3D打印技術在神經外科中的應用現狀

樊繼軍 馬彥（通訊作者） 席學禮 夏陽 陳磊 謝丙豪 姬明

（寧夏石嘴山市第一人民醫院神經外科 寧夏 石嘴山 753200）

3D打印技術，又稱增材制造或增量制造技術[1]，是利用離散堆積的方法，將粉末塑料、金屬等材料按照數據模型快速、準確地加工成實物[2]。3D打印技術顯示出的巨大優勢和發展潛力使其在制造業、航空航天等領域的應用愈加廣泛，在醫學領域的應用也具有非常廣闊的前景和極大的現實意義，其高效率、高保真、個體化等特點給醫學發展帶來全新的理念和變革。筆者通過閱讀文獻，結合自身工作經驗，現將3D打印技術在神經外科中的應用和不足綜述如下。

1.3D打印的程序

隨著醫學影像技術的發展，屏住數秒呼吸即可獲得高分辨率和對比度的醫學影像資料，獲得可靠的數據資料是準確進行三維建模的先決條件。CT、MRI和正電子發射斷層顯像(PET)等醫學影像手段均可作為獲取數據資料的方法。所采集的影像學數據經薄層掃描并儲存為DICOM格式后導入分析軟件，經3D切分和可視化處理最終輸出至3D打印設備。

2.3D打印在神經外科中的應用

精準治療是當今醫學發展的目標和方向。由于神經系統結構的復雜性和不可修復性，這就要求我們在診治前盡可能多的掌握病變信息。CT或者MRI的二維、三維圖像，已經遠遠不能滿足需要了。3D打印技術將病變建模后，應用于診治過程中將有效提高手術的精確度，降低風險。

2.1 3D打印在神經外科解剖教學中的應用

神經外科醫師成長周期長，神經解剖是最基礎、最重要的學習內容之一。傳統神經解剖教學僅限于課堂教授、解剖圖譜學習、大體標本解剖等方式，難以精確還原神經系統三維結構和解剖位置關系。與之相比，3D打印解剖教具除了能夠準確反映神經系統解剖結構外，更有利于空間記憶和理解，同時解決了人體標本使用過程中潛在的倫理學問題。由于其在教學中的可行性和優勢，3D打印模型得到普遍認可，并應用于顱底、眶周、腦室等復雜解剖結構的教學研究中。

2.2 3D打印技術應用于手術技能的模擬

神經系統結構的復雜性決定了神經外科手術具有較大的風險性，年輕醫師上手機會少，使得手術相關的各種操作、術式及入路很難熟練掌握，極大地限制了新人的成長。怎樣安全、有效的解決此問題呢？3D打印技術進入了人們的視野。目前專科醫師可通過3D打印模型模擬經鼻蝶垂體瘤手術、動脈瘤夾閉手術、腦膜瘤切除手術等操作訓練，從而達到減少學習曲線、提高學習效率、降低手術風險的目的。

2.3 創建個性化顱骨病損模型，實現可視化手術規劃

外傷（特別是復雜的顱骨骨折）、腫瘤等原因所造成的顱骨損傷均表現有不同的特點，因此在治療過程中需要制定個體化的治療方案，但是由于損傷部位的毗鄰關系和損傷程度不同，使得個體化治療方案的制定有著較大的難度。3D打印精準成型、復雜成型、個性化造模的特點恰好解決了這一難題。樊繼軍等[3]使用脂肪族聚醋聚塑料材料對外傷性顱骨粉碎凹陷骨折進行3D打印，術中發現骨折情況與打印的模型完全符合。因為術前對模型的研習，極大提高了手術效率。精準的術前策劃是手術成功的關鍵，尤其面對風險較大的手術，或是新開展的手術，抑或診斷尚不十分清晰的手術，術前策劃尤為重要。在3D打印顱骨模型上反復模擬手術方案，大大降低了手術風險、手術損傷和各種并發癥的發生。所以模型實現了手術前對病損顱骨的可視化，降低了對醫生經驗水平的依賴，真正做到“量體裁衣，度身定制”。

2.4 顱骨的精準修復

目前常用的顱骨修補材料有軟金屬、生物陶瓷、高分子聚合物和組織工程骨等，這些材料各有優缺點，在使用過程中也暴露出一些問題。其中，3D打印金屬鈦網用于修補缺損顱骨在2013年得到FDA許可，金屬鈦網具有可塑性高、快速成型等特點，用于顱骨修復手術不僅明顯縮短了手術暴露時間，降低了出血和感染的風險，而且數字化成型和輕量化設計使得修補材料與骨窗貼合更理想、更美觀，同時滿足患者對功能和美學的要求。但是缺點是價格高，普及率低。

2.5 指導顱內腫瘤切除

顱腦解剖結構復雜而精細，手術時稍有不慎就可能損傷重要結構導致嚴重后果，尤其是在蝶鞍區、腦干等重要功能區部位。手術治療開展之前，應該明確掌握腫瘤的實際大小、腫瘤位置、腫瘤血管其可及其毗鄰結構，為手術成功開展奠定基礎條件。尤其是顱底腫瘤等復雜病變情況，術前明確上述情況是手術成功開展的基礎。通過3D打印腦腫瘤模型，可為手術入路的選擇提供參考依據，同時可為手術醫師對腫瘤及鄰近組織結構的掌握提供依據，為手術的順利進行奠定基礎。

3.不足

3.1 打印時間成本高

從數據采集到模型打印完成，短則需要數小時，長則數天。打印時間的不確定性對于急診病人，尤其是一些危重病人是非常不利的。如何提高打印效率、降低時間成本也成為該技術在神經醫學領域推廣應用的重要前提。

3.2 打印材料的制約

耗材是影響3D打印無法廣泛應用最關鍵的原因，目前開發的材料主要有水凝膠、塑料、樹脂、磷酸鈣生物陶瓷和金屬等。這些耗材可以滿足建模，但是建模價格較高。未來在生物相容性和生物響應性等耗材的屬性方面研究更加重要，為建立相關法律法規提供科學依據。

3.3 精確度難以把握

原始圖像采集和后期圖像處理技術會對3D打印模型的精準度產生很大的影響，比如小穿支動脈等微小結構的模型難以重建。神經系統腫瘤結構多樣且與周邊組織存在較為復雜的毗鄰關系，因此在一些神經系統腫瘤模型中，細微組織結構很難精確復制。

4.展望

隨著醫學科學的不斷發展，3D打印技術也逐漸普及。美國技術咨詢服務協會Wohlers發布的2012年年度報告指出，3D打印技術已成為生物醫學領域的研究熱點，其所涉及的范圍包括納米醫學、制藥，甚至器官打印等。雖然許多技術尚處于起步階段，且目前存在諸多不足，但是隨著科學技術的發展，這些問題有望被逐步解決。綜上所述，3D打印技術的臨床應用前景廣闊，其可有效促進神經外科的發展進步。