三维打印技术在颅内动脉瘤诊疗中的应用进展

阿吉木·库尔班 陈光忠

颅内动脉瘤的人群发病率为5%～8%[1]。颅内动脉瘤破裂是自发性蛛网膜下腔出血常见原因，可使致残、致死率增加[2]。因此，早期诊治是改善颅内动脉瘤预后的关键。目前，颅内动脉瘤的治疗主要有开颅夹闭手术及血管内介入栓塞。由于动脉瘤形态多变、血管结构复杂，在处理复杂动脉瘤时，开颅夹闭手术仍面临巨大挑战。因颅内血管迂曲，在血管内介入栓塞时易致微导管超选困难或不稳定，使介入治疗难度增大，且易出现并发症。采用三维打印技术能够复制动脉瘤及其相关血管的三维模型，帮助术前优化开颅夹闭手术和血管内介入栓塞的治疗方案，并可进行术中指导，提高治疗效果，降低并发症发生率。笔者现将三维打印技术在颅内动脉瘤诊疗中的应用进展进行如下综述。

1 概述

三维打印技术是以数字化模型为基础，通过打印前处理软件控制，并分层加工、叠加成型，将连续的薄型层面进行堆叠，直至形成实物[3]。应用较为广泛的三维打印技术有立体光固化成型、选择性激光烧结、熔融沉积成型、三维喷印和真空注型等。

三维打印过程最关键的步骤是获取影像数据，主要获取影像学检查获得的颅内血管形态和结构信息。目前，常用的脑血管影像学检查方法有CT血管成像、MR血管成像及DSA等，其结果均可作为三维打印的数字建模原型。将获取的影像数据导入三维图像生成及处理软件，重组为三维虚拟图像，通过三维打印机打印出整个立体模型，然后进行后期处理，如人工打磨、光固化处理、清水冲洗等，从而获得最终的模型[4]。

2 在颅内动脉瘤开颅夹闭手术中的应用

开颅夹闭手术可有效夹闭动脉瘤，并保持载瘤动脉的通畅性，是颅内动脉瘤血管内治疗的手段，但降低死亡率、减少并发症一直是神经外科医师治疗的目标。三维打印动脉瘤模型作为虚拟现实技术的一种补充，便于神经外科医师于术前明确动脉瘤的瘤体朝向，有助于选择合适的动脉瘤夹，制定合适的夹闭策略。对于复杂颅内动脉瘤，术前通过三维模型模拟夹闭，可指导选择最佳的组合夹闭方案，从而减少术中临时阻断时间。

D′Urso等[5]首先应用立体光刻的快速成型技术制作了脑血管模型，紫外激光束在液态的光敏树脂表面进行扫描，使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化。Kimura等[6]利用立体光刻技术制作软材料的空心动脉瘤模型，产生固化的血管和动脉瘤模型。与固体塑料动脉瘤模型的不同之处在于，柔软的弹性硅胶空心动脉瘤模型能够于术前评估安全有效夹闭瘤颈且不闭塞载瘤动脉的范围，尤其适用于颅内复杂大型或宽颈动脉瘤。Wurm等[7]对立体光固化成型和三维喷印打印技术用于三维动脉瘤模型制作的优缺点进行了对比研究，结果表明，三维喷印可同时打印多种不同材质的组件，空心的外层血管模型允许用于评估夹闭位置和效果。Kimura等[6]和Wurm等[7]制作的动脉瘤模型有利于术者设计手术方案，但制作耗时长且费用高，前一项研究制作1个动脉瘤模型的耗时为3～7 d，花费2 000欧元；后一项研究约需10 d，耗费250美元。Mashiko等[8-9]应用丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物材料制作三维打印动脉瘤模型，硅胶涂层硬化后，二甲苯熔化去除丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，残留外层的空心弹性模型。此模型制作耗时短、成本低，有助于术者理解动脉瘤的三维结构，并可进行常规术前模拟手术。Anderson等[10]通过熔融沉积成型方法快速制作了精确的三维打印动脉瘤模型，并用于MRI血流模型的血流动力学研究。Benet等[11]将体外三维打印技术制作的颅内动脉瘤模型移植至尸头标本，评估其在神经外科研究、复杂病例计划以及手术训练中的应用价值，进一步提高了动脉瘤夹闭手术环境的真实感，便于让训练者通过观察动脉瘤颈及其与动脉瘤分支之间的密切联系，较好地模拟动脉瘤夹闭的相关手术操作，且瘤体与周围结构之间的关系有助于更好地理解动脉瘤的局部占位效应。Lan等[12]采用喷墨式三维打印技术，对动脉瘤与周围结构组织实现了完整的体外模型重建。空心动脉瘤模型可于术前模拟动脉瘤夹闭，颅脑模型可清晰显示动脉瘤与周围结构的空间关系，利于选择最佳手术入路，评估前床突磨除的必要性，以及明确对侧入路的可行性。Wang等[13]比较了两种三维打印模型在复杂颅内动脉瘤模拟手术中的应用，其中一种为整体模型，包括动脉瘤、相邻血管、颅底及神经；另一种为局部模型，包括动脉瘤及载瘤动脉。该研究结果表明，整体三维模型有助于理解手术视野，而局部模型模拟夹闭更具真实感。

3 在颅内动脉瘤介入栓塞中的应用

利用三维打印技术制作动脉瘤复合体模型，通过分析动脉瘤与载瘤动脉瘤成角、空间位置的关系，模拟微导管在血管内的走行，设计并辅助更适宜栓塞的微导管形态模型，从而提高手术的成功率，减少并发症。

Kono等[14]对1例前交通动脉宽颈动脉瘤患者采用快速成型技术制作三维空心动脉瘤模型，依据术前模拟结果，采用球囊辅助栓塞动脉瘤，取得了满意疗效。术前模拟与术中唯一不同的是，超选微导丝或微导管时，空心动脉瘤模型的血管形态未发生改变。Namba等[15]应用丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物材料制作三维打印的空心弹性动脉瘤模型。该研究根据微导管走行于载瘤动脉和动脉瘤长轴的曲线，设计了微导管塑形，结果显示，术前微导管塑形完全匹配载瘤动脉和动脉瘤解剖，超选动脉瘤时，10例患者中仅3例需微导丝导引，微导管均精确位于动脉瘤长轴。因此，三维打印动脉瘤模型可以在术前选择合适的微导管塑形，从而减少手术难度和操作风险。Tsang等[16]采用立体光刻技术制作分叉部和侧壁型动脉瘤模型，对动脉瘤实施血流导向装置置入术，并模拟计算流体力学，结果显示，血流导向装置置入后分叉部和侧壁型动脉瘤血流明显下降，分叉部动脉瘤的平均血流速度降低90%，而侧壁型动脉瘤降低85%。计算流体力学也可联合超声应用于血流导向支架治疗颅内动脉瘤的研究。Ishibashi等[17]采用丙烯酸树脂制作三维打印血管模型，术前设计微导管走行和塑形。结果显示，27例颅内动脉瘤共使用48根微导管，仅9根(19%)因为微导管位置不佳需改变最初塑形，仅29%(14根)的微导管因踢管需再次超选。术中未发生手术相关并发症，包括动脉瘤破裂等。该研究结果表明，个体化塑形微导管有利于提高颅内动脉瘤栓塞的安全性和可操作性。

4 局限性

三维打印技术尚不能真实显示动脉内血栓、动脉瘤壁厚度、瘤壁钙化甚至血泡样结构等[8，18]，但动脉瘤开颅夹闭手术需了解瘤壁厚度、管壁钙化以及瘤内血栓情况。受图像分辨率的限制，直径细小的穿支动脉常难以重建，且动脉瘤三维模型很难模拟术中动脉瘤破裂。

总之，目前三维打印技术在颅内动脉瘤治疗中发挥重要作用，利用三维打印模型制定适宜的手术方案，可提高手术疗效和降低并发症发生率。未来，动脉瘤模型制作工艺将更加趋于精细化，使其在颅内动脉瘤治疗中更好地发挥应用价值。