3D打印技術(shù)與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

3D打印 (Three-dimensional printing, 3DP) 是一種增材制造技術(shù), 即以數(shù)字模型為基礎(chǔ), 運用原材料逐漸累加制造實體零件的技術(shù), 通常用于制造難以或不能用常規(guī)方法制造的物體, 其靈活多樣、高度個性化的特點, 在醫(yī)療領(lǐng)域得到充分發(fā)揮, 具有重要的應(yīng)用價值。腦神經(jīng)系統(tǒng)是人體最重要的組織結(jié)構(gòu), 神經(jīng)外科技術(shù)復(fù)雜, 稍有不慎就會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。近年來, 3DP開始進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)疾病領(lǐng)域, 在術(shù)前模擬訓(xùn)練、顱骨與椎骨替代、組織支架等方面展示出誘人的前景。

3DP的基本原理
3DP技術(shù)借助電子計算機斷層掃描、血管造影術(shù)、磁共振成像、3D超聲心動圖、X射線等技術(shù)手段建立數(shù)學(xué)模型, 再采用不同的材料, 通過3D打印機分層切割模型, 逐層打印, 疊加構(gòu)建成三維物體[1,3-4]。
主要的3D成型技術(shù)有光固化立體印刷、箔材疊層實體制作、三維噴印、選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積成型、液體界面連續(xù)生產(chǎn), 而常用的材料包括液態(tài)光敏樹脂、熱縮性高分子材料、塑料、陶瓷、金屬粉末、去細(xì)胞化的細(xì)胞外基質(zhì)、特定供體內(nèi)的細(xì)胞。

3DP與體外模擬訓(xùn)練

3DP的立體腦結(jié)構(gòu)模型逼真地呈現(xiàn)手術(shù)中見到的腦組織結(jié)構(gòu), 能用于醫(yī)生在術(shù)前的模擬操作訓(xùn)練, 并有助于設(shè)計合理的手術(shù)方案。近年來, 3DP已開始在一些醫(yī)院的神經(jīng)外科術(shù)前模擬中得到應(yīng)用。

動脈瘤與腦血管畸形
動脈瘤是腦動脈的異常膨大, 其生長較快, 各個患者生長形態(tài)又各有差異, 故手術(shù)難度較高。Ryan等參照腦血管影像學(xué)獲得的參數(shù)打印出患者大腦結(jié)構(gòu)與動脈瘤模型, 其精度雖不能將細(xì)小血管表現(xiàn)出來, 但較大的動脈與周圍腦組織結(jié)構(gòu)清晰逼真, 模擬的動脈可以用外科手術(shù)器材處理, 產(chǎn)生真實的外科手術(shù)操體驗。Waran等采用多種材料, 制造出與組織類型密度一致的模型, 其“皮膚”可進(jìn)行切割與縫合、“骨骼”堅硬、“腦膜”厚度同肌體相似, 并為“腫瘤”添加方便識別的橙色, 方便進(jìn)行練習(xí)操作。3DP依據(jù)病人數(shù)據(jù)建立個性化模型, 具有準(zhǔn)確真實、成本低廉、結(jié)實耐用的特點, 在術(shù)前模擬訓(xùn)練上十分有效。

腦動靜脈畸形 (Arteriovenous malformations, AVMs) 是非常復(fù)雜的腦血管結(jié)構(gòu)異常, 其血管結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜, 結(jié)構(gòu)識別困難, 相互關(guān)系難以把握, 手術(shù)風(fēng)險較大。3DP模型制作快、成本低, 直觀可靠地反映AVMs的結(jié)構(gòu), 為手術(shù)方案的設(shè)計提供重要的參考。Conti等認(rèn)為, 術(shù)前使用高精確的3D透視模型進(jìn)行訓(xùn)練, 能夠提高手術(shù)質(zhì)量, 減少手術(shù)失誤與并發(fā)癥, 如大腦區(qū)域性破壞域性壞死、出血等。Weinstock等對3名AVMs和1名Galen 靜脈畸形兒童患者,根據(jù)其MRI圖像制作了多種材料組成的血管結(jié)構(gòu)模型,逼真地模擬了血管的分布格局, 并以此為依據(jù)預(yù)測血栓位置,制定手術(shù)方案。在實際的手術(shù)中,操作順利,手術(shù)時間明顯縮短,較常發(fā)生的并發(fā)癥癱瘓和感覺喪失都沒有出現(xiàn),且術(shù)后1周就能獨立下床活動。

腦室積液與顱內(nèi)壓監(jiān)控
腦室積液是引起腦部不同病變的原因,影響了病患腦脊液的分泌吸收和循環(huán)環(huán)路,腦脊液含量增加引發(fā)腦室系統(tǒng)的擴張,常伴隨著顱內(nèi)壓的增高。顱內(nèi)壓監(jiān)控檢測由于顱內(nèi)血液、腦組織、腦脊液的積壓導(dǎo)致的顱腔壁壓力,對病患顱內(nèi)壓變化的分析,可以幫助判斷患者的傷情與腦水腫的情況,有助于治療方案設(shè)計。以往的術(shù)前訓(xùn)練主要在尸體組織和計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進(jìn)行,近年來開始使用3DP技術(shù)。Ryan等使用多種材料制作出CSF患者頭部模型,經(jīng)醫(yī)學(xué)學(xué)生和非醫(yī)學(xué)專業(yè)人員的使用測試,發(fā)現(xiàn)能很快學(xué)會 EVD手術(shù)的操作,完成導(dǎo)管放置等專業(yè)技術(shù)。Tai等設(shè)計了腦室外引流安置模擬器的3D模型,模型可以顯示顱內(nèi)壓力,能夠提供導(dǎo)管軌跡和可視化的液體,讓操作者從視覺和觸覺上感受不同皮膚、腦、骨,逼真地模擬出人類腦室與周圍組織,這種模型可以用于對外科醫(yī)生的 EVD放置進(jìn)行訓(xùn)練,具有實際應(yīng)用價值。

椎骨置釘
椎骨置釘是針對椎骨嚴(yán)重?fù)p傷患者必不可少的外科操作,脊柱各部位椎體骨骼形態(tài)各異,脊髓周圍有血管等重要臟器組織,導(dǎo)致在脊柱外科手術(shù)中存在風(fēng)險。外科醫(yī)生要盡量避免損傷到相鄰的組織、神經(jīng)、血管等,使用3DP制作仿真模型,能在術(shù)前設(shè)計優(yōu)化手術(shù)方案,有效解決手術(shù)中的諸多難點,降低病人風(fēng)險。其根據(jù)術(shù)前CT進(jìn)行三維重構(gòu),得到病人特異性的脊椎椎體模型,供醫(yī)生術(shù)前模擬訓(xùn)練,設(shè)計最佳置釘位置和角度,幫助鎖定位置,從而順利完成手術(shù)操作。3DP 模型有助于全面分析椎骨周圍結(jié)構(gòu),為復(fù)雜手術(shù)提供了可行性方法。高方友等采用3DP制作顱頸交界區(qū)個體化模型,設(shè)計手術(shù)方案,并以模型輔助手術(shù),通過后路減壓及內(nèi)固定方法,成功地為25例患者完成置釘手術(shù)。術(shù)后無病人死亡,寰椎齒突間隙縮小,延髓頸髓角增大。尹一恒等在顱底凹陷合并寰樞椎脫位手術(shù)過程中針對 10名患者自身狀況,使用3DP模型分別設(shè)計不同手術(shù)方案,使得患者癥狀改善,植骨融合率高達(dá)100%。

3DP與體內(nèi)替代植入，顱骨修復(fù)
顱骨修復(fù)是根據(jù)現(xiàn)有患者頭顱的DIACOM圖像, 針對外傷引起的頭顱骨破壞、先天性顱骨畸形等異常, 設(shè)計出合適的顱骨替代物加以植入。3DP技術(shù)充滿個性化的量身定制模型,更好的擬合了患者自身的特征, 因而具有更好的適用性。同時,3DP制備使得顱骨替代物的獲取更容易、更經(jīng)濟(jì),考慮到生物相容性、經(jīng)濟(jì)、重量、生物力學(xué)性質(zhì)、空狀結(jié)構(gòu)以及植入后的有無膨脹等問題,目前使用的材料主要是金屬、塑料、陶瓷, 其治療的患者并發(fā)癥發(fā)生率極低,且患者及家庭滿意度較高。

Fiaschi指出顱骨的缺失、畸形會引起多種并發(fā)癥,顱骨的修復(fù)移植隨年齡增長就愈加困難,因而顱骨的缺損需要及早修復(fù),并選擇理想的材料。他采用聚甲基丙烯酸甲酯作為顱骨的修復(fù)材料,經(jīng)3DP等技術(shù)加以成型,在多例臨床病人的植入試驗中取得滿意療效,追蹤調(diào)查顯示并發(fā)率低、滿意度高,表現(xiàn)優(yōu)Silfhout和Verstegen利用3DP技術(shù)為頭骨增厚患者量身制作了一個完全由塑料構(gòu)成的顱骨模型,并成功移植到患者體內(nèi)。手術(shù)后,患者手術(shù)恢復(fù)良好,幾乎沒有手術(shù)痕跡,因顱骨增厚造成的大腦壓迫所致視力減弱、腦功能損傷等癥狀得到恢復(fù)。

椎間盤突出與脊髓側(cè)彎
腰椎間盤突出是老年人群的常見病,椎間盤替代是這種疾病的治療方法之一。Mroz等使用3DP技術(shù)制造了腰椎間盤假體,相關(guān)參數(shù)分析顯示這種3D模型有可能被實際應(yīng)用于臨床病人。 Spetzger等借助患者CT數(shù)據(jù),3D打印出個體特異性的脊椎融合器,其作為脊椎或者脊椎與顱骨間的植入物在脊椎病治療中常常使用。頸椎硬化性脊髓病、神經(jīng)根型頸椎患者使用這種3DP的植入結(jié)構(gòu),精確地匹配了患者的脊椎椎體,具有較好的初期穩(wěn)定性與更好的承重面,降低了因錯位、沉降引起二次手術(shù)的可能。

在外科手術(shù)中,對于脊椎側(cè)彎病人也常采用椎骨置釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行治療。 Takemoto等使用3DP制備的鈦模板椎弓螺釘治療46例患者,420 枚孔釘植入位置準(zhǔn)確率達(dá)到98．6%,手術(shù)成功率達(dá)到100%。Kaneyama等設(shè)計打印出指導(dǎo)脊椎置釘?shù)囊环N安全準(zhǔn)確的螺釘指導(dǎo)模板,包括位置模板、鉆具引導(dǎo)模板、螺旋引導(dǎo)模板,能精確指導(dǎo)脊椎置釘手術(shù)過程。在使用這種方法治療的20例患者中,80枚植入螺釘都精確地插入到預(yù)定位置,有97．5%的螺釘完全放置在脊椎根部。證明這種3DP模板體系對指導(dǎo)椎骨置釘手術(shù)具有精確、經(jīng)濟(jì)、縮短手術(shù)時間、減少手術(shù)風(fēng)險的優(yōu)點。

腦機接口
腦機融合感知(Brain-machineinterface,BMI)又被稱為腦機接口,可以實現(xiàn)計算機與大腦數(shù)據(jù)的直接記錄和交換。神經(jīng)義肢(neuroprosthetics)就是一個典型的例子。通常,植入電極的電極間距越小,意味著電極密度越高,大腦傳輸?shù)男盘栐骄�確,可能會出現(xiàn)更高性能的BMI系統(tǒng)。當(dāng)前常規(guī)手術(shù)的電極間距只能達(dá)到 10mm,Morris等在3DP制作的個性化模型上,插入直徑1mm的鉑電極,制作成為符合腦溝內(nèi)側(cè)曲面率的硅膠型植入片,植入到肌肉萎縮硬化患者的大腦內(nèi) 21d,測試證明了這種植入電極具有較好的腦機交流性能。該方法將電極距離降到2．5mm,且物理性能、組織細(xì)胞毒性、生物相容性等方面,較常規(guī)方法有著很大的改善。

作者：徐帥 , 吳彬好 , 陳曉萍