3D打印技术在脑神经疾病中的应用进展

作者：温稀超，吴文松，曾昭穆，郑克彬，河北大学附属医院神经外科；付美娟，河北中石油中心医院重症医学科
来源：医学综述

脑神经疾病主要指十二对脑神经中任何一对脑神经受损而产生的功能缺损，严重的功能缺损常给患者带来巨大痛苦，严重影响其生活质量。脑神经疾病主要包括面肌痉挛、三叉神经痛、舌咽神经痛等，目前脑神经疾病的最佳治疗方式为手术治疗，但由于头面部神经、血管丰富且变异性较大、关系复杂，因此脑神经疾病的临床诊治较困难。

脑神经疾病的病因尚未明确，但绝大多数临床症状由脑干附近血管压迫神经而产生。目前诊断脑神经疾病的常用影像学检查包括CT和磁共振成像等，但上述影像学检查无法精确地显示病变部位的血管神经。此外，脑神经疾病手术往往存在手术视野受限，若术前无法明确责任血管及压迫部位，术中可能由于过度牵拉周围组织、血管和神经而造成损伤，也可能因对压迫部位分离不彻底而导致复发。

随着3D打印技术的临床应用，通过3D打印模型可以充分实现脑神经的三维可视化，进而更加形象、直观地描述神经、血管及其相互关系，从而为脑神经疾病的诊疗提供更有力依据。现对3D打印技术在脑神经疾病诊疗方面的应用进展予以综述，以期为脑神经疾病的手术治疗寻找新方法，为相关医学教育者手术技能、解剖知识的学习提供新方式。

1.3D打印技术概述
1.1 3D打印技术原理
3D打印起源于20世纪80年代，该技术是在数字模型基础上，运用粉末状金属和塑料等可粘合材料，通过计算机辅助及工业级3D打印机进行逐层打印的方式构造物体。3D打印技术又被称为“增材制造”“快速原型制造”或“实体自由制造”，其命名的共同本质是“离散-堆积原理”，即将影像学数据资料及相应的打印材料通过3D打印技术堆叠打印出所需模型。与传统计算机数控技术及加工的“减材制造”不同，3D打印可在计算机精确控制下将材料逐步堆积，具有虚拟设计、精密复制、一体成型、不需要组装等优点。

1.2 3D打印技术在医学领域的发展
3D打印技术依赖计算机辅助设计及计算机精确控制，可以制造出高精度、高分辨率的复杂物体，目前广泛应用于教育、土木工程、铸造工艺、航天航空、生物医疗领域。在生物医学领域，3D打印具有高精度、个性化、重复性高的优势，具有较好的应用前景。3D打印模型能够提供具体、有形的触觉反馈和组织学、病理学信息。同时，3D打印器官模型，如3D打印假牙、骨支架、细胞、血管、皮肤和耳朵等，可用于术前规划、手术模板、创建多种植入物、生物组织工程等，从而推动个体化精准医疗的发展，这为脑神经疾病治疗方案的选择提供了新思路，也为改善脑神经疾病预后提供了技术革新。

2.脑神经疾病相关3D打印模型的分类
脑神经疾病是一类以颜面部疼痛、肌肉痉挛为主要症状的疾病，其中三叉神经痛、面肌痉挛、舌咽神经痛最为常见。频繁发作的面部疼痛与面肌痉挛常严重影响患者的生活质量。目前，虽然已经研发出多种针对脑神经疾病的药物，但大多数患者存在药物耐受，效果欠佳，最终仍需手术治疗。

针对脑神经疾病的一线手术治疗方式为微血管减压术（microvascular decompression，MVD），主要适用于特发性面肌痉挛、原发性舌咽神经痛以及与神经血管压迫相关的原发性三叉神经痛。而对于继发性三叉神经痛以及部分不适合MVD的患者，可选择经皮射频热凝术、经皮穿刺球囊压迫术（percutaneous balloon compression，PBC）和甘油毁损术等治疗方式。

由于头面部神经、血管丰富，解剖关系复杂，个体变异性较大，脑神经疾病的诊治中病变血管及神经的显示尤为重要。目前，CT、磁共振成像是脑神经疾病的主要辅助诊断手段，但CT仅能清晰显示病变部位毗邻的骨性结构，而不能显示相关血管神经压迫情况，而磁共振成像预测血管神经压迫的灵敏度和特异度分别为87%和50%，故需要寻找一种更加精准的脑神经疾病诊疗辅助技术。

随着3D打印技术的临床应用，通过3D打印技术可以充分实现脑神经的三维可视化，能够为脑神经疾病诊疗提供更有力的依据。

2.1 3D打印颅脑模型
患者颅脑解剖结构的3D打印模型可以清晰直观地显示病变部位的血管、神经、颅骨等，术者可根据3D模型模拟手术。Mashiko等［对不同材料及类型颅脑模型的研究发现，利用丙烯腈丁二烯苯乙烯、石膏和有机硅可以制作柔软的可伸缩小脑与弹性动脉，具有较高的仿真性，可为术者提供更加真实的术中触感，更好地指导手术。

有临床研究指出，利用3D打印颅脑模型有助于术者制订更有针对性的手术方案，并有助于预测术中可能出现的困难与危险，不仅可缩短MVD手术时间，还可使手术更加精确，减少术后并发症发生。

2.2 3D打印手术导航模板
除3D打印颅脑模型，3D打印技术还可以用于打印手术导航模板。根据影像学结果，观察患者颅骨的形状、大小及其与周围软组织的解剖关系，3D打印依托颅骨解剖结构的负空间精确打印特定模板，可指导术中钻孔、开颅及穿刺等操作。对于采用经皮穿刺等微创手术方式治疗的脑神经疾病患者，通过3D打印导板与患者颅面部贴合确定穿刺点位置，且导板上带有刻度的空心圆柱体可以确定穿刺角度与穿刺深度，以提高穿刺准确度、缩短穿刺时间，避免反复多次穿刺引发严重并发症。

对于行开颅MVD的脑神经患者，依据颅骨内侧面设计的3D打印定位导板，可以精准定位第一个骨孔位置，从而明显缩短术中骨瓣成形时间，减少术中小脑的牵拉，减少静脉窦破裂、皮下积液、脑组织肿胀等并发症的发生，提高手术效果。

3.3D打印技术在脑神经疾病中的应用
3.1 3D打印个性化模型指导脑神经疾病的手术治疗
3.1.1 3D打印个性化模型指导MVD
目前，MVD治疗面肌痉挛、三叉神经痛、舌咽神经痛的疗效确切。由于脑干区血管、神经关系复杂，如椎动脉迂曲迁延、岩静脉阻挡手术、存在穿动脉等均增加了MVD的手术难度。3D脑干区模型可以清晰显示脑干区的血管神经，且术前模拟有助于术中更精确地寻找手术角度，具有明显的优势。

徐军等的临床研究发现，术前应用3D打印技术可明确定位面肌痉挛责任血管与面神经的病变区域，提高MVD的手术准确性，并有效减少术后并发症发生，具有更好的治疗效果。此外，3D打印模型可通过术前模拟将虚拟的电脑三维模拟操作实体化，能够更好地模拟MVD，有助于术前充分评估患者病情、手术方案、术中情况，从而制订个体化手术方案。

MVD首选的手术入路为乙状窦后入路，该入路可准确定位第一个骨孔的位置，但由于存在个体差异，仅依靠骨性标志定位骨孔位置并不准确，增加了患者静脉窦损伤的风险。基于此，沈承恩使用3Dslicer软件处理颅脑CT静脉血管成像后，制作手术钻孔导板，可以更加精准定位骨孔位置，避免因解剖变异造成的钻孔不准而引起的各种弊端，更好地指导手术开颅，减少手术并发症发生、缩短手术时间。因此，3D打印技术应用于手术治疗功能性神经疾病，可以模拟及指导手术，具有良好的效果，可作为临床辅助手术治疗的重要方式。

3.1.2 3D打印个性化模型指导PBC
PBC在三叉神经痛的治疗方面表现出微创、无痛、便捷、安全等优点，在国内广泛应用。精准穿刺是PBC手术的重点和难点，以便引导球囊顺利进入卵圆孔。但卵圆孔位于颅中窝，位置较深，导致穿刺角度或深度易出现偏差，难以保证穿刺准确性，进而损伤周边神经及血管，产生面部肿胀、咀嚼无力等并发症。且卵圆孔的形状、角度、大小等可能存在诸多解剖变异，同时卵圆孔周边骨嵴可能会阻挡穿刺路径，导致卵圆孔穿刺的不确定性增加，而术前打印个体化3D穿刺模板可以有效解决上述问题。

彭逸龙等临床研究发现，运用个体化3D打印导板可以为PBC手术提供精确的穿刺路径及位置，提高手术成功率，缩短手术时间。张涛等应用3D打印穿刺面具行PBC治疗三叉神经痛，可以提高穿刺准确性，节省手术时间，减少并发症发生，提高手术效果。由此可见，3D打印穿刺导板可提高穿刺准确度，减少反复穿刺可能造成的卵圆孔附近重要神经血管的损伤，改善手术效果。

3.1.3 3D打印个性化模型指导射频热凝术
除MVD及PBC外，卵圆孔定位射频热凝术治疗原发性三叉神经痛的有效性和安全性较好，与PBC类似，该手术方式的治疗效果与穿刺精确定位有关。为了提高穿刺的准确性，探索了多种术中可视化辅助穿刺，其中3D打印手术导航具有明显优势。多项临床研究证实，3D打印导航辅助穿刺是一种安全、准确的导航工具，其穿刺效果优于徒手穿刺，具有穿刺次数少、手术时间短、并发症发生率低等优势。此外，与单纯C型臂透视相比，3D打印手术导航操作更加简便、手术更加精准、手术过程中的透视次数显著减少，且术后并发症发生率更低，因而具有很高的临床应用价值。

与术中CT引导下穿刺相比，3D打印导航模板可以显著提高首次穿刺成功率，降低患者术中穿刺时的辐射量。除了传统的辅助手段外，赖尚导等对比研究3D打印定位穿刺角度引导器与数字减影血管造影的结果显示，3D打印组可操作性高，穿刺成功率更高。

Deng等将定制的3D打印导板用于三叉神经痛经皮射频热凝术治疗，并对术前模拟深度与真实穿刺深度进行对比，结果发现，3D打印导板穿刺精确度更高，穿刺针定位更准确，且并发症更少。

综上所述，与传统手术操作相比，应用3D打印导航模板辅助射频热凝术治疗三叉神经痛的操作更简便、更精准，且手术过程中透视次数减少，手术时间缩短，术后并发症发生率大大降低。

3.2 3D打印个性化模型应用于教学培训
神经外科手术技能的获取十分重要，若术中对年轻医师进行技能培训、知识讲解，将延长切口暴露时间、增加术中失血量及全身麻醉下机体应激的发生风险，而3D打印模型可循环利用，能够很好地解决上述问题。有学者认为，3D打印脑神经模型可以1∶1还原血管、神经、颅骨等颅内解剖结构;且具有可外部操作、观察等优势，能够帮助医学生及神经外科医师直观地理解和分析复杂的脑神经血管解剖结构，并推理手持空间，进而加深对脑神经和颅底空间复杂解剖结构的理解。

此外，3D打印个性化颅脑模型还可用于外科住院医师培训，为年轻医师提供体外真实操作机会，在避免患者损伤的前提下，使受训医师掌握必备的手术技能。在实际手术操作中，3D打印颅脑模型和导板都可缩短开颅钻孔和穿刺操作初学者的学习曲线。Mashiko等将3D打印脑干区联合模型应用于初级外科医师培训，指导外科医师快速掌握显微外科手术技巧，取得了良好的培训效果。

郑佳平等3D打印了面肌痉挛颅脑模型，使年轻医师得到更专业及更有针对性的培训，更熟练地掌握了MVD的关键步骤。由此可见，通过3D打印技术，可以使医学生更深入地了解颅脑解剖结构，也可以为神经外科受教育者提供更多的动手机会，使其在低风险、高频率的操作中获得丰富的基础临床经验及手术技能。

4.小结
传统脑神经疾病的手术治疗大多依靠神经外科医师的经验以及术中对病变区域解剖结构的识别，但由于临床颅脑解剖结构复杂且变异性较大，术中需要多次调整手术路径，导致手术时间延长，且患者术中、术后并发症的发生率可能增加。

研究发现，3D打印模型在治疗脑神经疾病方面可以更精准且直观地显示病变区域及其毗邻组织的关系，更好地避免术中对血管神经的过度牵拉、减少手术意外的发生，明显缩短手术时间，提高操作准确度，为患者提供更精确的个性化诊疗方案。

3D打印成为脑神经疾病诊疗过程中的重要选择之一，但3D打印模型也存在一定局限性。目前的3D打印工艺耗时较久、费用较高，并不适用于急诊患者及经济困难的患者，故未来的研究将侧重于降低3D打印的材料及时间成本，以推动其在脑神经疾病诊治中的应用。

来源：温稀超,付美娟,吴文松,曾昭穆,郑克彬.3D打印技术在脑神经疾病中的应用进展[J].医学综述,2021,27(19):3871-3875.