3D打印技术在现代神经外科中的应用

来源：立体定向和功能性神经外科杂志
作者：安徽医科大学附属省立医院神经外科（钱升，丁宛海，牛朝诗），中国科学技术大学工程科学院（申书伟，许晓嵘）

3D打印（Three-dimensional printing）技术是一种计算机工程与材料工程相结合的新型增材制造技术。该技术无需原胚和模具，以目标物的三维数据模型为基础，通过计算机处理并转化成特定的程序，由3D打印机逐层打印成产品。自从20世90年代开始进入医药卫生领域，该技术已在牙科、耳鼻喉科、心血管外科、整形外科和神经外科等学科广泛应用。1999年，神经外科的医师开始运用这一新兴技术制造患者个体化的颅骨结构、脑血管及颅内病灶来帮助进行术前规划、手术模拟、科学研究等工作。

1.3D打印技术概述
1.1 3D打印技术的生产流程
3D打印技术是一种快速成型技术，一般要历经数据采集→建模→编程→选材→打印五个步骤。
（1）数据采集　
依靠医学数字技术获取患者可疑病变器官的二维数据，目前常采用电子3D 打印技术在医学领域已有数十年的发展历史，并得到一定程度的应用。3D打印技术不成熟、管理标准不统一等诸多问题仍限制其在医学领域的发展。该文就3D打印技术在医疗卫生领域的发展、现状及问题进行分析，阐述其在医学技术领域应用的作用及意义。在监管到位、标准统一、管理规范的情况下，该技术将对医疗卫生的发展产生重大意义，能够更好地服务于患者。

计算机断层扫描（Computer tomography, CT） and magnetic resonance imaging，MRI）技术分别取目标器官冠状位、矢状位、横断位的二维影像作为三维模型重建的原始资料。

（2）建模　
将不同角度的影像数据导入计算机，由算法整合成三维数字化模型，依据此模型构建出机器需要打印的虚拟模具，再将该模具投影回二维平面中与原始数据比对，在误差范围内者才最终作为初代模具。在三维重建的过程中，可以利用线框建模、表面建模、实体建模、特征建模等方法实现建模的还原度和精确度。

（3）编程　
计算机建模后，再将模型转化成STL格式进行储存。STL格式能够以一系列小的三维三角形近似表达数字模型，而且能够将三维模型切割成多个二维薄片，记录每个二维薄片的平面数据作为打印机工作的指令，分割的二维薄片越薄，打印出的产品尺寸就越接近原始数据。

（4）选材　
安全性是贯穿整个工艺的第一原则。而材料选取是决定产品质量的直接因素。人体不同组织密度不同、硬度不同、透明度不同，各种材料搭配使用才可能还原人体的真实解剖结构。在加工制造时，温度是不可或缺的因素，因此对材料的耐热性也有严格的要求。有些复杂的系统往往难以直接打印生产，需要分步打印组件再装配，组装用的连接结构同样是决定成品应用价值的关键。

（5）打印　
3D打印是一个逐层堆积的制造过程，选取合适的材料后，打印机的喷射装置在x－y平面上移动喷出材料，当一个层面完成后，继续喷一层可去除的材料例如胶水作为支撑结构，再进行下一个平面的工作，如此反复直至产品成型。初胚的支撑材料在后期加工中可经特殊工艺去除，为了达到使用标准，还需经过打磨、抛光、上色、修整等处理才能得到最终产品。

1.2 三维打印机和三维打印技术　
目前有多种三维打印机和不同的3D打印技术投入临床使用，各有特点和不足。在头颈外科常用的技术有熔丝沉积技术（Fused deposition modeling，FDM）、激光固化技术（Stereolithography，SLA）、多喷射式打印模型（Polyjet）等。

（1）Makerbot Replicator　2　
2012年美国Makerbot推出，具备100μm的打印精度。应用FDM 技术，以热塑性成型材料丝为材料，利用加热的方式由底到顶逐层进行熔融涂覆→冷却→熔融涂覆，最终堆积成一个实体模型。该方式能够生产出强热塑性及高生物相容度的产品，在制作血管、骨骼、医疗植入器械方面都具有可行性。Makerbot打印机采用的原料是低价环保的聚乳酸，其本身价格相比于其他公司的打印设备也更为便宜。受制造原理限制，该设备制造的产品往往表面不够光滑，在Ｚ轴的分辨度低，制造精细复杂的目标可达数日之久。

（2）Projet　6000　
应用SLA技术，采用液态光敏树脂为原料充满液槽，由计算机控制光束由点到面层层叠加固化液体树脂，最终得到产品。此方式可改善FDM方式造成的粗糙、分辨度不足的问题，但价格昂贵，加工步骤繁多，牢固度和耐久度不足。该技术应用广泛。2015年，Mashiko等依靠此技术耗费数小时制造出完整的血管模型，但该模型的管壁厚度、弹性、粘附性与原型相比还存在差异。

（3）Objet260Connex3　
应用Polyjet技术，最多可一次性选择17种材料，并能连接不同颜色、硬度、透明度的材料。打印精度在16μm以内，为打印颅内血管提供了技术支持。与FDM和SLA技术相比，打印速度更快，精度更高，但价格更贵。产品较厚的部位分辨度较高，较细的部位易脆，坚固性和耐久性较差。尽管昂贵，但其精确、省时、多材料打印的特点使其成为神经外科使用的最广泛的打印方式。自3D打印技术应用于各项外科手术以来，打印模型可满足切割、缝合、活检、切除等常规的手术操作。

在术前依据患者的个体化信息制造出符合患者疾病的解剖模型，实现了从影像学上的单一视觉到视触结合的转变。美国的一例连体婴儿分离手术正是应用了3D打印技术成功进行了手术。该案例采取FDM 原理，将获取的解剖数据分类成软组织和硬组织，再分别制造各个组织器官对应的模型和连接用具，最终将各个组织器官装配成一个整体。该团队将打印成品经配准后与CT 成像和视觉对比，成品的平均误差为0.35mm，标准差＜0.4mm。可见3D打印连体婴儿在术前确实起到了重现病变病理和解剖结构的作用。同样，在神经外科领域，3D打印也有广泛的应用前景。

2.3D打印技术在神经外科的应用
神经外科是外科学的重要分支，是在外科手术原则和系统解剖学的基础上，解决人体神经系统疾病的学科。3D打印技术在神经外科学的各亚专业均有“用武之地”。

（1）3D打印在颅内肿瘤手术治疗中的应用　
颅内肿瘤是神经外科最常见的疾病，可导致患者出现头痛、视力下降、肢体功能障碍、癫痫发作、精神及意识障碍等症状，及时有效地手术治疗是解决病痛的根本办法。颅内肿瘤可发于颅内任何部位，有些肿瘤位置深，压迫重要神经或处于重要功能区，手术难度大、风险高。

为了确保手术质量，术前可利用3D打印技术帮助手术，先导入患者的原始CT或MRI数据，打印出患者的3D头颅模型，在此模型上进行模拟手术，从手术切口到手术入路，甚至手术中的MDT（多学科协作诊治），均可在头颅模型上反复演练，从而制定周密的手术预案，并进行多次手术演练，达到满意为止。这不仅增加了术者的信心，同时为患者手术成功奠定了坚实的基础，最终提高了手术的质量。

（2）3D打印在颅底肿瘤手术治疗中的应用　
颅底肿瘤切除术是神经外科手术中较为复杂的工作之一。颅底的骨质结构凹凸不平、密度不均更加大了手术难度，例如经颞下颅底入路处理海绵窦区肿瘤时，岩骨嵴骨质会阻挡手术视野或影响手术正常操作。有些受骨质干扰严重的颅底手术便需要进行一定的骨质磨除，3D头颅模型可提前评估磨除骨质的必要性以及磨除骨质的具体程度。对于一些形状不规则的颅底肿瘤，在二维影像上显影往往不能全部体现其解剖特征，术中发现特殊结构或肿瘤畸变会提高手术难度，延长手术时间，增加手术风险，3D头颅模型可直视下观颅底察肿瘤的外形特点，从各个角度了解肿瘤与周边各组织的解剖关系，并可进行手术演练，从而在术前达到熟练手术的每一步骤，不仅缩短手术时间，而且降低手术风险，使患者受益最大。


（3）3D打印在颅内动脉瘤手术治疗中的应用　
颅内动脉瘤为神经外科常见的脑血管疾病，动脉瘤破裂发病急、病情重、病死率及致残率高，目前以手术夹闭动脉瘤为主要治疗手段。大部分动脉瘤好发于颅底大血管分叉处，位于颅底，位置深在，且与周围脑组织、颅神经和载瘤血管关系密切，容易被血凝块包裹，术中定位有时难度大。目前的影像学定位依赖于术者的空间想象能力和临床经验，有时与实际解剖存在一定差距，这往往给术者在显微镜下操作带来一定困难，使手术可能面临极大挑战，因而术者的“心中有数”就尤为重要。术前可将患者的3D头颅模型（含颅内血管模型），帮助术者实现从二维影像联想到三维实体观测的飞跃。术前详细掌握动脉瘤的大小、位置、形态，以及瘤体与周围各组织的解剖关系，为制定更完善的手术方案提打下基础，最大程度的保证了手术成功率。

（4）3D打印在颅脑穿刺中的应用　
脑积水或高血压脑出血的患者需要通过穿刺引流降低颅内压，缓解症状。常规采用CT和/或MRI引导下穿刺或两点定位穿刺的方法进行穿刺操作，这种方法在靶点较深时并不能完全有效，利用3D打印重建患者的穿刺靶点部位，利用计算机模拟穿刺入路，避开重要静脉窦或功能区，规划更科学合理的穿刺方法，提高穿刺操作的效率和成功率。

（5）3D打印在颅骨修复术中的应用　
颅脑损伤、大骨瓣减压手术及颅骨肿瘤切除术等，由于术后的颅骨缺损，骨窗受大气压影响后，往往而内陷，不但影响美观，而且压迫脑组织出现颅内压紊乱等并发症，因此需要及时进行颅骨修补。目前采用钛网板作为修补材料，修补后短期内少有并发症，患者对修补后外观满意度较高。但此方法仍然有远期问题，钛的模量比骨骼高2～3个量级，当钛网与自体骨一起受力即发生应力屏蔽时，会引发骨萎缩。对患者的后期诊断而言，钛植入物存在显像伪影。有鉴于此，3D打印选取ＰＥＥＫ 等生物相容度更高、影像学影响更小的材料塑造更优的修补材料，未来将成为颅骨修补的新材料。

（6）3D打印在三叉神经痛治疗中的应用　
三叉神经痛是神经外科常见的疾病，发作性面部疼痛极大地影响了患者生活。药物治疗是首选，但随着病程进展，药物的疗效逐渐下降，只有选择手术治疗。目前，手术的主要方式有两种：显微血管减压术和经皮三叉神经半月神经节射频热凝术，症状缓解率和远期满意度较高，其中经皮半月神经节射频电凝疗法由于微创性而更优于显微血管减压术疗法。该术式的关键在于将射频针精准通过卵圆孔刺入三叉神经半月神经节。

卵圆孔位于颅底中部，周围骨质结构复杂，其间走行颅神经和大血管，穿刺不准确可能会误伤重要的颅神经、颈内动脉和椎动脉等，从而产生严重并发症，甚至危及生命。采用3D打印技术，术前可在3D头颅模型进行反复穿刺卵圆孔已达到熟练，从而最大程度的保证穿刺的精准性和安全性，具有较高的临床应用和推广价值。

（7）3D打印在神经外科脊柱手术中的应用　
神经外科的脊柱手术主要用于治疗椎管内、外肿瘤、脊柱畸形和脊髓血管畸形等。手术过程要警惕穿行于脊柱间隙中的脊神经和椎动脉，避免术后肢体功能障碍或术中大出血。3D打印重建患者的脊柱模型，针对不同节段的椎体，设计个性化的手术路径，降低手术风险，提高手术成功率。

（8）神经外科常用药物的3D打印　
帕金森病和癫痫是神经外科常见的功能性疾病，多数患者均需要用多种药物联合应用，才能缓解症状或控制病情。多种药物治疗不仅加重了医疗负担，而且增加患者的遵嘱用药的难度，使得药物疗效不理想。3D打印技术可将多种药物按照患者实际需要的剂量合为一颗缓释药，根据不同药物的代谢动力学特点结合患者肝肾功能打造出对针对患者药效最好的个体化药物，且毒副作用最小，同时每日只口服一次，避免了多种药物同时使用上的困难，使得患者的各种负担降到最低，真正做到化繁为简，药到病除。目前，美国Aprecia公司研制的3D打印抗癫痫药物—Spritam的上市使得这一目标的实现更进一步。

（9）3D打印在神经外科医患沟通中的应用　
神经外科疾病病种复杂，病情变化迅速，治疗费用高，患者及家属时常因为治疗结果与心理预期不符而产生医疗纠纷，其部分原因是医患双方沟通不足的问题。由于患方缺乏专业的神经外科学知识，不能理解或只是片面理解医师在术前沟通工作中对于疾病和手术等相关问题的表述，对于疾病的不良转归未能有正确的认识，导致医患双方出现矛盾。应用3D打印技术打印出头颅模型，以实体模型再现病变区的解剖结构，让患方对病情有直观的了解。患方可直观的感受到手术的计划及难度，让患方对于手术难度，手术风险都有更客观地认识，充分做好医患双方在术前的知情同意工作，避免出现因沟通不畅导致的医患矛盾。

（10）3D打印在神经外科临床教学中的应用　
神经外科的培训周期较其他学科更长，手术对解剖学的要求更高，低年资的医师很难独立完成一台较复杂的神经外科手术。传统模式下，经验不足的医师通过术中观看手术流程学习手术操作原则及步骤，再利用动物模型、大体头颅标本模拟手术以提高技巧。这种教学方式耗费资源多、学习时间长且提升能力有限。3D打印技术可以在手术室外提供一个高度仿真的学习条件，最大幅度的优化青年医师的学习曲线。

（11）3D打印在神经外科科研设计中的应用　
在进行一项神经外科领域的科研设计时，通常要进行动物实验来观察临床问题的病理或施加暴露因素以观察病理的转归。例如进行动脉瘤的研究时，先向实验用兔的主动脉注射诱发炎症的药物制造出动脉瘤模型，再通过干预观察暴露组和对照组的差别得出结论。这种实验结果会受到实验动物本身的系统误差，如变异、死亡等风险因素的影响，且违背了伦理学要求。3D打印模型能够替代动物或大体头颅标本，提供了新的研究手段和方向。

3D打印技术也可应用于制造新型的手术器械，评估设备的合理性和安全性。在多种手术路径规划的过程中，可以结合术中需要设计更简单的术中器械以降低手术难度。刘宇清等成功在三维重建技术的基础下制造了侧脑室穿刺术－引导装置实体模型，穿刺成功率为93.75%，展示了3D打印技术在手术器械制造方面的广阔前景。

3.展望
3D打印技术的优势和在神经外科学的应用空间固然可圈可点，但其自身的技术局限也不可忽视。3D打印对材料的高要求，费用昂贵等问题都是确实需要改进的。随着科学技术的发展和国家质量监控体系及相关法律法规的完善，该技术必然能够扬长避短，为神经外科领域带来更大的革新。