3D打印技术在神经外科中的应用研究进展

李 贺，孙建军，乐利明，孙启皓，梁松林，荔志云

(1.中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院神经外科，甘肃 兰州 730050；2.宁夏医科大学研究生院，宁夏 银川 750004)

3D打印技术是一种快速发展的技术[1]，该技术基于三维模型数据，通过逐层增加材料，逆向制造出三维物理实体模型[2]。在过去几年内，医学成像和生物工程领域取得了巨大进步，并共同催生了3D打印技术[3]。3D打印具有产品生产周期短、产品设计个性化、精度高等优点[4]。随着社会的发展，人们对精准化、个体化治疗的需求不断提高，3D打印技术逐渐被应用于神经外科领域，已成为神经外科发展的重要工具之一[5]。由于神经系统解剖复杂且神经外科手术难度大，很有必要根据患者的具体情况选择合适的手术方案，因此，进行个体化和精准的术前规划和模拟是神经外科发展过程中的重要环节，因此把3D打印技术和神经外科结合十分必要。虽然3D打印技术在神经外科的某些领域还处于起步阶段，但随着不断进步，其可能为医疗行业带来革命性的变化[6]。本文对3D打印技术在神经外科相关疾病中的临床应用研究进展进行综述，以期为3D打印技术在神经外科领域中的进一步应用和研究提供依据。

1 3D打印技术在颅脑外伤去骨瓣减压术后颅骨修补中的应用

创伤性颅脑外伤患者由于颅内血肿、脑挫裂伤、弥漫性颅内肿胀，导致其颅内压升高，因此，往往需要行去骨瓣减压术来减轻颅内压升高和脑水肿[7]；当患者生命体征平稳且脑水肿减退后3～6个月需行颅骨修补术[8]。现在临床中常用的颅骨修补材料为钛网，传统的钛网需要术中人工塑型，随着3D打印技术在医学领域的不断应用，应用3D技术可以将患者的影像学数据用影像后处理软件转换成立体的三维图像，然后根据重建的三维图像应用3D打印技术定制与颅骨贴合紧密的钛网[9]。3D塑型钛网具有较高的可塑性且无腐蚀性，3D打印钛网修补颅骨可以改善美观和降低感染率[10]。现在，应用3D打印钛网已成为成人颅骨修补的主要方法之一，3D打印的颅骨修补钛网可为患者颅脑提供更加可靠的保护。

2 3D打印技术在颅内复杂肿瘤治疗中的应用

因为颅脑结构精细且复杂，颅内深部肿瘤组织常与周围的血管和神经连接紧密，所以颅内深部肿瘤切除极其复杂，需要精湛的颅脑解剖知识[11]。研究报道，应用三维重建模型和神经导航系统结合治疗复杂的颅内肿瘤是可行的[12]。三维模型中解剖部位之间的估计距离误差明显小于三维图像[13]。国内一项临床研究将25例颅内复杂肿瘤患者的影像学资料进行三维重建，重建出肿瘤周围血管和神经，并使用3D技术打印出来后行术前规划和模拟手术；患者在显微内镜术后复查核磁共振成像显示，21例患者肿瘤全部切除，4例患者因涉及重要功能区行肿瘤次全切，证明使用3D打印模拟手术明显提高了肿瘤切除率[14]。有研究报道，颅底肿瘤和附近颅神经的3D打印模型可模拟手术过程，便于术前设计，并有助于防止颅神经损伤[15]。行鼻内镜下垂体大腺瘤切除术时，术前使用3D打印技术打印肿瘤与周围组织的结构，尤其显露蝶窦的复杂解剖结构和肿瘤位置，有助于减轻手术对周围神经和血管的损伤[14,16]。在3D打印前应用三维重建颅脑肿瘤和解剖模型技术，能够清楚显示肿瘤与颅内血管、锥体束及功能区之间的空间关系，在3D打印后行术前规划和模拟手术，将有助于了解颅脑结构的功能解剖，选择最佳手术入路，避免对脑功能的损害。越来越多的证据表明，3D打印技术能够为神经外科医生提供可以直接有效观察和操作的立体颅骨模型，进一步提高神经外科手术的准确性[17]。有研究报道，3D打印模型在手术方式和开颅设计方面的手术规划中具有显著优势，尤其对于年轻的神经外科医生而言，这种益处更为明显[18]。总之，颅内复杂肿瘤切除时应用3D打印技术能明显优化手术方案和减轻对神经和血管的损伤，肿瘤切除率明显提高。

3 3D打印技术在颅内血管疾病治疗中的应用

近年来，影像后处理技术发展迅速且技术日趋成熟，颅脑影像学资料呈现多平面成像的可用性，但了解复杂脑血管疾病的相关三维解剖结构仍很困难。现有研究中关于颅内血管疾病与3D打印结合的报道主要是针对颅内动脉瘤和高血压脑出血。颅内动脉瘤和高血压脑出血手术时有较高的致死率和致残率[19-20]，而3D打印模型可以从各个角度即时显示血肿及复杂的血管病变解剖结构，并结合触觉反馈系统模拟手术，有效缩短手术时间[21]，最大程度优化手术方案，减少患者致死率和致残率。

颅内动脉瘤的常规手术包括介入手术和动脉瘤夹闭术，但颅底动脉血管分支多，加上有变异的血管存在，复杂大脑动脉瘤的手术治疗对神经外科医生来说仍是一个艰巨的挑战。脑动脉瘤手术的重点在于明确动脉瘤瘤颈与载瘤动脉的关系及其与周围血管和组织的解剖关系，因此，3D打印出大脑动脉瘤及其周围组织模型对术前模拟很有必要。陈俊等[22]对行夹闭术治疗的45例颅内动脉瘤患者基于颅脑CT血管造影(computed tomographic angiography，CTA)数据构建颅内动脉瘤 3D 打印模型，结果显示，3D 打印技术和颅脑 CTA 测得的脑动脉瘤体长度、宽度以及厚度无明显差异，借助3D打印模型的指导，45例动脉瘤均完全夹闭。阿吉木·库尔班等[23]研究报道，采用三维打印模型进行多角度观察，可以更加直接明了地观察动脉瘤瘤颈与动脉瘤的关系，并精准评估脑实质、颅骨解剖与动脉瘤之间的关系，从而减少术中误伤血管的风险，缩短手术时间。

高血压脑出血外科治疗有传统开颅术、颅内穿刺血肿抽吸术、小骨窗开颅术、神经内镜颅内血肿清除术；由于上述手术时间相对较长，且术中出血量大，可引起脑组织损伤及脑水肿加重，因此，合并基础疾病的耐受性较差的老年患者更适合个体化导板定位微创穿刺引流术[24]。个体化导板定位微创穿刺引流术是在立体定向钻孔穿刺引流术基础上，将影像后处理技术和3D打印技术结合，应用于高血压脑出血的精确血肿抽吸治疗中，配合血肿内尿激酶的注射可明显促进血肿的液化且有利于液化血肿的排除；个体化导板定位微创穿刺术与小骨窗开颅术相比具有创伤小、出血少、并发症少、术后恢复快等优点，能促进患者血肿的排除并利于患者神经功能的恢复，可提高患者生活能力，有效改善患者预后[20,25]。

4 3D打印技术在功能神经外科治疗中的应用

在功能神经外科，三叉神经痛和面肌痉挛是常见的疾病，排除继发因素，其最常见的原因为颅内血管压迫神经根[26]。对于三叉神经痛和面肌痉挛临床治疗中首先用药物治疗，当出现药物耐药时，往往选择手术干预[27]。微血管减压术(microvascular decompression，MVD)是治疗面肌痉挛和三叉神经痛的有效手段[28]，然而，颅内血管复杂且有一定的变异性，需要多模态影像重建。有研究报道，术前进行多模态影像重建后，术后临床缓解率可明显提高[29]；多模态影像融合和3D打印技术结合可明确血管和神经根的空间关系，从而提高责任血管的检出率并明确诊断[30]。PANESAR等[31]将三叉神经痛患者的影像学资料进行影像学处理后，用3D打印技术成功制作了真实大小的3D 打印模型，描绘出了与患者相关的骨骼、责任血管与神经根及周围脑组织的关系。因此，3D打印技术可作为一种描述颅底和神经血管解剖关系的可视化辅助工具，为临床医生的术前评估、术中规划、术后判断给予一定指导。

5 3D打印技术在脊柱脊髓疾病治疗中的应用

在脊柱脊髓疾病的治疗中，3D打印模型除用来指导治疗方案、模拟手术入路及方式、获得个性化的3D打印脊柱植入物外，还可应用于患者术前谈话及术后评估疗效等[32]。在复杂的脊柱脊髓肿瘤疾病中应用3D打印技术重建复杂肿瘤与周围神经血管的关系，模拟手术更加具有立体感，能减轻患者周围神经血管的损伤[33]。应用3D仿生脊髓支架促进脊髓损伤患者神经功能恢复仍处于临床前研究阶段。3D打印技术应用于患者的脊柱解剖模型和术中引导模板，可提供个性化的手术计划和提高椎弓根螺钉放置的准确性；然而，关于个性化3D技术打印脊柱植入物在椎间融合、椎体置换中应用的报道较少[34]。脊髓损伤是中枢神经系统的一种疾病，由于中枢神经系统结构破坏，其临床治疗效果往往不满意[35]，最常用的治疗方法是使用激素冲击疗法减少继发性脊髓损伤[36]。在动物实验中，3D打印技术在脊髓损伤中的应用展现出了良好的价值，KOFFLER等[34]根据啮齿类动物损伤脊髓的程度，用微型连续投影方法打印出3D仿生脊髓支架，能够在啮齿动物体内支持轴突再生并在脊髓完全损伤部位形成新的神经中继能力；此外，纳米技术和组织工程的研究进展也为修复中枢神经系统疾病提供了有效的策略，而神经组织工程的重点是将3D打印仿生支架与细胞连接起来，以修复和恢复神经组织功能[35]。

6 3D打印技术的展望与不足

3D打印技术在神经外科中的应用越来越广泛，涉及神经外科的各个亚专业，包括颅脑外伤术后颅骨修补、神经外科功能性疾病、神经外科血管性疾病、神经外科肿瘤性疾病、脊柱脊髓疾病等。目前研究证实，将神经外科和3D打印技术紧密结合起来，不仅可以为患者提供更好的服务，还有利于神经外科医生的成长；但是，目前3D打印在神经外科中真正应用于临床的仅有颅骨修补和个体化导板的定制以及疾病模型的打印以模拟手术和术前规划[37]。掌握3D打印不仅需要学习影像后处理技术，还要熟悉3D打印机的操作；且建模后进行3D打印时间较长，无法应用于急诊手术，无法打印多种材料的多种结构；当造影剂含量少时，细小分支的血管不能充分显影，导致重建困难[38]。因此，3D打印技术在神经外科中的应用仍有广阔的空间需要进一步去探索。相信随着科学技术的不断进步其不足之处会得到逐渐改善。