3D打印技術在腦血管疾病臨床教學中的應用

黃 慶，王 剛，張洪兵 （首都醫科大學附屬北京潞河醫院神經外科，北京101149）

·醫學教育·

3D打印技術在腦血管疾病臨床教學中的應用

黃 慶，王 剛，張洪兵 （首都醫科大學附屬北京潞河醫院神經外科，北京101149）

目的：探討3D打印技術在腦血管疾病臨床教學中的應用效果．方法：本研究運用3D打印技術制作三維立體腦血管疾病模型，應用到神經外科醫師的臨床教學中．結果：通過3D打印技術制作的腦血管三維立體模型有助于神經外科醫師在相對較短時間內理解復雜腦血管疾病的解剖特點，并且借助該模型，年輕的神經外科醫師可以在相對安全可控的操作環境中，全方位觀摩學習復雜顱內動脈瘤等腦血管疾病的解剖模型，從而對顱腦手術方案及相關手術技巧有所理解，對精準手術起到一定的輔助作用．結論：3D打印技術有助于提高神經外科醫師對復雜腦血管疾病的理解和認識，在神經外科腦血管疾病的臨床教學中具有良好的應用前景．

3D打印技術；腦血管疾病；教學

0 引言

3D打印技術起步于20世紀90年代，是以計算機三維設計模型為基礎，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用熱熔噴嘴、激光束等方式將可粘合材料如塑料、金屬粉末等逐層堆積粘結，疊加成型，最終制造出模擬實體產品的技術［1－2］．目前3D打印技術在臨床教學方面主要應用于骨科、口腔等學科［2－3］，在神經外科尤其是腦血管疾病方面的臨床教學應用較少．

顱內血管走行迂曲復雜，顱底動脈分支較多，加上有變異的交通支存在，使其很難被年輕的神經外科醫師理解，而這些地方又是腦血管疾病的好發區域．對動脈瘤、血管畸形等腦血管手術操作的培訓相對困難，年輕的神經外科醫師很少有機會獨立開展腦動脈瘤、動靜脈畸形等腦血管疾病的手術，因為這些疾病無論是通過血管內介入治療還是手術夾閉治療，病變大多較為復雜，需要具備經過長期訓練養成的較高手術技能［4－7］；通過傳統的平面解剖圖譜、普通的模型標本教學，年輕醫師難以在短時間內掌握復雜的腦血管解剖結構，即使是通過手術觀摩，由于視角問題也不能很好地看清一些細微結構［8］．如果用3D打印機1∶1地打印出血管、神經、腦組織等細微結構，全方位展現在年輕醫師面前進行觀察學習，并模擬相應的手術入路，可以大大提高學習效率．

1 方法

1.1 臨床教學病例的選擇和設計臨床教學病例的選擇要充分體現顱內動脈瘤、腦動靜脈畸形等疾病特點，應選取腦血管疾病中的常見病、多發病．腦血管疾病具有自身的特點，顱內血管走行多迂曲復雜，顱底動脈分支較多，經常會有變異的交通支存在，而這些地方通常又是腦血管疾病的好發區域．病例要具有開放性、前沿性、真實性和完整性，通過大家查閱中英文文獻等資料，共同討論病變解剖結構來拓臨床思維，從而了解腦血管疾病方面的最前沿的新技術、新醫療，達到臨床教學的目的．顱內動脈瘤、動靜脈畸形和動靜脈瘺為腦血管疾病中的三大主要疾病，選取病例時針對這些疾病的特點，選取相應的典型病例進行有的放矢的教學，通過將3D打印的血管模型與真實血管及其周圍組織關系進行比對，了解頸內動脈顱內段的走形，頸內動脈與視神經的比鄰關系，前交通動脈與視交叉的位置關系，眼動脈與后交通動脈在頸內動脈上發出的位置和方向，了解顱內動脈瘤的好發位置以及與載瘤動脈的關系如夾角、動脈瘤頂端的朝向等，了解腦血管畸形的供血動脈與引流靜脈的位置關系、分布情況等．

1．2 3D打印腦血管疾病模型的制作選取首都醫科大學附屬北京潞河醫院神經外科收治的典型腦血管疾病病例，以顱內動脈瘤為例來介紹腦血管疾病模型的制備過程：①獲取顱內動脈瘤病例的薄層CT掃描數據并進行三維重建；②對重建圖像進行二維預處理和三維預處理；③采用移動立方體法建立三維模型；④在建立的三維模型基礎上應用3D打印制造出1∶1等大的、高度仿真的患者顱內動脈瘤實體模型［2］（圖1）．

圖1 3D打印動脈瘤模型的制作

1．3 3D打印腦血管疾病模型在腦血管疾病臨床教學中的應用方法根據臨床教學的安排，神經外科醫師的培訓每周進行1～2次，每次4個學時．由主治以上的授課教師每次選取1～2例典型的臨床病例作為教學病例，要求病例包含完整的臨床和影像學資料．課前一周布置好任務，要求年輕的神經外科醫師要對所學病例相關知識進行預習，對典型病例患者要自行到床旁進行問診查體等，課前要查閱一些相關的文獻資料．授課教師首先以幻燈形式介紹典型病例的病史以及X線、CT、MRI等影像學資料，引導年輕的神經外科醫生進行分析，探討相應的解剖結構及手術入路，通過激烈的討論得出相應的診療意見和對應的手術方式．然后授課教師展示出事先打印好的3D腦血管疾病模型讓大家進行全方位的觀察、比照，進一步了解動脈瘤、動靜脈畸形等病變的形態、位置以及相鄰顱內血管和結構的立體解剖結構，之后引導大家進行討論，糾正之前的觀點思路，必要時可以對其進行模擬預手術入路．最后由授課教師總結病例的重點和難點．除此之外，所學的典型病例進行手術后要保存其手術錄像以供大家比對學習．

2 結果

在臨床教學過程中發現，初級神經外科醫師對腦血管疾病的診治原則和手術方式的概念掌握較好，但是既往學習的是正常腦血管結構的解剖，缺乏對病變血管結構感性的認識，缺乏對病變部位相鄰結構的解剖及相應的手術入路的理解和認識．通過在3D打印腦血管疾病模型上進行模型外科教學，可以使神經外科醫師很清楚地了解病變結構的特點，還可以結合病變情況，向其講解疾病發生的原因與原理．在此基礎上，授課教師再進行手術方法的講解，使年輕的神經外科醫師對動脈瘤、動靜脈畸形及動靜脈瘺等疾病的立體解剖有更深的理解．通過模擬手術入路操作，神經外科醫師對腦血管疾病的手術操作更容易理解，普遍反映教學效果良好．以往難以掌握的復雜血管結構、動脈瘤和動靜脈畸形等知識點，通過該教學方法能夠相對快的熟識并加以應用，在一定程度上提高了教學效率和效果．

3 討論

3D打印技術是一種快速成型技術，它綜合了數字建模、機電控制、信息技術、化學與材料科學等多方面的技術［9－11］．目前，得益于3D打印材料的獨特性，3D打印技術初步應用在醫學教育領域，率先在骨科、口腔科的臨床教學中廣泛應用［2－3，12－13］．由于腦血管疾病本身具有病變復雜的特點，3D打印技術在神經外科尤其是腦血管疾病方面的臨床教學應用較少．

目前針對腦血管疾病多數沿用授課式、多媒體教學，只能通過語言講解，單純從二維平面空間進行教學，所以復雜腦血管疾病病例教學時難度較大，無法使學生形成空間立體效果，對于空間想象能力差的學生接受起來更加困難．對于動脈瘤手術來說，術前能夠對其在顯微外科術中的解剖關系進行全方位立體學習并且模擬手術入路尤為重要；對AVM而言，由于本身結構復雜，以往醫師對疾病的了解僅限于對二維圖片的解讀，由于血管、神經間的重疊無法分辨其原本真實的空間結構，如果可以在術前幫助了解畸形團內結構，就可以很好地指導治療策略的制定［11］；3D打印技術可將患者的病變血管三維結構以及與周圍的比鄰關系直觀地展示出來，這有利于神經外科醫師的直觀教學，從而達到事半功倍的效果．3D打印實體模型與真實動脈瘤結構形態一致，可以增強術者對動脈瘤形態結構學的理解，并且可以據此選擇合適的動脈瘤夾，以及動脈瘤夾的放置角度和位置等．借助該模型，年輕的神經外科醫師可以在一個安全可控的操作環境全方位觀摩復雜顱內動脈瘤的解剖模型，進行術中模擬操作及手術風險評估．這可以增加年輕醫師實際操作的機會，使他們在短時間內獲取復雜的手術技能，并且能夠以此建立客觀的手術技能培訓和考核系統，使動脈瘤手術技術的培訓規范化和流程化［14］．

與傳統的教學模式相比較，3D打印模型具有以下特點：①使學生更加直觀地理解顱內血管病變及供血動脈、引流靜脈等的解剖部位，更明確地反映其三維空間關系及與周圍的比鄰關系；②3D打印實體模型可以提供多視角觀察的三維結構，實體感強，并且可反復進行模型模擬外科操作；③3D打印可以根據授課的要求，制造出比例大小、特定剖面的模型，從而滿足上課需要．④通過3D打印模型的演示縮短了學習過程，激發了學習的積極性，提高了學習效率，可使年輕神經外科醫師參與實際手術的設計，能夠提高神經外科醫師對腦血管知識的理解．此外，3D打印不受場地和環境限制，還能實現遠程制造［1］．

3D打印技術也存在一些不足之處：①無法完全再現完整的腦組織結構，較為精細的小穿支血管及神經目前無法打印．②腦膜、蛛網膜等菲薄的腦組織結構仍無法通過3D打印實現［15］．③3D模型制作的經濟、時間成本高．相信隨著打印技術的普及和成熟，醫學模型制作成本將會降低，花費時間將會減少，且醫學成像技術的改進也會使得醫學模型制作工藝更加精細化．可以預期3D打印技術在腦血管病的診治方面還有更大的發揮空間［16］．

將3D打印引入腦血管疾病教學中，不僅彌補了傳統教學的一些不足之處，而且有效地提高了神經外科醫師學習神經外科知識的興趣，激發學習積極性和主動性，提高了神經外科醫師的邏輯思維能力和分析解決問題的能力，值得進行推廣應用．

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Application of 3D printing technology in clin?ical teaching and cerebrovascular diseases

HUANG Qing，WANG Gang，ZHANG Hong?Bing
Department of Neurosurgery，Beijing Luhe Hospital，Capital Med?ical University，Beijing 101149，China

AIM：To investigate the effect of 3D printing tech?nology in clinical teaching of cerebrovascular diseases．METH?OD：The 3D printing technology was used to produce three?di?mensional model of cerebrovascular diseases，which is applied to the clinical teaching of neurosurgeon．RESULTS：Three?dimen?sional cerebrovascular model of 3D printing can help neurosur?geons understand and master the complex anatomy characteristics of cerebrovascular diseases in a short time．A young neurosurgeon can learn complex intracranial aneurysms and other cerebrovascu?lar disease in a relatively safe and controlled operating environ?ment by means of this model in order to understand the precise surgical skills and play a certain supporting role in precision oper?ation．CONCLUSION：The 3D printing technology can help neu?rosurgeon improve the understanding and awareness of complex cerebrovascular disease，which has a good prospect in clinical teaching neurosurgery of cerebrovascular disease．

3D printing technology；cerebrovascular diseases；teaching

G642

A

2095?6894（2017）03?90?03

2016－11－03；接受日期：2016－11－20

北京市通州區科技計劃項目（KJ2016－CX037）

黃 慶．博士，主任醫師．研究方向：神經外科． E?mail：doctor_huang＠163．com