3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用探討

葉成坤 于如同

【摘要】腦科疾病是未來影響人類生活質(zhì)量的重要因素。即便目前的影像技術(shù)快速發(fā)展，對于一般的學(xué)生來說，認知腦部結(jié)構(gòu)仍然有一定的困難。利用3D打印技術(shù)，可以將影像學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印數(shù)據(jù)，從而制備復(fù)雜的大腦疾病模型，使學(xué)生活躍思維，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意愿，有助于學(xué)生對神經(jīng)外科疾病的理解和記憶。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)學(xué)院校；腦科疾病；神經(jīng)外科；3D打印技術(shù)

【基金項目】2018年江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃（脂質(zhì)-聚合物負載GOLPH3-siRNA和吉非替尼靶向治療腦膠質(zhì)瘤的研究，KYCX18_2197）。

腦解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能精細，病變種類繁多，給醫(yī)學(xué)教學(xué)帶來很大困難。大腦是人體最復(fù)雜精密的解剖結(jié)構(gòu)，尤其是形態(tài)極其不規(guī)則的顱底骨質(zhì)和其上的腦組織、血管、顱神經(jīng)等，再加上眾多的神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤和血管畸形等病變，使復(fù)雜而狹小的顱腔內(nèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的變化，一般的影像學(xué)很難直觀地呈現(xiàn)顱內(nèi)病變的結(jié)構(gòu)。顱內(nèi)血管更是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血管病變千變?nèi)f化，即使是具備豐富的臨床經(jīng)驗與解剖知識的醫(yī)生，擁有嫻熟的神經(jīng)介入操作技術(shù)和高度清晰的影像設(shè)備，在處理顱底血管病變時也面臨著巨大挑戰(zhàn)和困惑。認知和理解這些病變的解剖關(guān)系對神經(jīng)外科教學(xué)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

3D打印（3D Printing）技術(shù)目前正在國內(nèi)外掀起新一輪研究熱潮。利用3D打印技術(shù)，可以將影像學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印數(shù)據(jù)，從而制備復(fù)雜的顱底腫瘤和血管模型，利用這些模型，有助于促進神經(jīng)外科日常教學(xué)等。面對神經(jīng)外科教學(xué)，我們采取以神經(jīng)解剖學(xué)和神經(jīng)影像為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體的講授法，將3D打印模型實踐觀摩與臨床實踐教學(xué)法相結(jié)合的多元化教學(xué)方式，獲得較好的效果。現(xiàn)將3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用探討如下。

一、3D打印技術(shù)簡介及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)，又稱“增材制造”（Additive Manufacturing）技術(shù)。該項技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。目前，應(yīng)用較多的3D打印技術(shù)主要包括熔融沉積制造（FDM）、光固化立體印刷（SLA）、選擇性激光燒結(jié)/熔化（SLS/SLM）和三維噴印（3DP）等。2012年出版的《福布斯》雜志指出，3D打印技術(shù)已涵蓋了納米醫(yī)學(xué)、制藥甚至器官打印等醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究。未來或許能夠依賴3D打印技術(shù)實現(xiàn)個性化醫(yī)療，減少甚至消除器官捐獻短缺的問題。3D打印在醫(yī)學(xué)上的最直接應(yīng)用，就是打印出各式各樣的器官或組織的3D模型。借助這些模型，能將器官或組織內(nèi)部構(gòu)造的細節(jié)逼真地顯示出來，將使醫(yī)學(xué)知識變得更為直觀明了。

二、神經(jīng)外科教學(xué)的現(xiàn)狀和問題

神經(jīng)外科教學(xué)的現(xiàn)狀和問題主要有以下幾點。

第一，神經(jīng)外科知識理解困難。與其他臨床學(xué)科比較，神經(jīng)外科的結(jié)構(gòu)概念抽象，專科性非常強，學(xué)生不易理解。主要因為神經(jīng)外科學(xué)以神經(jīng)解剖、神經(jīng)生理、病理等為基礎(chǔ)，而神經(jīng)解剖、神經(jīng)生理的相關(guān)內(nèi)容復(fù)雜抽象，神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床病例復(fù)雜多變，再加上學(xué)生未能接觸臨床，所以學(xué)生普遍對所學(xué)內(nèi)容常感到難懂、難記、難掌握。

第二，神經(jīng)外科教學(xué)任務(wù)重。由于神經(jīng)外科學(xué)在外科教學(xué)中是非主干課程，課時安排少，但神經(jīng)外科教學(xué)的內(nèi)容廣，名詞術(shù)語多，知識點分散，如何在較少的時間內(nèi)讓學(xué)生接受所需要掌握的知識是一項挑戰(zhàn)。

第三，學(xué)生遺忘多。神經(jīng)外科疾病是建立在相應(yīng)的解剖基礎(chǔ)之上的，神經(jīng)解剖學(xué)得好壞直接影響到神經(jīng)外科教學(xué)的質(zhì)量和效果。而神經(jīng)解剖、神經(jīng)外科理論教學(xué)與臨床實習(xí)間隔時間長，學(xué)生知識遺忘多，影響了學(xué)習(xí)效果，加重了教師的負擔(dān)。

三、教學(xué)病例展示

（一）顱內(nèi)動脈瘤

顱內(nèi)動脈瘤是指腦動脈內(nèi)腔的局限性異常擴大造成動脈壁的一種瘤狀突出。顱內(nèi)動脈瘤多因腦動脈管壁局部的先天性缺陷和腔內(nèi)壓力增高而引起囊性膨出，是造成蛛網(wǎng)膜下腔出血的首位病因。動脈瘤手術(shù)對神經(jīng)外科醫(yī)師的技能要求和對解剖的掌握要求非常高，手術(shù)前的培訓(xùn)和手術(shù)模擬訓(xùn)練對動脈瘤的手術(shù)醫(yī)師至關(guān)重要。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為動脈瘤手術(shù)醫(yī)師提供了必要的訓(xùn)練模型。利用3D打印技術(shù)可以將動脈瘤逼真、精確地復(fù)制出來，為神經(jīng)外科醫(yī)生在術(shù)前提供理想的可視化模型，從而進行手術(shù)計劃、模擬和訓(xùn)練。利用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯作為原材料，根據(jù)頭顱CTA掃描出的數(shù)據(jù)，打印出中空的有彈性的動脈瘤模型，然后在術(shù)前用這些模型進行手術(shù)計劃、演練以及教學(xué)，達到了術(shù)前評估、增加手術(shù)熟練程度的效果。利用聚乳酸和MakerBot彈性材料將DSA的影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印數(shù)據(jù)，從而打印出精確的動脈瘤模型，這種可視化的逼真的動脈瘤模型，為神經(jīng)外科醫(yī)師進行術(shù)前評估和手術(shù)計劃提供了極大的便利。這種通過3D打印技術(shù)制造出的逼真的、精確的動脈瘤模型，為神經(jīng)外科醫(yī)師進行教學(xué)、模擬和訓(xùn)練提供了非常有用且低廉的工具。

（二）顱底腫瘤

顱底腫瘤因解剖位置深在，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聚集了許多重要的血管、神經(jīng)，因此顱底腫瘤手術(shù)難度較大，并發(fā)癥較多，術(shù)前準(zhǔn)確地評估腫瘤、顱底骨質(zhì)和血管神經(jīng)的情況以及相互關(guān)系，制定詳細而準(zhǔn)確的術(shù)前計劃，是手術(shù)成功的基礎(chǔ)之一。傳統(tǒng)的CT、MRI、MRA及MRV等影像，是顱底外科術(shù)前常規(guī)的檢查項目。CT有利于顯示顱底骨質(zhì)結(jié)構(gòu)；MRI平掃可顯示腦組織、腦室等結(jié)構(gòu)，強化后可清楚顯示腫瘤及部分神經(jīng)血管；MRA顯示動脈血管，MRV顯示靜脈血管。各種方式的成像技術(shù)均有其特性、優(yōu)勢和適用范圍。運用多影像融合技術(shù)綜合這些影像信息，利用3D打印技術(shù)將腫瘤及其周邊重要結(jié)果打印處理，可以立體呈現(xiàn)病變的局部解剖關(guān)系，設(shè)計個性化手術(shù)入路，指導(dǎo)教學(xué)和術(shù)前計劃。

（三）寰枕畸形

寰枕畸形是以枕骨大孔區(qū)、寰椎、樞椎骨質(zhì)發(fā)育異常并伴有神經(jīng)系統(tǒng)以及其附近軟組織發(fā)育異常的一種先天性畸形疾病，包括扁平顱底、顱底凹陷、寰椎枕化、寰樞脫位、小腦扁桃下疝畸形（Arnold-Chiari's畸形）以及脊髓空洞等。以上幾種畸形可單獨或同時發(fā)生。臨床癥狀和畸形的程度表現(xiàn)不一致，多數(shù)為青壯年，病情緩慢，進行性加重。癥狀以延髓及高位頸髓受壓而致的錐體束和顱頸神經(jīng)根受壓出現(xiàn)的肢體運動障礙、肢體癱瘓、感覺障礙甚至大小便失禁為主。此外，可并發(fā)頸、胸段脊髓空洞及相應(yīng)的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。

（四）內(nèi)鏡教學(xué)標(biāo)本制備

內(nèi)鏡神經(jīng)外科是微創(chuàng)神經(jīng)外科的重要方向之一。由于捐獻的標(biāo)本常常已脫水干枯，且有鞍區(qū)或者腦室系統(tǒng)疾病的尸體非常稀缺，內(nèi)鏡的訓(xùn)練常常不是十分便利和令人滿意。目前可利用病人的CT和MRI影像資料轉(zhuǎn)換成3D打印信息，采用不同的材質(zhì)，利用3D打印技術(shù)，分別打印出質(zhì)地和正常人的皮膚、頭骨、硬膜比較相近的模型，再將鞍區(qū)及腦室系統(tǒng)病變，從而為神經(jīng)內(nèi)鏡的訓(xùn)練提供了理想的模型。通過3D打印技術(shù)制造出的包括鼻腔、鼻旁竇、蝶竇以及蝶鞍內(nèi)垂體的顱骨模型，可以為經(jīng)鼻蝶內(nèi)鏡手術(shù)提供非常理想的模擬工具，其精確程度非常接近原始的解剖結(jié)構(gòu)。

近年來，3D生物打印機發(fā)展日新月異，它是一種能夠在數(shù)字三維模型驅(qū)動下，按照增材制造原理定位裝配生物材料或細胞單元，制造醫(yī)療器械、組織工程支架和組織器官等制品的裝備。腦移植技術(shù)一直以來都是科學(xué)家的一種夢想，隨著未來“生物打印機”的問世，這些問題的解決有了新的技術(shù)手段。隨著時代的發(fā)展，醫(yī)學(xué)知識的更新速度越來越快，學(xué)生對教師和教學(xué)的要求也越來越高，多元化教學(xué)方式也越來越受到老師們的關(guān)注。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得神經(jīng)外科教學(xué)與新技術(shù)的結(jié)合成為時代的要求。3D打印技術(shù)的應(yīng)用為神經(jīng)外科多元化教學(xué)法注入了新的內(nèi)容，將3D打印的創(chuàng)意設(shè)計等納入神經(jīng)外科教育教學(xué)中，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才，形成良性的神經(jīng)外科教學(xué)氛圍。

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