3D打印技术在神经外科中的应用现状

樊继军 马彦（通讯作者） 席学礼 夏阳 陈磊 谢丙豪 姬明

（宁夏石嘴山市第一人民医院神经外科 宁夏 石嘴山 753200）

3D打印技术，又称增材制造或增量制造技术[1]，是利用离散堆积的方法，将粉末塑料、金属等材料按照数据模型快速、准确地加工成实物[2]。3D打印技术显示出的巨大优势和发展潜力使其在制造业、航空航天等领域的应用愈加广泛，在医学领域的应用也具有非常广阔的前景和极大的现实意义，其高效率、高保真、个体化等特点给医学发展带来全新的理念和变革。笔者通过阅读文献，结合自身工作经验，现将3D打印技术在神经外科中的应用和不足综述如下。

1.3D打印的程序

随着医学影像技术的发展，屏住数秒呼吸即可获得高分辨率和对比度的医学影像资料，获得可靠的数据资料是准确进行三维建模的先决条件。CT、MRI和正电子发射断层显像(PET)等医学影像手段均可作为获取数据资料的方法。所采集的影像学数据经薄层扫描并储存为DICOM格式后导入分析软件，经3D切分和可视化处理最终输出至3D打印设备。

2.3D打印在神经外科中的应用

精准治疗是当今医学发展的目标和方向。由于神经系统结构的复杂性和不可修复性，这就要求我们在诊治前尽可能多的掌握病变信息。CT或者MRI的二维、三维图像，已经远远不能满足需要了。3D打印技术将病变建模后，应用于诊治过程中将有效提高手术的精确度，降低风险。

2.1 3D打印在神经外科解剖教学中的应用

神经外科医师成长周期长，神经解剖是最基础、最重要的学习内容之一。传统神经解剖教学仅限于课堂教授、解剖图谱学习、大体标本解剖等方式，难以精确还原神经系统三维结构和解剖位置关系。与之相比，3D打印解剖教具除了能够准确反映神经系统解剖结构外，更有利于空间记忆和理解，同时解决了人体标本使用过程中潜在的伦理学问题。由于其在教学中的可行性和优势，3D打印模型得到普遍认可，并应用于颅底、眶周、脑室等复杂解剖结构的教学研究中。

2.2 3D打印技术应用于手术技能的模拟

神经系统结构的复杂性决定了神经外科手术具有较大的风险性，年轻医师上手机会少，使得手术相关的各种操作、术式及入路很难熟练掌握，极大地限制了新人的成长。怎样安全、有效的解决此问题呢？3D打印技术进入了人们的视野。目前专科医师可通过3D打印模型模拟经鼻蝶垂体瘤手术、动脉瘤夹闭手术、脑膜瘤切除手术等操作训练，从而达到减少学习曲线、提高学习效率、降低手术风险的目的。

2.3 创建个性化颅骨病损模型，实现可视化手术规划

外伤（特别是复杂的颅骨骨折）、肿瘤等原因所造成的颅骨损伤均表现有不同的特点，因此在治疗过程中需要制定个体化的治疗方案，但是由于损伤部位的毗邻关系和损伤程度不同，使得个体化治疗方案的制定有着较大的难度。3D打印精准成型、复杂成型、个性化造模的特点恰好解决了这一难题。樊继军等[3]使用脂肪族聚醋聚塑料材料对外伤性颅骨粉碎凹陷骨折进行3D打印，术中发现骨折情况与打印的模型完全符合。因为术前对模型的研习，极大提高了手术效率。精准的术前策划是手术成功的关键，尤其面对风险较大的手术，或是新开展的手术，抑或诊断尚不十分清晰的手术，术前策划尤为重要。在3D打印颅骨模型上反复模拟手术方案，大大降低了手术风险、手术损伤和各种并发症的发生。所以模型实现了手术前对病损颅骨的可视化，降低了对医生经验水平的依赖，真正做到“量体裁衣，度身定制”。

2.4 颅骨的精准修复

目前常用的颅骨修补材料有软金属、生物陶瓷、高分子聚合物和组织工程骨等，这些材料各有优缺点，在使用过程中也暴露出一些问题。其中，3D打印金属钛网用于修补缺损颅骨在2013年得到FDA许可，金属钛网具有可塑性高、快速成型等特点，用于颅骨修复手术不仅明显缩短了手术暴露时间，降低了出血和感染的风险，而且数字化成型和轻量化设计使得修补材料与骨窗贴合更理想、更美观，同时满足患者对功能和美学的要求。但是缺点是价格高，普及率低。

2.5 指导颅内肿瘤切除

颅脑解剖结构复杂而精细，手术时稍有不慎就可能损伤重要结构导致严重后果，尤其是在蝶鞍区、脑干等重要功能区部位。手术治疗开展之前，应该明确掌握肿瘤的实际大小、肿瘤位置、肿瘤血管其可及其毗邻结构，为手术成功开展奠定基础条件。尤其是颅底肿瘤等复杂病变情况，术前明确上述情况是手术成功开展的基础。通过3D打印脑肿瘤模型，可为手术入路的选择提供参考依据，同时可为手术医师对肿瘤及邻近组织结构的掌握提供依据，为手术的顺利进行奠定基础。

3.不足

3.1 打印时间成本高

从数据采集到模型打印完成，短则需要数小时，长则数天。打印时间的不确定性对于急诊病人，尤其是一些危重病人是非常不利的。如何提高打印效率、降低时间成本也成为该技术在神经医学领域推广应用的重要前提。

3.2 打印材料的制约

耗材是影响3D打印无法广泛应用最关键的原因，目前开发的材料主要有水凝胶、塑料、树脂、磷酸钙生物陶瓷和金属等。这些耗材可以满足建模，但是建模价格较高。未来在生物相容性和生物响应性等耗材的属性方面研究更加重要，为建立相关法律法规提供科学依据。

3.3 精确度难以把握

原始图像采集和后期图像处理技术会对3D打印模型的精准度产生很大的影响，比如小穿支动脉等微小结构的模型难以重建。神经系统肿瘤结构多样且与周边组织存在较为复杂的毗邻关系，因此在一些神经系统肿瘤模型中，细微组织结构很难精确复制。

4.展望

随着医学科学的不断发展，3D打印技术也逐渐普及。美国技术咨询服务协会Wohlers发布的2012年年度报告指出，3D打印技术已成为生物医学领域的研究热点，其所涉及的范围包括纳米医学、制药，甚至器官打印等。虽然许多技术尚处于起步阶段，且目前存在诸多不足，但是随着科学技术的发展，这些问题有望被逐步解决。综上所述，3D打印技术的临床应用前景广阔，其可有效促进神经外科的发展进步。