3D打印在神经外科中的临床应用

• 3D打印在神经外科中的临床应用
  
  
  神经外科疾病种类繁多、解剖结构抽象、部分疾病发病机制不清，因此神经外科疾病具有高死亡率及高致残率的特点。该类疾病对神经外科医生的理论基础、诊疗技术及专业技能要求更高，同时也导致了神经外科医生培养周期长、难度大。在整个医疗过程中虽然有详细且全面的术前医患沟通，术中严谨的专业技术操作，部分病例仍不可避免在术后出现无法预知的并发症甚至死亡，发生医疗纠纷。
   
  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。