3D打印在神经外科中的临床应用现状与展望

 

        3D打印技术的出现，给医疗领域带来了巨大的变革。在国外，3D打印技术得到广泛的应用。在国内，3D打印技术也在神经外科领域掀起了一股发展热潮，许多医疗机构先后将其应用于脑血管疾病、脊柱脊髓疾病、颅内各部位肿瘤、神经功能性疾病的治疗指导及医患沟通、临床教学活动中。现就3D打印技术在神经外科中的研究现状、成果进行综述。

 

        1. 3D打印技术简介及临床应用过程

 

        1.1 3D打印定义及技术分类　

 

        3D打印又称为原型制造，其是一种以数字模拟文件为基础，运用粉末或塑料等可黏合的材料，通过逐层打印的方式来构造物体的一种技术。目前应用较多的3D打印技术主要包括以下几类，如光固化立体印刷（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、选择性激光烧结（SLS）及三维喷印（3DP）等。在医学领域中的应用主要包括制造医疗产品、样机设备、解剖模型、可植入人体的植入物或用于生物组织的支架等，目前应用最广的是解剖模型的打印。

 

        1.2 3D 打印技术临床应用的操作过程

 

        1.2.1　获取影像资料　

 

        目前，CT、MRI及DSA在各医院均广泛普及，主要设备生产厂商包括美国通用电气（GE）公司、德国西门子公司（SIEMENS AGFWB）、荷兰飞利浦公司（PHILIPS）等，将所需病例的CT、MRI、DSA扫描原始数据以DICOM 格式输出。

 

        1.2.2　制作3D计算机图像　

 

        将DICOM 数据资料输入各种3D 模型制作软件，大多数医疗机构采用Mimics research软件（比利时Materialise公司）制作3D模型，可信度较高，但购买软件费用高，也可选择3D－Slicer软件进行建模，这是一个免费软件。黑龙江鹤岗市人民医院曹玉福教授建立的3D－Slicer社区，为医务人员学习该软件提供了便利。但该软件因未通过美国FDA认证，部分学者不主张临床应用，但作者认为只要可以建立准确的计算机模型都是可行的。少部分医疗机构也自行设计软件，如湘雅医院选用自行设计的三维设计软件系统，即E－3D系统，直接将CT／MR数据制作为3D模型，更加方便快捷，目前也在全国推广中。

 

        1.2.3　打印3D模型　

 

        将计算机设计的3D模型进行准确度评估后导入3D打印机，3D打印机种类多，价格差异大。部分医疗机构购买3D打印机在医院内部打印模型，如许多医院成立专门的3D 打印研究所。部分医疗机构则将数据传送给专门的3D打印公司来制作模型。

 

        1.2.4　临床应用　

 

        再次评估模型的准确度，根据不同目的分别应用于临床教学、医患沟通、手术方式选择及模拟手术过程等。

 

        2.3D打印在神经外科的应用现状

 

        2.1 3D打印在临床教学活动及医生培养中的应用

 

        住院医师规范化培训是毕业后医学教育的重要组成部分，其目的是培养具有良好医德、扎实医学理论知识和规范临床技能，能独立诊治本专业常见疾病、多发疾病的临床医生。神经外科疾病具有独特性、复杂性、立体性、精准性等特点，需要良好的空间想象能力及不断进行解剖结构的强化学习。但在住院医师规范化培训中，神经外科轮转时间短，神经外科专业理论知识可以经过反复专业书本学习得到提升，但在如此短的时间内几乎不可能建立起神经系统三维解剖的认识。

 

        解剖学是每个医学生必修课程，包括理论课程学习及实验解剖操作，然而在解剖实验课程中，由于神经外科的专科性及解剖仪器的高要求，许多高校只注重于呼吸、消化、泌尿及运动等系统的解剖学习，神经系统少有涉及，医学生阶段几乎没有亲自解剖神经系统的机会，所以造成了在神经外科学习中空间三维认识欠缺、影像学认识混乱、影像学表现不能与术中解剖相联系等一系列问题。但3D打印技术的出现为解决这一问题提供了新的思路及方法，选择典型病例，运用3D打印技术打印颅内肿瘤、动脉瘤、血管畸形、脊柱脊髓疾病的模型，直观地呈现在培训学员面前，提高其学习的积极性。同时巩固其解剖基础知识，不仅可以帮助他们学习疾病解剖、制定手术方案、掌握手术并发症，还可以促进他们学习影像知识，帮助他们阅读CT、MRI及DSA片。

 

        例如滨州医学院附属医院神经外科李珍珠等教授便利用3D打印技术构建动脉瘤模型，并通过研究发现其能提高临床医学生对动脉瘤的理解，已证实其可以在临床教学中推广应用。在脊柱外科方面，部分学者运用3D 打印模型对青年医生的手术技巧进行训练，让青年医生亲手操作并分析得与失，发现大多数青年医生在接受新的方法培训后，能够在较短时间内精通脊柱全长的椎弓根螺钉置入技巧。最终证实3D 打印技术运用于脊柱外科手术训练是切实可行的，且是一种效果明显的训练方法。

 

        2.2 3D打印在脊柱脊髓疾病中的应用　

 

        脊柱脊髓疾病的手术治疗，在术前需详细掌握解剖结构，术中需选择合适规格的内固定螺钉并正确选择进钉点。仅通过常规影像对寰枢椎骨折、肿瘤生长破坏正常解剖结构、脊柱复杂畸形等病例进行术前评估仍面临巨大挑战。但3D打印技术可以完美、逼真地再现骨折椎体、肿瘤及与周围邻近血管神经解剖的联系，方便术者制定手术方案，选择合适的内固定螺钉，并且可预演手术方案，从而避免对重要血管、神经功能的损伤。

 

        目前，3D打印技术已应用于脊柱脊髓疾病治疗中，包括神经外科或骨科的脊柱病区。有研究结果表明，3D打印技术在脊柱矫形方面可以显著缩短手术时间，减少出血量，提高侧凸、后凸矫正效果及提高椎弓根螺钉准确率，同时减少并发症。在前路寰枢椎侧方关节螺钉和齿状突螺钉内固定术中，由于颈部解剖结构复杂，周围有丰富的神经、血管等软组织结构，手术风险高，对置钉准确度要求更高，但应用3D打印技术可以很好地指导手术的演练。

 

        2.3 3D打印技术在颅内肿瘤中的应用　

 

        颅底解剖结构复杂，因位置深、颅底骨质凹凸不平、有许多孔裂管道，其内有重要血管神经穿行，颅底占位性病变又将正常颅内结构推压、破坏，使原本复杂的结构更加难以辨认，所以颅底肿瘤是目前神经外科领域的一大难题。大脑镰旁肿瘤十分常见，特别是脑膜瘤，常是此部位的好发肿瘤之一，其生长缓慢，发现时常常十分巨大，与矢状窦紧密粘连，术中操作难度大，可能因破坏静脉窦并发大出血危及患者生命，如何最大限度地精准切除肿瘤的同时减少并发症是术者需要慎重思考的问题。

 

        3D打印技术可以在术前详细评估肿瘤部位、解剖关系，全面评估术中可能出现的突发情况，预演手术过程，在手术过程中做到心中有数。目前，许多医院已开展这方面的研究，如南方医科大学术中借助3D模型指导肿瘤切除术，发现除1例表皮样囊肿囊壁次全切除、1例脑膜瘤次全切除外，余6例颅底肿瘤均全切除，未出现严重并发症及死亡病例。证实了3D打印颅底疾病模型在技术上可行，同时能够有效辅助复杂颅底疾病手术方案的制定及模拟手术，提高手术效率和安全性。

 

        福建省立医院神经外科则选取大脑镰旁脑膜瘤采用3D打印技术制作出大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型，解剖模型可以清晰显示肿瘤与颅骨、大脑镰、上下矢状窦及周边血管的关系。手术医生利用该模型制定出完善的手术预案，术中根据大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型指导手术定位与实施，避开重要血管，达到Simpson I级切除，且患者术后无明显脑水肿、血肿及神经功能障碍，手术成功。这些研究都表明3D打印技术在颅内复杂肿瘤切除手术方面应用价值较高。

 

        2.4 3D打印在脑血管疾病中的应用　

 

        颅内动脉瘤破裂导致的脑出血是神经外科常见的危急重症之一，且死亡率高。开颅动脉瘤夹闭术、包裹术或血管内治疗是动脉瘤治疗的途径，合理选择手术方式是改善动脉瘤治疗效果的关键，虽然目前手术技术十分成熟，但是颅底动脉分支较多，加上有变异的交通支存在，复杂脑动脉瘤的手术治疗对神经外科医生仍是巨大的挑战。3D打印可以打印出逼真的、精确的、可视化的模型，能全面、直观地显示脑动脉瘤及其与毗邻血管、颅骨的空间解剖结构关系，术前模拟手术，可以更好地规避手术风险，缩短手术时间，减少术后并发症的发生。

 

        脑血管畸形治疗可采用AVM整块切除术，供血动脉结扎术、血管内栓塞术或γ刀等治疗。将3D打印技术应用于脑血管畸形的介入栓塞治疗，可以让医生真实、全面地了解畸形团结构，对畸形团病灶的供血动脉、畸形团、引流静脉进行详细、立体地观察，为临床医生选择哪条路径血管进行栓塞，应用何种栓塞材料提供帮助，从而提高栓塞质量。

 

        2.5 3D打印技术在医患沟通中的应用　

 

        随着人民物质生活水平的提高，人民对医疗的要求也随之提升。我国目前医患矛盾越来越尖锐，其中，神经外科是其中的重灾区之一。其原因在于神经外科病种复杂、病情进展快、治疗费用高，一旦出现不良医疗事件，常常导致患者死亡或遗留各种神经功能障碍等严重后果，特别容易发生医疗纠纷。但从医患矛盾与冲突的现状分析，大多数医患纠纷并不是由于医疗技术不够及医疗质量低而引起的，更多的是由于医患双方认知的偏差、患方对医疗结果的不合理期望、医患双方沟通不足而导致。

 

        3D模型可以为患者家属提供直接、真实的病灶情况，提升患者及家属对病情的理解程度。作者应用3D打印技术治疗儿童颈内动脉床突段创伤性动脉瘤1例，指导术前沟通，能使患者家属对手术方式的选择及手术风险更加理解。国外的研究机构也证实，3D打印模型有利于医生向患者及家属沟通及解释病情。

 

        3.3D打印技术面临的挑战及展望

 

        3.1　打印中空器官尚存在难度　

 

        3D打印技术打印中空器官尚存在难度，所以在脑血管疾病的应用中，不能反映血管内部的真实情况，如是否有钙化、斑块及血栓等。动脉瘤的夹闭及介入栓塞不仅需要了解动脉瘤的位置、形状、周围关系，同样需要了解血管壁厚度及特性，如弹性、硬度等。3D打印技术需影像重建计算机图像，但WURM等发现血管直径小于0.4mm不能重建，所以导致打印精细化程度低，但目前3D打印尚处于起步阶段，随着科学技术的发展进步，这些问题都有望被解决，3D打印技术模型会越来越精细化。

 

        3.2　价格昂贵且需要专业人员　

 

        3D打印技术的实施需要专门的软件及专业人员，3D打印机普遍价格昂贵，打印材料也是价格不菲。有国外的研究报道，制造1个动脉瘤模型需花费300～400美元。同时培训专业的技术人员给医疗机构增加额外经济负担。目前，国内许多研究取得的喜人成果均是申请省市重大专项项目，获得专门研究基金才得以实现的。

 

        但随着3D打印技术的普及及发展的成熟，制作成本会降低，同时也有许多降低制作成本的方法，如Mimics research软件价格昂贵可以选择3D－Slicer软件，打印机价格高昂，对于普通模型的打印也可选择价格低廉的打印机，如作者采用普通3D 打印机（极光尔沃在－603S），也同样实现了3D打印技术的临床应用。3D模型的重建及打印还可以与专门3D打印公司合作进行开展，如作者单位部分科室便选择此种模式，不仅可以减少设备的投入、专业人员的培养，而且由于3D打印公司的专业性，还可以提高打印的准确性。

 

        因为3D打印技术在临床中的应用尚在起步阶段，医疗机构如何收费也无规范机制，同时未纳入医疗保险（医保）范畴，例如作者医院就仅停留在研究阶段，所有打印均处于免费阶段，医院管理者开展意愿不强烈。在医保不能报销的情况下，增加额外的费用，患者及家属也不能接受。但是2015年，3D打印技术被纳入我国先进技术发展项目，政府相关部门也在为此做出努力，并且将通过法律法规建设等相关措施规范、引导、推动3D打印技术在医疗卫生领域中的应用。随着先进技术的广泛应用，3D打印技术必然会形成一套规范收费体制，同时也将和普通影像学检查一样纳入医保范畴，最终得到医院管理者及患者的支持。

 

        3.3　耗时较长　

 

        3D打印技术处理耗时，3D打印机打印1个模具一般需要5h以上，部分模具打印甚至超过24h，拷贝数据资料、建立计算机模型又增加额外耗时，对于急诊手术实用性较差。使用者在建立计算机模型时可以尽可能地去除不需要的部分，不仅缩短打印时间，还节约耗材。作者打印动脉瘤模型时仅打印载瘤动脉近端及动脉瘤部分，打印时间基本控制在1h以内，随着操作的熟练，时间还可以进一步缩短，例如滨州医学院技术熟练后，打印的脑出血模型在急诊手术中也实现了运用。

 

        综上所述，3D打印技术凭借其独特的优越性，不仅在神经外科各领域得到推广应用，今后在医学领域其他方面的应用也将被推向更高的层面。