3D打印技术在耳科学的应用

喻唯唯 俞晨杰 ，2，3 高下 ，2，3

1南京医科大学附属鼓楼临床医学院耳鼻咽喉头颈外科（南京210008）

2南京大学医学院附属鼓楼医院耳鼻咽喉头颈外科，江苏省医学重点学科（南京210008）

3南京鼓楼医院耳鼻咽喉研究所（南京210008）

3D打印（Three-Dimensional Printing，3DP）技术又称“添加制造”（Additive Manufacturing）技术，是一种与传统的“减材制造”技术相反，基于三维数字模型，采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺[1]。美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”。3D打印的概念最早提出于20世纪80年代，1994年美国麻省理工学院发明了3D打印技术并申请专利，标志着3D打印技术的正式问世。但是早期的3D打印技术由于打印材料限制、价格高昂、效率低下等原因难以普及应用。随着计算机技术的发展、高效设计软件的开发、新型材料的问世等，3D打印技术以“灵活塑形”、“快速成型”等优势越来越多的被应用于包括生物医学在内的多个领域。本文就3D打印技术在耳科学领域的应用作一综述。

1 3D打印技术应用于医学领域的基本原理

3D打印技术应用于医学领域的基本原理是：利用医学影像学检查例如CT、MRI、PET-CT（Posi⁃tron emission tomography，正电子发射计算机断层显像）以及光学扫描等技术获得全面、清晰的个体信息资料，再通过计算机三维重建软件（如MIMICS，FitMe等）对数据进行转换处理，绘制模型数据，然后将模型数据转化为3D打印机能读的G代码文件，最后导入3D打印机自下而上地完成打印[2-4]。根据3D打印所用材料的状态及成形方法，3D打印技术可以分为熔融沉积成形(Fused Deposition Mod⁃eling,FDM)、光固化立体成形(Stereolithography Ap⁃paratus,SLA)、分层实体制造(Laminated Object Man⁃u facturing,LOM)、电子束选区熔化(Electron Beam Melting，EBM)、激光选区熔化(Selective Laser Sinter⁃ing,SLS)、金属激光熔融沉积(Laser Direct Melting Deposition，LDMD)、电子柬熔丝沉积成形(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF)[5]。

2 3D打印技术在耳科教学与解剖训练方面的应用

2.1 颞骨3D打印模型的教学应用：颞骨是人体中最为复杂、精密的骨性结构之一，属于侧颅底的一部分，不仅有脑神经、颈内动静脉等重要的神经、血管穿行其中，与听觉、平衡觉相关的重要终末器官也暗含在内，且腔隙狭窄、位置较深、容易发生解剖变异。基于上述特点，传统二维图像的教学具有很大局限性，随着3D打印技术的问世及发展，医学教学迎来了“新气象”。Suzuki等[6-8]采用3D打印技术分别制造出了双倍尺寸的颞骨模型和三倍尺寸的内耳模型，清晰的还原了骨迷路、听骨链等结构，把此模型与教学视频相结合，学生们能够更加直观的掌握解剖定位。此外，利用3D打印模型这一媒介，可以实现经典病例及罕见病例的复制还原，突破了标准化颞骨模具无法实现个体化的局限性，将解剖变异带入临床教学，帮助学生们更好地理解。

2.2 颞骨3D打印模型的解剖训练应用：对于耳鼻咽喉科医师，尤其是耳显微外科和侧颅底外科医师，熟练掌握颞骨解剖结构并与CT显像结合形成颞骨重要解剖结构的空间构象概念至关重要。传统的颞骨解剖训练以尸头为主，但是解剖材料（尸头）相当匮乏，价格昂贵，严重制约了颞骨实体解剖训练、影响耳科医师临床技能的提高。有文献报道，绵羊的颞骨可用于人工耳蜗植入术和镫骨切除术的技能训练，但考虑到两者的耳蜗长度、螺旋神经元的平均直径、电刺激等方面都存在差异，绵羊颞骨在解剖训练方面的作用十分有限[9-10]。随着虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的发展，许多国家开发出了基于力反馈技术的计算机虚拟颞骨模型，打破了传统解剖训练的时间、空间、次数限制，且虚拟的手术系统还可以评估操作者的手术水平[11-13]。但VR技术尚不完全具备真实的三维性，仿真度欠佳，操作者不能使用真实的手术器械，无法体会真实的钻磨触感，因而尚未获广泛应用。3D打印颞骨模型的问世很大程度上解决了这些问题。Hoch⁃man等[14]利用3D打印技术制造的颞骨模型，可用来练习乳突切除术、后鼓室切开术等，模型中模拟面神经的导线为表里双色，练习过程中如果面神经受损操作者能立即知晓。Bakhos等[15]制造的3D模型可用于中耳假体植入术的训练。Roosli等[16]制造的颞骨模型展现了人工耳蜗植入术必不可少的解剖细节，包括耳蜗管腔结构和延展的颞骨鳞部等结构，此模型被认为在人工耳蜗植入术的解剖训练方面不逊色于尸体颞骨。

对于3D打印颞骨模型优劣的评价，我们通常使用表面效度和内容效度这两个方面：①如果该模型具有原型的外观、声音、感觉等特征，那么该模型就具有良好的表面效度[17]。模型的硬度、深度感触、解剖结构的完整度、细微结构的辨识度、以及操作过程中操作者的钻磨触感、听觉反馈、骨粉和冲洗液混合物的仿真度等都能作为3D打印颞骨模型表面效度的评价内容[18]。②相类似地，如若该颞骨模型有益于相应的临床教学和解剖技能培训，则其拥有满意的内容效度[19]。评价内容包括模型能否提升学员的解剖技能、提高眼-手的协调性、是否为有效的训练工具等方面。不足的是表面效度和内容效度的测评都具有一定的主观性，测评内容难以实现简单量化，需要进一步探索建立一套客观统一的评价方法。

3D打印颞骨模型所用的打印材料种类很多，如：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acryloni⁃trile-butadi⁃ene-styrene,ABS)塑料、液态光敏树脂、各种热塑性材料等等[18]。但目前使用较多的是石膏粉末，基于微喷射原理，通过改变粘合剂浓度、类型，再借助不同颜色的染料，利用分层打印再组装的技术制造出3D模型，后期再采用压缩空气法将残留在空腔结构内的多余材料清除，如此制作出的颞骨模型可以再现颈内动脉、乙状窦、前庭等重要结构[16]，而且廉价的打印材料有利于技术的普及。

虽然3D打印颞骨模型优点颇多，但其发展仍受很多因素的限制。例如：①新型打印材料的缺乏：目前最常见的石膏3D打印颞骨模型质地偏软，硬度不如尸体颞骨[20-21]。而且国内缺乏关于3D打印材料的标准，大多依赖于进口。②打印技术不够精准：由于颞骨解剖结构复杂，内含许多细小结构，目前的3D打印技术容易导致听小骨塑形不全或互相融合固定[19，21]，细微结构如镫骨、鼓索等难以再现或无法辨认等[16,19]。③打印成本高昂：不仅打印材料价格昂贵，而且相应配套的3D打印设备价格更是从数万元到数千万元人民币不等。④工作效率低下：目前的技术模型设计和制作时间较长，平均需要3天左右，耗时太长[22]。

3 3D打印技术在耳科术前规划与手术模拟方面的应用

3D打印技术应用于术前规划和手术模拟时，即手术前的“带妆彩排”[23]，可以为复杂病变患者提供个性化的手术治疗方案。基于CT、MRI等所得影像学数据和计算机设计软件、利用3D打印技术所制作的3D打印模型不仅能提供可视化立体结构，真实地再现了病灶部位及周围毗邻关系，而且可以在模型上反复进行模拟手术，预判术中可能出现的问题，个性化定制手术方案，规避潜在风险、缩短手术时间、提高手术质量、减轻病人痛苦[4,18]。同时利用3D打印模型可以更好地与患者及其家属做好术前沟通。

基于颞骨解剖结构和功能的复杂性，颞骨部位的手术对耳科医师临床技能的要求极高，利用3D打印颞骨模型，术前在模型上进行手术模拟，不仅可以让手术医师做到“心中有丘壑”，而且个性化的治疗方案更能提高手术的安全性。国内外均已有专家将3D打印技术应用于复杂颞骨病变患者的术前规划与模拟手术。Suzuki团队[24]曾将两例先天性外耳道闭锁患儿的颞骨CT扫描数据进行三维重建，再利用3D打印技术制作出颞骨及内耳模型。在其中一名患儿的颞骨模型上进行模拟手术，不仅证实了CT片上发育不良的中耳裂，且进一步发现了异位的卵圆窗、前置的面神经垂直段、以及后半规管发育畸形，模型提示手术风险较高，为医生的临床决策提供依据。同样在另一名患儿的3D模型上进行手术模拟，预示手术效果良好，患儿术后听力有提高，证实了术前的判断。杨静雅等[25]在术前利用3D打印技术制备了2例慢性中耳炎患者的颞骨模型并进行了模拟手术，其中1例模型可见胆脂瘤紧贴硬脑膜，提醒术中清除病变组织时要注意避免损伤硬脑膜。另1例颞骨模型显示病变范围局限且听骨链完整，提示手术风险比较低。

4 3D打印技术在耳科修复重建方面的应用

近年来3D打印技术联合数字建模在外科领域尤其是骨科、颌面外科的应用越来越成熟，为组织与器官缺损的修复重建提供了重要的技术支持[26-28]。而其在耳鼻咽喉头颈外科的应用也逐渐崭露头角。

耳廓是个包括很多亚单位结构的器官，先天性小耳郭畸形耳再造术需在一期手术时就塑造出外耳轮、对耳轮、舟状窝、三角窝、耳甲腔、耳屏、对耳屏、耳屏间切迹等亚单位结构，再加上不同患者耳廓的个体差异性很大，这就为术者雕刻肋软骨、塑造耳支架带来了很大困难[29]。梁久龙等[29-31]在术前对患者的肋软骨和健侧耳进行三维CT扫描，将影像学数据进行转换处理再利用3D打印技术得到个体化的同侧肋软骨、健侧耳软骨及健侧耳的3D模型，这样一期手术时术者不仅可以依据肋软骨模型选取肋软骨的位置、设计需取出的肋软骨长度，而且在进行肋软骨雕刻和耳支架塑形时有了具体参照物，避免了传统手术方法的盲目性和随意性，提高了手术效率。此外，“量身定制”的3D模型可提高与健侧耳的对称性和相似度。对于二期手术，依据镜像耳模型和一期手术再造的耳模型厚度，再次模拟出再造耳二期手术中所需支架的外形和厚度，从而使再造的耳廓颅耳角与健侧一致。Roberto等[32]术前采集患者健侧耳的影像学数据，进行数字化处理、倒置后形成对侧的模型，通过加深舟状窝、三角窝等结构来凸显模型的轮廓感，再将其进行数字解构、分离出单独的耳廓成分进行重建最后得到对侧3D耳廓模型，可直接作为“指南”引导术者进行塑形。此外，Kozin等[33]指出应用3D打印技术，分别以聚二甲硅氧烷、聚乳酸、聚己酸内酯为原料构建鼓膜支架，后再以纤维蛋白-胶原复合水凝胶进行填充，此方法制造的鼓膜移植后较颞浅筋膜具有更强的抗变性，且无需另行采集皮瓣,避免了额外的手术切口。

5 展望

目前，基于影像学数据对内部结构的精确还原使3D打印技术在医学教学、解剖训练以及术前规划、手术模拟方面的应用得以迅速发展。将来如果能将VR技术与3D打印模型相结合，以3D打印模型来解决虚拟技术缺乏三维性和仿真感的问题，用虚拟技术来弥补3D打印模型细微结构难以再现或无法辨认的不足。相信通过两者的互补，3D打印技术定能更好地应用于解剖训练以及模拟手术等方面。再者，对于器官打印，最大障碍就是如何制作一个输送氧气、清除代谢废物的血管网络[34]。随着新型材料的研发，可以利用3D打印技术以生物材料构建血管结构[35-36]，再将生物相容性支架材料、甚至细胞或生长因子等按照计算机指令逐层打印、组装[37]，构造出有生理功能的可植入物（如个性化的听骨链、耳蜗等），用以修复人体受损组织或器官，有望实现有生命的人体组织的原位修复。另外，如若能再与克隆技术相结合，不仅有望解决移植过程出现的排异反应，而且能够在不违背医学伦理原则的情况下，为新药研制提供生物标本，从而获得准确、详细的研究数据。有理由相信，全面融合材料学、计算机软件设计和组织工程学的3D打印技术，在不远的将来必会给医学领域带来更多的冲击，而其在耳科领域的应用也必将更加深入、多元化，其潜在价值待有志之士进一步挖掘。

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