3D打印技术在颅颈交界区畸形手术治疗教学中的应用探讨

尹一恒，李 腾，王华伟，乔广宇，余新光

解放军总医院神经外科， 北京 100853

3D打印技术(Three-dimensional printing techno- logy) 是一种以数字模型数据为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印制造物体模型的技术。自20世纪80年代后期就已经存在，但由于成本、计算机工程和应用限制了其早期发展[1]。近年来出现了快速的发展，并在多个领域被广泛应用。在医学领域，人体的复杂解剖结构及其个体差异非常适合使用3D打印[2]。目前，在医学中3D打印主要应用在3个方面：创建用于外科术前计划、实践和教学的模型制备、设计假体和生物组织工程[3]。另外，传统的医学图像一直局限于2D媒体，如教科书和计算机屏幕。3D打印允许医学图像转换成3D结构，这种能力现在被广泛应用于卫生保健专业人员的教育，以取代或补充传统的教育方法。

颅颈交界区(craniovertertebral junction)指围绕枕骨大孔的枕骨、寰椎、枢椎及周围韧带、肌肉、血管、神经等组织共同构成的区域。颅颈交界区畸形是神经外科常见疾病，患病率高。该区域解剖结构复杂、变异多、临床表现复杂，导致传统的图像展示难以让学生在短时间内掌握此类疾病特点[4]。如何提高学生学习积极性、提升对疾病的认识成为亟待解决的问题。因此，解放军总医院神经外科根据部分患者的CTA 数据资料，采用3D打印技术制作1∶1模型进行解剖讲解和模拟手术操作演示，探讨教学中3D 打印技术的应用效果。

1 3D 打印制作实体模型

选取颅颈交界区畸形的患者对其行CTA扫描；然后将影像Dicom数据导入MIMICS 17.0软件进行三维重建。重建范围上至颅底下到第4颈椎椎体平面，同时删去除椎动脉及其分支外的其他血管，再将不同组织进行颜色区分，骨骼结构采用一种颜色表示，椎动脉(图1D箭头)采用另一种颜色表示。将重建好的三维数据STL格式导入到3D system公司的Projet@660全彩色3D打印机中，打印尺寸比例设置为1∶1，不同组织结构以颜色区分，打印层厚设置为0.1 Bin(如图1所示)。

图1 图A、B、C为一颅颈交界区畸形患者颈椎MRI,CT,CTA图像；图D为MIMICS重建CTA图像；图E为术前3D打印模型，图F为术前模拟行螺钉固定图像；图G，H为术后患者CT，MRI。

2 3D 打印技术在颅颈交界区畸形临床病例教学中应用效果评价

2.1 研究对象

随机选取在神经外科进行规范化培训的住院医师30名，分为3D打印互动教学组和传统教学对照组。所有参与者完成知情同意数据采集，在性别、年龄、课程学习等方面差异无统计学意义。

2.2 方法

选取相同的颅颈交界区畸形病例，传统教学组以投影展示多媒体课件为主，按照知识点进行讲解；3D打印互动教学组采用3D 打印制作实体模型做为教具同时结合多媒体课件进行讲解。课后所有参与者进行手术演示参观，进一步加深对颅颈交界区畸形疾病的认识，真正做到从书本学习到临床实践的跨越。

2.3 评价方式

教学阶段结束后对两组学生进行相应临床理论知识考核，内容以教学内容为主。

采用SPSS 17.0软件对数据进行分析，两组学生考试成绩以表示，以P<0.05为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 两组临床理论知识考核

3D打印互动教学组学生理论考核成绩为(84.97±7.86)，传统教学组成绩为(78.96±5.78)，3D打印互动教学组学生理论考核成绩优于传统教学组，两组比较差异具有统计学意义(P<0.05)，结果如表1所示。

表1 两组学生考试成绩

3.2 复杂影像学阅片理解能力提高

通过观察发现，使用3D 打印模型进行对比与讨论，再结合具体的病例进行查体了解患者的体征之后，学生对颅颈交界区畸形患者的影像学资料有了较深的了解，学会了如何阅片，如何判断病情，并通过影像学资料对疾病进行分型，与患者的体征进行对应，极大地提高了学生的阅片以及对颅颈交界区畸形疾病的临床诊断能力。

3.3 复杂手术步骤理解能力提高

由于颅颈交界区解剖结构复杂难懂，且学生过去学习的只是正常的解剖结构，因此对于畸形的颅颈交界区解剖缺乏感性的认识，通过3D 打印实体的具体观察，可以清楚地了解畸形结构的特点。教师还可以结合畸形情况，讲解颅颈交界区畸形发生的病因与原理。在此基础上，再进行手术方法(如置钉)的讲解，包括椎弓根钉的长度、进钉点和角度等。通过实践教学，学生普遍反映教学效果良好，以往难以掌握的颅颈交界区畸形知识点，通过3D 模型辅助教学能很快熟悉相应解剖知识并加以应用，提高了学习效果。

4 讨论

3D打印技术在外科教育和培训中可广泛应用：①3D打印技术应用于复杂手术的模拟。脑和脊髓质地柔软，血供丰富，功能重要，一旦损伤可能导致严重后果。因此，神经外科手术对术者的技术水平要求很高。手术医师要为患者负责，不可能频繁让年轻医师进行危险操作，这限制了年轻医师的成长。通过3D打印模型，可让年轻医师直接在模型上操作练习关键手术技能，亲身感受主刀的视野，获得在传统手术教学中无法获得的宝贵经验，缩短训练时间，尽早掌握相关手术技巧。②3D打印技术应用于复杂病变模型建立。通过CTA建立的模型允许利用计算机软件在三维空间任意旋转，从不同角度观察颅内动脉瘤大小、与周围血管神经的关系、瘤颈的直径及与动脉瘤的位置关系，具有更直观的效果，能把动脉瘤的属性更真实地展现出来(图2A)。进一步将三维图像打印出来，还可为动脉瘤栓塞、夹闭等高难度手术设计提供正确合理的指导。对颅颈交界区畸形采用3D打印技术建立了针对不同病例的个性化模型，在模型上进行模拟手术，获得符合不同患者的置钉内固定资料，辅助真实手术，可提高置钉成功率及手术安全性，更好地保护椎动脉及脊神经，也能提高评估置钉成功与否的准确性(图2B)。目前已能利用3D打印技术重建需要修补部位的颅骨模型(图2C)，用可植入材料通过打印机打印出来，直接移植到患者身上，对缺损部位进行永久性替代[5-6]。

图2 图A为3 D 打印脑血管模型；图B为3 D 打印颅颈交界区畸形模型；图C为3 D 打印颅骨成型模型

4.1 3D 打印在神经外科教学领域的优势

3D打印在神经外科教学领域优势十分明显，与传统的模式相比较3D打印模型具有以下特点：①可使学生更加直观地理解病变及供血动脉、引流静脉等解剖部位，更明确地反映其三维空间关系及与周围的比邻关系；②3D打印实体模型可以提供多视角观察的三维结构，实体感强，并可反复进行模型模拟外科操作；③3D打印可以根据学习的要求，制造出等比例大小、特定剖面的模型，从而满足上课需要；④通过3D打印模型的演示缩短了学习过程，激发了学生的积极性，提高了学习效率，可使学生参与实际手术的设计，能够提高其对相应解剖知识的理解。另外，在传统医学教育领域因为尸检病理解剖数量的减少，尸体标本的缺乏，一定程度上制约了医学实践教学的发展，影响了教学效果，但是随着3D打印机的成熟与普及这一问题迎刃而解。3D打印技术可以快速打印出高精度、等比、无差异化的医学形态学标本。另外，由于人类的个体差异，生存环境的变化，每种病例会存在很多亚型。3D打印技术还可以结合不同的影像结果制作出个体化标本，满足了教学需求。因此，3D打印技术毫无疑问提高了学习效率及学习容量，同时为临床医师更好地理解、运用医学知识，服务于患者提供了一个非常重要的学习和研究平台[7]。

4.2 3D打印在医学教育中应用的局限性

3D打印也有其不足之处，受技术发展的限制，3D打印模型成本仍然较高，不能做为基本教具广泛应用到医学教学当中[8]。目前，国内使用此技术较多的局限在科研领域，这就要求国内3D打印的相关技术人员加速研发具有自主知识产权的设备，以降低打印和材料成本。

将3D打印引入颅颈交界区畸形治疗的教学中，不仅弥补了传统教学的一些不足之处，而且有效地提高了学生学习复杂神经外科疾病的兴趣，激发了学习的积极性和主动性，值得推广应用。