3D打印技术在神经外科的应用研究进展

作者：黄星，刘祯，姜晓兵，华中科技大学同济医学院附属协和医院神经外科
来源：中国临床神经外科杂志

随着打印技术的不断成熟，3D打印技术在医学领域被广泛应用，并显示出巨大优势。本文就3D打印技术在神经外科的应用研究进展进行综述。

1.3D打印技术
目前，打印技术主要分四种。一是熔融沉积（fused deposition modeling，FDM）技术，通过加压喷头沉积热敏材料来重建物体。虽然现行的FDM技术能给外科医生提供不错的解剖学结构，但其在真实性、操作性和可选择打印材料上存在一定的局限性，同时FDM技术打印的产品不能耐受高温；所以较少在医学应用。

二是选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）技术，通过选择性烧结各种材料（尼龙、金属钛网、不锈钢等）来形成物体轮廓，以融化和融合的方式层层叠加实现物体重建。

三是激光固化成型（stereolithography，SLA）技术，通过使用一定能量的激光扫描树脂，固化一定区域来实现物体重建，因为SLS与SLA技术能将高能量的激光集中在高性能材料的表面，选择性地层层融化材料，特别是在手术模拟器的制作上有着明显的优势，所以SLS和SLA技术在临床上应用较为广泛。

四是喷墨技术，通过在喷头内装上生物墨水来实现层层叠加，这种高精细技术是现在流行的生物打印的方法，常常应用在器官和组织重建等方面。

2.3D打印技术在神经外科临床训练中的应用
神经外科手术难度大，风险高，需要现代技术的帮助，以达到精益求精的效果。在神经外科领域，显微操作是最基本的技术。一个成熟有效的模拟训练系统有助于提升年轻神经外科医生的能力。目前，尸体标本、动物模型和模拟器等训练系统占大部分，但无血液流动的尸体标本与解剖结构相差较大的动物模型并不能提供真实的手术模拟环境。3D 打印技术正好克服了上述两种方式的缺点。

Wanibuchi等通过3D打印技术重塑颅骨模型，并将不同部分标记为不同的颜色，提高操作技能和术中预警能力，而且相比较传统训练方式，3D打印技术显得更加方便和便宜，对于制作不同类型的手术疾病模型有着得天独厚的优势。

3.3D打印技术在动脉瘤夹闭术中的应用
目前，3D打印技术已经在动脉瘤夹闭术中发挥一定的优势。Mashiko等利用3D打印技术制造出三维立体空心的动脉瘤模型，用作术前模拟训练。这对理解动脉瘤的空间位置以及载瘤血管的形状有很大的实用意义。Ryan等将动脉瘤与颅骨整体打印，真实模拟动脉瘤夹闭术入路，并在9例颅内动脉瘤夹闭术中取得了不错的效果。Anderson等借助动力系统将带有颜色的涂料推进打印的动脉瘤模型中，借此研究动脉瘤的血流动力学特点。

Shi等为了追求真实血管的特性，利用生物材料打印出软组织活性血管，为治疗血管疾病和血管移植术提供了研究方向。Ryan等将已经打印好的血管行DSA检查，发现与影像学图片无明显差别。所以，3D打印技术能清楚显示动脉瘤的大小、生长部位、生长方向以及周围解剖结构，制造出符合要求的模型，模拟动脉瘤夹闭术。

4.3D打印技术在动静脉畸形切除术中的应用
由于动静脉的异常吻合，二维影像学数据不能获得充足的血管信息，而借助3D打印技术清楚显示血管的走形与比邻结构，甚至可将血管做成空心状，注入带有颜色的液体，模拟畸形血管的血液流动状态，给手术提供最真实的疾病模型。Conti等利用3D打印技术重建动静脉畸形模型，打印的动静脉畸形体积与二维图像测量的体积无统计学差异，但3D模型空间显示优于二维图像，而且三维模型可以更加直接找到病灶。

5.3D打印技术在颅内肿瘤切除术中的应用
Waran等利用3D打印技术模拟颅内肿瘤的三维空间状态，利用不同材料的属性真实地模拟皮肤、颅骨与脑组织等结构，并模拟整个手术过程；同时，还打印脑室内肿瘤的模型，模拟脑室镜和脑室外引流等操作；除此之外，还将术中导航与3D打印技术结合起来，在模型上进行二维图像和三维结构的匹配，不仅增加操作体验，而且进一步验证三维结构与二维图像的匹配度，确保手术的精准性和安全性。

对复杂颅内肿瘤手术，3D打印技术具有更大的优势。例如颅底肿瘤中斜坡肿瘤、颈静脉孔周围肿瘤，找到最安全、对周围结构损伤最小的入路有利于取得良好的预后。术前可以根据影像学资料，3D打印出肿瘤模型以及肿瘤涉及的血管神经，然后根据最佳间隙选择入路。

6.3D打印技术在脊柱脊髓肿瘤切除术中的应用
神经外科医生在保护脊髓和神经功能方面优势明显；但是，在脊柱固定过程中，会发生定位不准，从而有可能引起脊髓、神经、血管的损伤。虽然利用神经导航技术能解决大部分定位的问题，但是导航系统又存在诸多的劣势。这时利用3D打印技术事先设计出的穿刺通道，将设计好的导航模板与脊柱匹配，大大减少术中不必要的操作，不仅降低对复杂工具的需求，而且减少繁琐的步骤，同时只需根据术前CT影像学数据创造个体化、精准化的导航模板，从而指导术中手术操作。


7.3D打印技术在颅骨成形术中的应用
对颅骨成形术，常规利用头部CT数据将钛网进行加工塑形，但定制的钛网有时候需要特殊的工具再加工。利用3D打印技术重建颅面结构，以对侧完整的颅骨形状，虚拟重建缺损部位的形状，这样不仅可以使两侧对称，以求最大限度地满足美观需求，而且在应用过程中，也可以将整个颅面部的软组织真实还原，提前了解手术效果；同时根据缺损的轮廓，精准个体化的设计修补形状，使之与实际情况相符合，尽量减少术中不必要的操作，同时也减少术后并发症。

8.3D打印技术在神经内镜手术中的应用
神经内镜借助于人体天然孔道，如鼻腔、口腔和微小切口，达到切除病变的目的，但其操作对术者有较高的要求，所以学习曲线较长。Tai等为了提高术者神经内镜下使用磨钻的能力，利用3D打印技术制造符合正常生理结构的鞍区模型，取得不错的培训效果。Wen等为提高术者神经内镜下视觉感受和操作手感，将3D打印的鞍区模型与鸡蛋绑在一起，以蛋壳模拟颅底骨质，蛋黄模型肿瘤，显著提高年轻医师神经内镜下操作能力。

Narayanan等为探讨3D打印技术在神经内镜手术中的作用，将1例肿瘤模型打印出来，并在模型中实际操作。Ryan等用具有特殊弹性的材料将颅骨打印出来，真实模拟神经内镜脑室内肿瘤切除术。

9.3D打印技术在病情沟通中的应用
由于神经外科病人病变位置关键，颅内结构复杂，所以手术风险较高。然而与家属进行病情沟通时，限于其知识水平，很难达到一致的时候，而且医生对病情的准确讲解常常需要专业的词汇来解释，但家属对这些专业词汇更加不熟悉，有时为了能够使其通俗易懂也只能列举家属熟悉的事物来比拟，但往往达不到充分理解病情的效果。将带有颜色标记的3D模型展示给家属时，并告知手术的步骤以及术后可能出现的一些并发症，有助于家属完全理解手术路径以及意图，并慎重地做出选择。这说明应用模型能够很好地起到病情沟通的效果。Abudayyeh等通过术前打印疾病模型，既能够选择手术治疗方案，又能让家属明白手术风险，并取得家属认可和对医疗操作的理解，大大减少了医患纠纷。

综上所述，3D打印技术在神经外科有着巨大的应用前景，包括动脉瘤、动静脉畸形、颅内肿瘤、颌面部塑形、脊柱脊髓手术、内镜手术、临床模拟训练、医患沟通等。相信随着科技的不断发展，在不久的将来，3D打印技术会应用到神经外科的方方面面。