3D打印技術在神經外科臨床治療中的應用進展

作者：楊鑫，荔志云，聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院神經外科

3D打印技術也稱為快速成型技術，是指基于CAD三維數(shù)學模型，通過逐層增加材料，逆向制造出與相應數(shù)學模型一致的三維物理實體模型的制造方法。KODAMA于1982年首次報道了3D打印技術的誕生，ANDEL于1993年首次報道將3D打印技術用于外科治療領域，此后3D打印技術迅速應用于醫(yī)學，如醫(yī)學教育的解剖模型、植入物及假體、生物打印等。

現(xiàn)代3D打印技術使得構建層厚在微米量級的解剖結構成為可能，同時隨著醫(yī)學影像對比度分割技術的進步，當前的3D打印技術已可實現(xiàn)不同質地、不同色彩的材料打印，包括骨骼、肌腱、血管及神經等。國內外3D打印技術在外科學中的應用十分廣泛，其中以骨科、頜面外科等學科最為活躍。因神經系統(tǒng)病種繁多，且相同病種在不同解剖部位有著高度特異性，盡管醫(yī)學影像技術已經發(fā)展到較高水平，但部分復雜的神經、血管解剖結構仍然難以體現(xiàn)，使得3D打印技術應用于神經外科學領域的研究相對較少。當前3D打印技術在神經外科的應用主要包括解剖模型、模擬患者特定病理學及生物相容性假體的制作等，現(xiàn)給予綜述如下：

1.腦腫瘤
腦腫瘤為最常見的顱內原發(fā)性疾病，常見病理類型包括腦膠質瘤、腦膜瘤、垂體瘤等。根據(jù)2012年發(fā)布的《中國腫瘤登記年報》顯示，在全球新發(fā)的惡性腫瘤患者中，中樞神經系統(tǒng)惡性腫瘤占比約2.4%，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。目前腦腫瘤的治療朝著“個體化精準醫(yī)學”發(fā)展，其理想結果是在盡量全切腫瘤的同時，保持大腦原有的神經功能不受損害，并修復因腫瘤占位或腦水腫引起的神經功能缺損。

就重建精度而言，SPOTTISWOODE等首次報道了利用3D打印技術構建腦腫瘤模型，研究結果表明重建的腫瘤平均誤差小于0.5mm，能清楚顯示功能區(qū)與腫瘤相對于腦表面的位置特征及毗鄰結構，精準體現(xiàn)腫瘤的解剖層次。在腦腫瘤患者中，顱底腫瘤因其位置深在、解剖復雜、功能重要而呈現(xiàn)出較高的手術難度，對術者的解剖基礎及手術技巧要求極高，目前的技術水平已可建立3D顱底打印模型對顱底腫瘤進行術前規(guī)劃，而且數(shù)字模型還可導入導航系統(tǒng)，與相應的二維神經影像進行實時匹配，更好地完成術前導航。

MULLER等研究顯示，對于復雜顱底病變，3D打印模型能夠準確顯示復雜顱底腫瘤解剖結構，在術前模擬進行顱底骨質磨除，有利于了解腫瘤與毗鄰神經、血管的關系，適用于高度個體化復雜顱底腫瘤手術策略的制定。蘭青等自2015—2016年利用3D打印技術完成12例腦腫瘤切除術，所有患者手術過程與術前3D模型手術規(guī)劃一致，且神經功能保留良好。

3D重建數(shù)字模擬腦腫瘤、血管及神經纖維束還可清晰展示腦腫瘤與傳導束的空間關系，避免術中損傷傳導束造成神經功能損害。但目前3D打印技術輔助腦腫瘤治療仍存在較多不足之處，如顱內壓及血流動力學、腫瘤與周圍解剖結構黏連程度難以體現(xiàn)，蛛網(wǎng)膜系統(tǒng)及腦溝腦回等解剖結構重建不完善等。

2.出血性腦血管病
顱內動脈瘤是最常見的出血性腦血管病，對于顱內動脈瘤的治療，顯微手術夾閉仍是金標準，其次為血管內介入栓塞治療。在顯微手術夾閉顱內動脈瘤過程中，明確動脈瘤的形態(tài)、瘤頸、朝向及與周圍血管的解剖關系極為重要。通過3D重建及打印的動脈瘤三維模型，在解剖學上是比較準確的，模型精度可達到0.1mm，此類模型可使手術醫(yī)師術前加深對動脈瘤術區(qū)解剖結構的理解，并可多次模擬動脈瘤夾閉過程，挑選最為合適的動脈瘤瘤夾，使得動脈瘤夾閉更為精準。

在血管內治療方面，NAMBA等利用3D打印技術打印出10例動脈瘤模型，并根據(jù)模型提前選擇合適的微導管并塑形，提高了術中彈簧圈釋放過程中的穩(wěn)定性，顯著降低了手術操作時間及風險。對于寬頸動脈瘤，TSANG等依據(jù)3D打印技術重建了載瘤動脈及動脈瘤，在術前挑選合適的血流導向裝置并指導術中的置入，術后長期隨訪結果示栓塞效果滿意，動脈瘤平均血流速度有明顯降低。

腦動靜脈畸形是另一常見的出血性腦血管病，有著復雜的供血動脈及引流靜脈，到目前為止血管內治療和顯微外科也只能有選擇地部分治療動靜脈畸形，手術切除巨大或重要功能區(qū)的動靜脈畸形難度較高。相關的研究表明，通過3D打印技術構建細致的動靜脈畸形三維模型，包括顱骨、腦組織、頸內動脈系統(tǒng)、供血動脈、引流靜脈及靜脈竇等，可協(xié)助手術醫(yī)師進一步明確復雜的畸形團解剖結構，有利于術前規(guī)劃及手術治療效果評價。

WEINSTOCK等利用3D打印輔助小兒腦動靜脈畸形顯微手術，結果顯示利用3D模型提前進行手術規(guī)劃可縮短顯微手術時間，但仍欠缺患者長期隨訪資料。在血管內治療方面，CONTI等運用3D-DSA結合3D打印技術重建動靜脈畸形模型，有助于術前了解畸形血管團內血流動力學情況，測量并計算目標模型的血容量，利于栓塞治療策略的制定。但目前3D打印技術對于病變部位供血動脈及引流靜脈的區(qū)分建模仍存在較大的難度，需后期人工加工，帶有一定的個人主觀性，是今后亟需解決的問題。

高血壓腦出血在當前亦有著極高的發(fā)病率，其發(fā)病后死亡率高達28%~38%，隨著精準醫(yī)學理念的發(fā)展，軟通道穿刺引流因其安全、簡單、微創(chuàng)的優(yōu)勢而應用越來越廣，但臨床上因CT定位誤差、患者個體差異或術者操作偏差等因素常導致療效欠佳，引流管往往難以置入最大血腫層面中心。

利用3D打印技術，可根據(jù)血腫體表投影設計出精確的穿刺導板及通道，準確規(guī)劃出血腫腔穿刺方向和穿刺深度，同時還能重建出重要血管及神經，降低穿刺過程中醫(yī)源性損傷發(fā)生率。張濤等、劉峰等利用3D打印手術導板輔助腦內血腫穿刺，對比傳統(tǒng)CT引導下腦內血腫穿刺，結果顯示手術導板定位更為精確，血腫穿刺準確率明顯升高，血腫引流時間及血腫引流率較傳統(tǒng)方法明顯改善。

使用3D打印導板進行顱內血腫穿刺引流實現(xiàn)了精準化、個體化的目的，療效確切，值得基層醫(yī)院進行推廣與應用。但穿刺導板有時難以做到與顱面部完全貼合，且存在打印導板消毒不徹底等問題，還需更好的解決辦法。

3.顱骨重建
重型顱腦損傷、高血壓腦出血或大面積腦梗死并腦疝形成者，在手術清除血腫及壞死腦組織的同時常常需要去骨瓣減壓，顱骨粉碎性骨折及顱骨骨瘤術后亦可造成顱骨缺損。顱骨缺損不僅影響個人美觀與安全，而且常出現(xiàn)顱骨缺損綜合征，因此顱骨修補術為神經外科的常見術式。

目前應用3D打印技術重建顱骨修補材料在臨床上已經反映出良好的治療效果，常用的重建修補材料包括聚甲基異丁烯酸(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)等。SCHON等利用3D打印技術連續(xù)完成16例顱骨修補術，結果顯示利用3D重建的PMMA顱骨材料進行修補不僅有著極高的修補精準度，還表現(xiàn)出良好的組織相容性，且術后并發(fā)癥發(fā)生率較傳統(tǒng)修補方法亦有所降低，對于原骨瓣不可用的顱骨缺損患者來說，利用3D打印輔助顱骨修補還能顯著降低患者的治療成本。

顱縫早閉為常見的先天性顱腦畸形，會形成各種頭顱狹小畸形，同時壓迫或限制正在迅速發(fā)育的腦組織，引起顱內壓增高和各種腦功能障礙。其傳統(tǒng)的治療方法為切開原已閉合的骨縫或建立新的骨溝，使顱腔能有所擴大，以保證腦的正常發(fā)育。ENRICO等利用3D打印技術建立顱骨模型，清晰地顯示了顱面解剖的各個方面以及最常見的顱縫骨病病理變化，包括蝶骨翼、淺眼眶、頸靜脈孔等解剖結構。

GHIZONI等利用3D打印技術完成4例顱縫畸形術前規(guī)劃，利用3D打印顱骨模型提前進行解剖學及力學分析，并選擇最為合適的手術器械，結果表明在顱縫畸形術前模擬中3D打印模型為良好的選擇，尤其在對術中及術后的力學分析方面有著獨到的效果。

4.脊柱脊髓疾病
既往脊柱脊髓腫瘤的術前評估主要依靠CT、MRI等二維影像學資料，所反映的解剖結構在視覺上存在一定的差異。3D打印技術建立的腫瘤模型能較好地判斷組織結構層次、周圍毗鄰的臟器及腫瘤邊界，并且可進行術前規(guī)劃、模擬切除等過程，評估手術的風險及難度。于貝貝等利用3D打印脊髓腫瘤模型完成9例脊髓腫瘤切除術，術后無嚴重神經功能損害或手術并發(fā)癥。而對于術前影像學顯示腫瘤邊界不清晰患者，尤其是腫瘤形態(tài)不規(guī)則時，3D打印技術還可提高外科手術取得陰性切緣的能力。

但3D打印脊神經仍存在一定局限性，主要是由于彌散張量纖維束追蹤、彌散張量成像的空間分辨率無法到達重建要求，難以對結構復雜的神經纖維束進行纖維素示蹤。因此，亟需新的高準度掃描方法對神經纖維束進行示蹤，重建打印出脊神經與腫瘤相對關系的3D實物模型，增強術中對脊神經的保護，以減少術中神經觀念損害。

脊柱側彎為最常見的脊柱先天畸形，傳統(tǒng)手術治療主要借助術前CT數(shù)據(jù)及術中C臂透視來完成椎弓根螺釘系統(tǒng)的置入，其手術精準度很大程度上取決于手術者的臨床經驗。RAJASEKARAN等研究表明，徒手傳統(tǒng)置釘技準確率僅為60%左右；而CECCHINATO等研究亦表明，在脊柱側彎矯形手術中傳統(tǒng)置釘?shù)腻e位發(fā)生率可高達30%，椎弓根螺釘位置不正確可造成神經系統(tǒng)及血管結構的嚴重損害，其損傷風險隨著脊柱側彎嚴重程度不斷升高。

目前3D打印技術在脊柱矯形手術中已表現(xiàn)出良好的個體性與精準性，使用3D打印技術輔助螺釘置入，其手術時間、出血量、置釘準確率均優(yōu)于傳統(tǒng)手術方法。TAN等在3D模型輔助下對23例患者共置入494顆螺釘，螺釘置入精準度達96.3%，患者術后未出現(xiàn)相關神經及血管損害。GIROD等的個案報告顯示，術前建立畸形脊柱模型有助于術前規(guī)劃及模擬矯正，從而提高矯形效果。3D打印技術在脊柱側彎矯形中已顯示出良好的優(yōu)勢，不僅能加強手術醫(yī)師對復雜畸形脊柱的認知程度，還可觀察截骨角度、截骨位置及椎弓根置釘位置，對矯正手術方案進行良好規(guī)劃，降低手術置釘難度，避免損傷神經及血管結構，提高手術的安全性及有效性。

5.總結
在傳統(tǒng)神經外科朝著智能化不斷邁進的時代，3D打印技術作為一門交叉融合技術，展現(xiàn)出其個性化的模型定位及空間解剖關系，在神經外科臨床工作中已顯示出良好的治療效果，在解剖教學、技術培訓、手術規(guī)劃及醫(yī)患溝通等也表現(xiàn)出較高的價值，值得臨床推廣使用。

但目前仍缺乏大量的臨床應用病例，尤其是手術治療效果、手術安全性及術前訓練的長期影響等諸多方面缺少確切的數(shù)據(jù)支撐；且存在諸多亟待解決的技術問題，包括打印時間及成本較高、打印精度不足、復合材料打印難度大及生物材料組織相容性欠佳等問題。但隨著3D打印技術的不斷進步，醫(yī)工交叉精準醫(yī)療的快速發(fā)展，上述問題會逐步得到解決，3D打印技術將不再局限于解剖及外科的常規(guī)應用，有望在神經元修復、功能重塑及顱內外血管重建等方面取得更大的突破。

來源：楊鑫,荔志云.3D打印技術在神經外科臨床治療中的應用進展[J].海南醫(yī)學,2022,33(19):2564-2567.