3D打印技术在神经外科教学中的应用探讨

叶成坤 于如同

【摘要】脑科疾病是未来影响人类生活质量的重要因素。即便目前的影像技术快速发展，对于一般的学生来说，认知脑部结构仍然有一定的困难。利用3D打印技术，可以将影像学数据转换成3D打印数据，从而制备复杂的大脑疾病模型，使学生活跃思维，激发学生主动学习的意愿，有助于学生对神经外科疾病的理解和记忆。

【关键词】医学院校；脑科疾病；神经外科；3D打印技术

【基金项目】2018年江苏省研究生科研创新计划（脂质-聚合物负载GOLPH3-siRNA和吉非替尼靶向治疗脑胶质瘤的研究，KYCX18_2197）。

脑解剖结构复杂，功能精细，病变种类繁多，给医学教学带来很大困难。大脑是人体最复杂精密的解剖结构，尤其是形态极其不规则的颅底骨质和其上的脑组织、血管、颅神经等，再加上众多的神经系统肿瘤和血管畸形等病变，使复杂而狭小的颅腔内结构产生了巨大的变化，一般的影像学很难直观地呈现颅内病变的结构。颅内血管更是结构复杂，血管病变千变万化，即使是具备丰富的临床经驗与解剖知识的医生，拥有娴熟的神经介入操作技术和高度清晰的影像设备，在处理颅底血管病变时也面临着巨大挑战和困惑。认知和理解这些病变的解剖关系对神经外科教学提出了巨大的挑战。

3D打印（3D Printing）技术目前正在国内外掀起新一轮研究热潮。利用3D打印技术，可以将影像学数据转换成3D打印数据，从而制备复杂的颅底肿瘤和血管模型，利用这些模型，有助于促进神经外科日常教学等。面对神经外科教学，我们采取以神经解剖学和神经影像为基础，结合多媒体的讲授法，将3D打印模型实践观摩与临床实践教学法相结合的多元化教学方式，获得较好的效果。现将3D打印技术在神经外科教学中的应用探讨如下。

一、3D打印技术简介及其在医学中的应用

3D打印技术，又称“增材制造”（Additive Manufacturing）技术。该项技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。目前，应用较多的3D打印技术主要包括熔融沉积制造（FDM）、光固化立体印刷（SLA）、选择性激光烧结/熔化（SLS/SLM）和三维喷印（3DP）等。2012年出版的《福布斯》杂志指出，3D打印技术已涵盖了纳米医学、制药甚至器官打印等医疗领域的应用研究。未来或许能够依赖3D打印技术实现个性化医疗，减少甚至消除器官捐献短缺的问题。3D打印在医学上的最直接应用，就是打印出各式各样的器官或组织的3D模型。借助这些模型，能将器官或组织内部构造的细节逼真地显示出来，将使医学知识变得更为直观明了。

二、神经外科教学的现状和问题

神经外科教学的现状和问题主要有以下几点。

第一，神经外科知识理解困难。与其他临床学科比较，神经外科的结构概念抽象，专科性非常强，学生不易理解。主要因为神经外科学以神经解剖、神经生理、病理等为基础，而神经解剖、神经生理的相关内容复杂抽象，神经系统疾病的临床病例复杂多变，再加上学生未能接触临床，所以学生普遍对所学内容常感到难懂、难记、难掌握。

第二，神经外科教学任务重。由于神经外科学在外科教学中是非主干课程，课时安排少，但神经外科教学的内容广，名词术语多，知识点分散，如何在较少的时间内让学生接受所需要掌握的知识是一项挑战。

第三，学生遗忘多。神经外科疾病是建立在相应的解剖基础之上的，神经解剖学得好坏直接影响到神经外科教学的质量和效果。而神经解剖、神经外科理论教学与临床实习间隔时间长，学生知识遗忘多，影响了学习效果，加重了教师的负担。

三、教学病例展示

（一）颅内动脉瘤

颅内动脉瘤是指脑动脉内腔的局限性异常扩大造成动脉壁的一种瘤状突出。颅内动脉瘤多因脑动脉管壁局部的先天性缺陷和腔内压力增高而引起囊性膨出，是造成蛛网膜下腔出血的首位病因。动脉瘤手术对神经外科医师的技能要求和对解剖的掌握要求非常高，手术前的培训和手术模拟训练对动脉瘤的手术医师至关重要。而3D打印技术的出现，为动脉瘤手术医师提供了必要的训练模型。利用3D打印技术可以将动脉瘤逼真、精确地复制出来，为神经外科医生在术前提供理想的可视化模型，从而进行手术计划、模拟和训练。利用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯作为原材料，根据头颅CTA扫描出的数据，打印出中空的有弹性的动脉瘤模型，然后在术前用这些模型进行手术计划、演练以及教学，达到了术前评估、增加手术熟练程度的效果。利用聚乳酸和MakerBot弹性材料将DSA的影像数据转换成3D打印数据，从而打印出精确的动脉瘤模型，这种可视化的逼真的动脉瘤模型，为神经外科医师进行术前评估和手术计划提供了极大的便利。这种通过3D打印技术制造出的逼真的、精确的动脉瘤模型，为神经外科医师进行教学、模拟和训练提供了非常有用且低廉的工具。

（二）颅底肿瘤

颅底肿瘤因解剖位置深在，结构复杂，聚集了许多重要的血管、神经，因此颅底肿瘤手术难度较大，并发症较多，术前准确地评估肿瘤、颅底骨质和血管神经的情况以及相互关系，制定详细而准确的术前计划，是手术成功的基础之一。传统的CT、MRI、MRA及MRV等影像，是颅底外科术前常规的检查项目。CT有利于显示颅底骨质结构；MRI平扫可显示脑组织、脑室等结构，强化后可清楚显示肿瘤及部分神经血管；MRA显示动脉血管，MRV显示静脉血管。各种方式的成像技术均有其特性、优势和适用范围。运用多影像融合技术综合这些影像信息，利用3D打印技术将肿瘤及其周边重要结果打印处理，可以立体呈现病变的局部解剖关系，设计个性化手术入路，指导教学和术前计划。

（三）寰枕畸形

寰枕畸形是以枕骨大孔区、寰椎、枢椎骨质发育异常并伴有神经系统以及其附近软组织发育异常的一种先天性畸形疾病，包括扁平颅底、颅底凹陷、寰椎枕化、寰枢脱位、小脑扁桃下疝畸形（Arnold-Chiari's畸形）以及脊髓空洞等。以上几种畸形可单独或同时发生。临床症状和畸形的程度表现不一致，多数为青壮年，病情缓慢，进行性加重。症状以延髓及高位颈髓受压而致的锥体束和颅颈神经根受压出现的肢体运动障碍、肢体瘫痪、感觉障碍甚至大小便失禁为主。此外，可并发颈、胸段脊髓空洞及相应的神经系统症状。

（四）内镜教学标本制备

内镜神经外科是微创神经外科的重要方向之一。由于捐献的标本常常已脱水干枯，且有鞍区或者脑室系统疾病的尸体非常稀缺，内镜的训练常常不是十分便利和令人满意。目前可利用病人的CT和MRI影像资料转换成3D打印信息，采用不同的材质，利用3D打印技术，分别打印出质地和正常人的皮肤、头骨、硬膜比较相近的模型，再将鞍区及脑室系统病变，从而为神经内镜的训练提供了理想的模型。通过3D打印技术制造出的包括鼻腔、鼻旁窦、蝶窦以及蝶鞍內垂体的颅骨模型，可以为经鼻蝶内镜手术提供非常理想的模拟工具，其精确程度非常接近原始的解剖结构。

近年来，3D生物打印机发展日新月异，它是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。脑移植技术一直以来都是科学家的一种梦想，随着未来“生物打印机”的问世，这些问题的解决有了新的技术手段。随着时代的发展，医学知识的更新速度越来越快，学生对教师和教学的要求也越来越高，多元化教学方式也越来越受到老师们的关注。科学技术的发展使得神经外科教学与新技术的结合成为时代的要求。3D打印技术的应用为神经外科多元化教学法注入了新的内容，将3D打印的创意设计等纳入神经外科教育教学中，以培养创新人才，形成良性的神经外科教学氛围。

【参考文献】

[1]张亮，邱宏.3D打印技术在医学领域的应用[J].中国医学装备，2018（06）：154-157.

[2]杨新宇，詹成，李明，等.3D打印技术在医学中的应用进展[J].复旦学报（医学版），2016（04）：490-494.

[3]周伟民，闵国全，李小丽.3D打印医学[J].组织工程与重建外科，2014（01）：1-3，7.

[4]刘凤珍，刘明信，王运华，等.3D打印技术在医学领域中的应用研究进展[J].中国材料进展，2016（05）：381-385.

[5]周路球，娄明武，陈国昌，等.640层3D-CTA联合3D打印脑动脉瘤成像的临床价值[J].南方医科大学学报，2017（09）：1222-1227.

[6]刘峰，刘浩，杨金福，等.虚拟人在神经外科教学中作用的探讨[J].教育教学论坛，2014（04）：266-267.

[7]李珍珠，李泽福，杜洪澎，等.3D打印技术在临床颅内动脉瘤教学中应用的随机对照研究[J].中国医学教育技术，2016，30（03）：322-325.

[8]郭东亮，魏尧，郭建忠，等.3D打印结合术中神经导航在颅底肿瘤治疗中的应用探讨[J].中国药物与临床，2018，18（05）：725-727.

[9]高方友，王曲，刘窗溪.个体化3D打印模型辅助后路螺钉内固定治疗颅颈交界区畸形[C]//中华医学会贵州省神经外科分会.2013年贵州省神经外科年会论文集.贵阳：中华医学会贵州省神经外科分会，2013：2.

[10]江常震，丁陈禹，颜小荣，等.3D打印经鼻蝶神经内镜手术训练模型的构建和应用[J].中国神经精神疾病杂志，2018（03）：171-174.