配患者颅骨缺损的植入体，减少手术时间，缩短患者住院时间，近年的临床应用也越来越多。Park等[2]于2013年至2015年为21例患者利用3D打印制作颅骨修复假体，效果良好。Abdel等[3]以聚甲基丙烯酸甲酯为原材料为3例患者（神经胶质瘤术后左前额颅骨缺陷患者1例，创伤性颅脑损伤后并发硬脑膜瘘和双侧脓肿患者1例，聚醚醚酮颅骨修复1年后感染的骨质缺损面积巨大患者1例）打印假体后进行颅骨修补，术程顺利，效果满意。小儿由于其进行性头围扩大等特点，为减少甚至避免再次手术，其制作工艺及可延展材料的选择一度引起热议。Maduri等[4]为1例3岁患儿行颅骨修补术，联合导航与3D打印制作自体皮瓣吸收型羟基磷灰石多孔陶瓷瓣，证实了这样可改善颅骨成形精度。某些择期手术后或者某些肿瘤累及颅底相关骨质后，有出现脑脊液鼻漏或者耳漏等情况的可能。Ahmed等[5]利用3D打印颞骨模型经中颅窝入路修复颅底缺损和自发脑脊液漏（Tegmen缺陷），效果良好，无术后并发症。巨大泌乳素腺瘤在经药物治疗后有出现脑脊液漏的可能，在多次修补不完全及脑室-腹腔分流术后无效时，1∶1模型可以提示临床医师脑脊液渗漏部位所在，增加其对解剖的理解，辅助颅底修补，增加手术成功率[6]。对于先天颅骨畸形的患者，近年来相关的应用也并不少见。Coelho等[7]结合3D打印技术为1例先天性额筛骨脑膜脑膨出患者进行个性化修复，效果满意。

Chiari畸形，又称Arnold-Chiari综合征，指小脑下部或同时有脑干下部和第四脑室之畸形，向下作舌形凸出，并越过枕骨大孔嵌入椎管内。临床医师制作聚酰胺-颅缝早闭3D打印模型，术前可增加对解剖的理解并模拟手术，辅助制定手术计划。术者综合考虑假关节的存在、关节的倾斜度、不同椎弓根的大小及椎动脉走向等因素进行3D模型制作，具有高保真度，增加了解剖理解，保证了手术效果[8]。

二、3D打印与脑血管病

（一）颅内动脉瘤

颅内动脉瘤破裂属神经外科急重症，需要入院后尽快干预，争分夺秒。近年来，有关3D打印在颅内动脉瘤领域的应用逐渐增多。颅内动脉瘤手术风险极高，年轻医师动手机会极少，程序性手术训练和尸体解剖训练成本高昂，且含特定病变的尸体源数量有限，而运用3D打印机可打印出分支最小直径为1 mm的血管，血管模型的最小壁厚度可达0.45 mm[9]。Konno等[10]运用小型3D打印机，结合快速切割技术运用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂完成了16例小型动脉瘤打印，其中制作模型平均耗时67 min，加上手术时间平均耗时247 min，而其成本也减少至194日元，在保证时间及成本的基础上更快更好地指导手术，完成了动脉瘤的治疗。对于基底动脉尖端动脉瘤，Kaneko等[11]以聚二甲基硅氧为材料运用3D打印技术为患者制作DSA模型，考虑到复杂血液流动产生的压力对瘤体稳定性的影响，因此进行体外模拟，由此说明其可作为一种新的方法来研究复杂动脉瘤生长或者破裂的情况，在一定程度上指导临床治疗。目前医学界制作的动脉瘤模型多为实心硬质，跟真实动脉差异较大，并不能很好的模拟手术介入或夹闭等。Abla和Lawton[12]研究3D打印空心颅内动脉瘤模型，实体动脉瘤模型一般可2 h内制作完成，而空心动脉瘤则需14～24 h。动脉瘤手术模拟不仅会增加一个神经外科医师的技术技能，也会通过避免手术错误和改进手术来保证患者安全。

（二）颅内动静脉畸形

颅内动静脉畸形（arteriovenous malformations，AVMs）又称脑血管瘤、血管性错构瘤及脑动静脉瘘，无论是出于增加年轻医师解剖理解，辅助制定手术计划，还是与家属的沟通，同仁们付出许多努力。墨西拿大学医师运用三维旋转血管造影技术结合3D打印技术加深对AVMs解剖的理解，测量并计算模型的目标血容量，从而评估手术可能性，并将模型应用于AVMs的介入治疗中[13]。国内有研究应用3D打印技术，比较了CT薄扫增强与3D-DSA数据源在颅内动静脉畸形数据重组的效果[14-15]。基于256层螺旋CT薄层增强扫描数据的3D打印可获取颅骨及血管的图像信号，能显示最小直径为0.9 mm的血管，但AVM内部的细支结构难于分辨；基于3DDSA数据的3D打印，无颅骨数据信息，但血管分支情况显示更丰富，可显示最细直径为0.5 mm的血管，而上述二者均有助于术前治疗方案的设计及相应辅助工具的开发。同时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，辅助手术治疗方案的制定，同时可提高与AVM患者及家属的谈话效率和满意度。但是，目前对于病变供血动脉与引流静脉的区分建模方面仍有一定的难度，仍需后期人工加工，并带有一定的主观性，这是今后急需解决的问题。

三、3D打印与颅底外科

颅底解剖结构复杂，位置深在，但当发生颅内占位时，常因肿物的推挤作用使上述正常的解剖结构发生变化。堪萨斯大学医学中心神经外科学者运用3D打印技术辅助确定岩斜区脑膜瘤患者的手术入路[16]。相对于3D术前模型，术前成像所能明确的肿瘤周围的毗邻关系是相对局限的，证实了三维建模对于接近岩壁肿瘤并确定个体化手术入路是有利的。日本神经外科医师率先采用网格结构快速原模型技术制备颅底肿瘤模型（包括网格结构快速原型模型），由不透明材料组成网状颅底肿瘤，相关可视化区域比普通模型更深，肿瘤、颈内动脉、基底动脉和脑干在模型中的位置关系更为明显[17]。这种方法可能适用于各种基于3D打印的手术模拟。在颅底疾病中，医生可根据患者术前3D打印模型评估手术难度和风险，选择最佳手术入路，预判术中重要神经血管位置，减少盲目探查所造成的颅脑损伤，提高手术的精准性，真正地实现个体化治疗。随着近年多模态融合3D打印技术的发展，如能更直观、全面的显示病变信息，且能在模型上模拟开颅及切除肿瘤的过程，可有助于评估手术难度和风险，从而使得术前讨论与制定手术方案更有针对性。中南大学湘雅医院利用自主研发的E-3D数字化医疗三维系统，结合3D打印技术，将1例患者复杂的颅底肿瘤及周围组织等比例打印，在术前通过全仿真模型，对手术进行入路设计，最终精准的将肿瘤全部切除，患者术后恢复良好[18]。南方医科大学珠江医院神经外科应用3D打印技术辅助颅底外科手术9例，其中脑膜瘤6例，神经鞘瘤1例，表皮样囊肿1例，多发动脉瘤1例，采用FDM技术进行打印，根据对三维重建的颅底疾病模型的观察及模拟手术操作，优化手术策略，术后患者均恢复良好，未发生严重并发症及死亡病例[19]。

四、3D打印与脊柱神经外科

3D打印技术的兴起及在脊柱外科方面的应用，让错综复杂的二维关系变为可触及的实物，这无疑是一种历史性跨越。国际和国内脊柱学界纷纷采用此项技术，造福患者。Choy等[20]最近为1例14岁女性T9疾患的患者打印钛合金假体，使用假体重建第九胸椎，切口迅速愈合达到了解剖学复原并恢复生理功能，预后良好。Liew等[21]利用50 h为2例脊柱疾患的患者分别制作3D模型，将制作成本大约150英镑，并运用此模型作教学用，对12名住院医师进行解剖及手术教学，并用于术前谈话。这在一定程度上增加了年轻医师及患者家属对手术的理解，减少了盲目及不必要的纠纷。Mobbs等[22]为2例复杂脊柱病变患者（1例为C1/C2脊索瘤术后行脊椎修复重建，1例为先天性脊柱畸形的修复）制定了3D手术计划及个性化植入物设计，其中经放射学随访显示分别在9个月和12个月时成功融合。此外，3D打印还应用于钉道导板辅助椎弓根精确置打和截骨导板辅助截骨减压范围的精确划定[23]。目前我国神经外科的脊柱外科工作正处于重要的发展阶段，规范、稳妥、谨慎地开展工作值得提倡。与X-ray、CT、MRI等医学影像学资料相比，3D打印实体脊柱模型可以提供更加详细、直观、立体的解剖学信息。医师可以通过3D打印模型更加直观地观察分析脊柱解剖结构，从而极大地提高了临床医师对复杂脊柱疾病空间解剖结构的理解，进而做出更加精确的疾病诊断，并且可以帮助学生更好得理解脊柱外科相关疾病的解剖结构及发病机制，帮助患者及家属了解所患疾病[24]。

五、3D打印与神经外科教学

低年资神经外科医师几乎没有神经外科经验，参加神经外科手术机会少。神经外科疾病较为复杂，多数疾病位于头颅及脊柱结构内，临床及影像学表现复杂多样，在短时间内不能建立三维立体结构化的认识，深入学习时难度增大，甚至不能将影像与病变部位相结合去认识疾病，所以对授课医师和学员是很大的挑战。传统的授课模式无法确实解决规培医师及低年研究生在神经外科学习中面临的空间三维意识欠缺、影像学认识混乱，影像学表现与术中表现不能统一等实际问题[25]。利用3D打印技术结合临床对神经外科医师进行教学，提高神经外科医师学习兴趣，培养神经外科医师空见思维能力，使其快速掌握常规手术入路。国外有学者运用3D打印硬脑膜静脉窦、翼腭窝等来增加住院医师对解剖的理解，从而增长临床经验[26-27]。Weinstock等[28]运用3D打印建立一个基底动脉，脑室，和脑脊液兼具的新型微创神经外科模拟器——小儿脑积水颅脑模型，住院医师于其上进行手术训练，可以使年轻医师增长宝贵的手术技巧及经验。3D打印在模拟手术训练方面有很大的潜力，但在手术训练所取得效益大小仍有待考证，因此3D技术及评估工具势在必行。

六、应用展望与思考

3D打印技术带来的变化或许将改变整个医疗行业面貌，其在未来还有多种应用可能，如运用3D打印机打印颅骨细胞外基质结合聚己内酯支架刺激颅骨再生，用于颅面再生，以及采用3D打印技术来制作细胞化的生物导管，辅助周围乃至中枢神经再生[29-30]。这些都让某些因病偏瘫甚至畸形的患者看到重生的希望。通过3D打印创建病理实体模型并应用于神经外科术前计划，可以节省手术时间，提高手术效果，还可应用于手术技能培训，并有望将打印成本控制在手术总费用的20%以内[31-32]。但此项技术仍处于研究发展阶段的初级阶段，仍有许多问题亟待解决：（1）时间及经济成本高；（2）缺乏病变周围详细信息及不能打印血管内部具体情况；（3）打印材料多局限于化学聚合物材料，缺乏理想的打印材料；（4）专业人才的缺乏等。从长远来看，3D打印想要在神经外科领域进一步发展，需要多领域的合作及长远规划。基于此，笔者建议：（1）临床医生与3D打印专业人员的交流合作，根据临床需要，设计和打印出能辅助临床工作的产品，并逐步形成基础研究-临床前研究-临床研究的发展模型；（2）注重兼备医学知识及3D打印技术的复合型人才培养；（3）国家和政府也应该增加相关方面的研究力度及医疗投入，鼓励3D打印产品开发与研究。经过各方面共同努力才能实现真正的医疗进步、医学大变革。