3D打印技术在脑血管疾病临床教学中的应用

黄 庆，王 刚，张洪兵 （首都医科大学附属北京潞河医院神经外科，北京101149）

·医学教育·

3D打印技术在脑血管疾病临床教学中的应用

黄 庆，王 刚，张洪兵 （首都医科大学附属北京潞河医院神经外科，北京101149）

目的：探讨3D打印技术在脑血管疾病临床教学中的应用效果．方法：本研究运用3D打印技术制作三维立体脑血管疾病模型，应用到神经外科医师的临床教学中．结果：通过3D打印技术制作的脑血管三维立体模型有助于神经外科医师在相对较短时间内理解复杂脑血管疾病的解剖特点，并且借助该模型，年轻的神经外科医师可以在相对安全可控的操作环境中，全方位观摩学习复杂颅内动脉瘤等脑血管疾病的解剖模型，从而对颅脑手术方案及相关手术技巧有所理解，对精准手术起到一定的辅助作用．结论：3D打印技术有助于提高神经外科医师对复杂脑血管疾病的理解和认识，在神经外科脑血管疾病的临床教学中具有良好的应用前景．

3D打印技术；脑血管疾病；教学

0 引言

3D打印技术起步于20世纪90年代，是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用热熔喷嘴、激光束等方式将可粘合材料如塑料、金属粉末等逐层堆积粘结，叠加成型，最终制造出模拟实体产品的技术［1－2］．目前3D打印技术在临床教学方面主要应用于骨科、口腔等学科［2－3］，在神经外科尤其是脑血管疾病方面的临床教学应用较少．

颅内血管走行迂曲复杂，颅底动脉分支较多，加上有变异的交通支存在，使其很难被年轻的神经外科医师理解，而这些地方又是脑血管疾病的好发区域．对动脉瘤、血管畸形等脑血管手术操作的培训相对困难，年轻的神经外科医师很少有机会独立开展脑动脉瘤、动静脉畸形等脑血管疾病的手术，因为这些疾病无论是通过血管内介入治疗还是手术夹闭治疗，病变大多较为复杂，需要具备经过长期训练养成的较高手术技能［4－7］；通过传统的平面解剖图谱、普通的模型标本教学，年轻医师难以在短时间内掌握复杂的脑血管解剖结构，即使是通过手术观摩，由于视角问题也不能很好地看清一些细微结构［8］．如果用3D打印机1∶1地打印出血管、神经、脑组织等细微结构，全方位展现在年轻医师面前进行观察学习，并模拟相应的手术入路，可以大大提高学习效率．

1 方法

1.1 临床教学病例的选择和设计临床教学病例的选择要充分体现颅内动脉瘤、脑动静脉畸形等疾病特点，应选取脑血管疾病中的常见病、多发病．脑血管疾病具有自身的特点，颅内血管走行多迂曲复杂，颅底动脉分支较多，经常会有变异的交通支存在，而这些地方通常又是脑血管疾病的好发区域．病例要具有开放性、前沿性、真实性和完整性，通过大家查阅中英文文献等资料，共同讨论病变解剖结构来拓临床思维，从而了解脑血管疾病方面的最前沿的新技术、新医疗，达到临床教学的目的．颅内动脉瘤、动静脉畸形和动静脉瘘为脑血管疾病中的三大主要疾病，选取病例时针对这些疾病的特点，选取相应的典型病例进行有的放矢的教学，通过将3D打印的血管模型与真实血管及其周围组织关系进行比对，了解颈内动脉颅内段的走形，颈内动脉与视神经的比邻关系，前交通动脉与视交叉的位置关系，眼动脉与后交通动脉在颈内动脉上发出的位置和方向，了解颅内动脉瘤的好发位置以及与载瘤动脉的关系如夹角、动脉瘤顶端的朝向等，了解脑血管畸形的供血动脉与引流静脉的位置关系、分布情况等．

1．2 3D打印脑血管疾病模型的制作选取首都医科大学附属北京潞河医院神经外科收治的典型脑血管疾病病例，以颅内动脉瘤为例来介绍脑血管疾病模型的制备过程：①获取颅内动脉瘤病例的薄层CT扫描数据并进行三维重建；②对重建图像进行二维预处理和三维预处理；③采用移动立方体法建立三维模型；④在建立的三维模型基础上应用3D打印制造出1∶1等大的、高度仿真的患者颅内动脉瘤实体模型［2］（图1）．

图1 3D打印动脉瘤模型的制作

1．3 3D打印脑血管疾病模型在脑血管疾病临床教学中的应用方法根据临床教学的安排，神经外科医师的培训每周进行1～2次，每次4个学时．由主治以上的授课教师每次选取1～2例典型的临床病例作为教学病例，要求病例包含完整的临床和影像学资料．课前一周布置好任务，要求年轻的神经外科医师要对所学病例相关知识进行预习，对典型病例患者要自行到床旁进行问诊查体等，课前要查阅一些相关的文献资料．授课教师首先以幻灯形式介绍典型病例的病史以及X线、CT、MRI等影像学资料，引导年轻的神经外科医生进行分析，探讨相应的解剖结构及手术入路，通过激烈的讨论得出相应的诊疗意见和对应的手术方式．然后授课教师展示出事先打印好的3D脑血管疾病模型让大家进行全方位的观察、比照，进一步了解动脉瘤、动静脉畸形等病变的形态、位置以及相邻颅内血管和结构的立体解剖结构，之后引导大家进行讨论，纠正之前的观点思路，必要时可以对其进行模拟预手术入路．最后由授课教师总结病例的重点和难点．除此之外，所学的典型病例进行手术后要保存其手术录像以供大家比对学习．

2 结果

在临床教学过程中发现，初级神经外科医师对脑血管疾病的诊治原则和手术方式的概念掌握较好，但是既往学习的是正常脑血管结构的解剖，缺乏对病变血管结构感性的认识，缺乏对病变部位相邻结构的解剖及相应的手术入路的理解和认识．通过在3D打印脑血管疾病模型上进行模型外科教学，可以使神经外科医师很清楚地了解病变结构的特点，还可以结合病变情况，向其讲解疾病发生的原因与原理．在此基础上，授课教师再进行手术方法的讲解，使年轻的神经外科医师对动脉瘤、动静脉畸形及动静脉瘘等疾病的立体解剖有更深的理解．通过模拟手术入路操作，神经外科医师对脑血管疾病的手术操作更容易理解，普遍反映教学效果良好．以往难以掌握的复杂血管结构、动脉瘤和动静脉畸形等知识点，通过该教学方法能够相对快的熟识并加以应用，在一定程度上提高了教学效率和效果．

3 讨论

3D打印技术是一种快速成型技术，它综合了数字建模、机电控制、信息技术、化学与材料科学等多方面的技术［9－11］．目前，得益于3D打印材料的独特性，3D打印技术初步应用在医学教育领域，率先在骨科、口腔科的临床教学中广泛应用［2－3，12－13］．由于脑血管疾病本身具有病变复杂的特点，3D打印技术在神经外科尤其是脑血管疾病方面的临床教学应用较少．

目前针对脑血管疾病多数沿用授课式、多媒体教学，只能通过语言讲解，单纯从二维平面空间进行教学，所以复杂脑血管疾病病例教学时难度较大，无法使学生形成空间立体效果，对于空间想象能力差的学生接受起来更加困难．对于动脉瘤手术来说，术前能够对其在显微外科术中的解剖关系进行全方位立体学习并且模拟手术入路尤为重要；对AVM而言，由于本身结构复杂，以往医师对疾病的了解仅限于对二维图片的解读，由于血管、神经间的重叠无法分辨其原本真实的空间结构，如果可以在术前帮助了解畸形团内结构，就可以很好地指导治疗策略的制定［11］；3D打印技术可将患者的病变血管三维结构以及与周围的比邻关系直观地展示出来，这有利于神经外科医师的直观教学，从而达到事半功倍的效果．3D打印实体模型与真实动脉瘤结构形态一致，可以增强术者对动脉瘤形态结构学的理解，并且可以据此选择合适的动脉瘤夹，以及动脉瘤夹的放置角度和位置等．借助该模型，年轻的神经外科医师可以在一个安全可控的操作环境全方位观摩复杂颅内动脉瘤的解剖模型，进行术中模拟操作及手术风险评估．这可以增加年轻医师实际操作的机会，使他们在短时间内获取复杂的手术技能，并且能够以此建立客观的手术技能培训和考核系统，使动脉瘤手术技术的培训规范化和流程化［14］．

与传统的教学模式相比较，3D打印模型具有以下特点：①使学生更加直观地理解颅内血管病变及供血动脉、引流静脉等的解剖部位，更明确地反映其三维空间关系及与周围的比邻关系；②3D打印实体模型可以提供多视角观察的三维结构，实体感强，并且可反复进行模型模拟外科操作；③3D打印可以根据授课的要求，制造出比例大小、特定剖面的模型，从而满足上课需要．④通过3D打印模型的演示缩短了学习过程，激发了学习的积极性，提高了学习效率，可使年轻神经外科医师参与实际手术的设计，能够提高神经外科医师对脑血管知识的理解．此外，3D打印不受场地和环境限制，还能实现远程制造［1］．

3D打印技术也存在一些不足之处：①无法完全再现完整的脑组织结构，较为精细的小穿支血管及神经目前无法打印．②脑膜、蛛网膜等菲薄的脑组织结构仍无法通过3D打印实现［15］．③3D模型制作的经济、时间成本高．相信随着打印技术的普及和成熟，医学模型制作成本将会降低，花费时间将会减少，且医学成像技术的改进也会使得医学模型制作工艺更加精细化．可以预期3D打印技术在脑血管病的诊治方面还有更大的发挥空间［16］．

将3D打印引入脑血管疾病教学中，不仅弥补了传统教学的一些不足之处，而且有效地提高了神经外科医师学习神经外科知识的兴趣，激发学习积极性和主动性，提高了神经外科医师的逻辑思维能力和分析解决问题的能力，值得进行推广应用．

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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

北京市通州区科技计划项目（KJ2016－CX037）

黄 庆．博士，主任医师．研究方向：神经外科． E⁃mail：doctor_huang＠163．com