黃 慶，王 剛，張洪兵 （首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院神經(jīng)外科，北京101149）

·醫(yī)學(xué)教育·

3D打印技術(shù)在腦血管疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用

黃 慶，王 剛，張洪兵 （首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院神經(jīng)外科，北京101149）

目的：探討3D打印技術(shù)在腦血管疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用效果．方法：本研究運(yùn)用3D打印技術(shù)制作三維立體腦血管疾病模型，應(yīng)用到神經(jīng)外科醫(yī)師的臨床教學(xué)中．結(jié)果：通過(guò)3D打印技術(shù)制作的腦血管三維立體模型有助于神經(jīng)外科醫(yī)師在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)理解復(fù)雜腦血管疾病的解剖特點(diǎn)，并且借助該模型，年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師可以在相對(duì)安全可控的操作環(huán)境中，全方位觀摩學(xué)習(xí)復(fù)雜顱內(nèi)動(dòng)脈瘤等腦血管疾病的解剖模型，從而對(duì)顱腦手術(shù)方案及相關(guān)手術(shù)技巧有所理解，對(duì)精準(zhǔn)手術(shù)起到一定的輔助作用．結(jié)論：3D打印技術(shù)有助于提高神經(jīng)外科醫(yī)師對(duì)復(fù)雜腦血管疾病的理解和認(rèn)識(shí)，在神經(jīng)外科腦血管疾病的臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景．

3D打印技術(shù)；腦血管疾??；教學(xué)

0 引言

3D打印技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用熱熔噴嘴、激光束等方式將可粘合材料如塑料、金屬粉末等逐層堆積粘結(jié)，疊加成型，最終制造出模擬實(shí)體產(chǎn)品的技術(shù)［1－2］．目前3D打印技術(shù)在臨床教學(xué)方面主要應(yīng)用于骨科、口腔等學(xué)科［2－3］，在神經(jīng)外科尤其是腦血管疾病方面的臨床教學(xué)應(yīng)用較少．

顱內(nèi)血管走行迂曲復(fù)雜，顱底動(dòng)脈分支較多，加上有變異的交通支存在，使其很難被年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師理解，而這些地方又是腦血管疾病的好發(fā)區(qū)域．對(duì)動(dòng)脈瘤、血管畸形等腦血管手術(shù)操作的培訓(xùn)相對(duì)困難，年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師很少有機(jī)會(huì)獨(dú)立開展腦動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形等腦血管疾病的手術(shù)，因?yàn)檫@些疾病無(wú)論是通過(guò)血管內(nèi)介入治療還是手術(shù)夾閉治療，病變大多較為復(fù)雜，需要具備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練養(yǎng)成的較高手術(shù)技能［4－7］；通過(guò)傳統(tǒng)的平面解剖圖譜、普通的模型標(biāo)本教學(xué)，年輕醫(yī)師難以在短時(shí)間內(nèi)掌握復(fù)雜的腦血管解剖結(jié)構(gòu)，即使是通過(guò)手術(shù)觀摩，由于視角問(wèn)題也不能很好地看清一些細(xì)微結(jié)構(gòu)［8］．如果用3D打印機(jī)1∶1地打印出血管、神經(jīng)、腦組織等細(xì)微結(jié)構(gòu)，全方位展現(xiàn)在年輕醫(yī)師面前進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)，并模擬相應(yīng)的手術(shù)入路，可以大大提高學(xué)習(xí)效率．

1 方法

1.1 臨床教學(xué)病例的選擇和設(shè)計(jì)臨床教學(xué)病例的選擇要充分體現(xiàn)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、腦動(dòng)靜脈畸形等疾病特點(diǎn)，應(yīng)選取腦血管疾病中的常見病、多發(fā)?。X血管疾病具有自身的特點(diǎn)，顱內(nèi)血管走行多迂曲復(fù)雜，顱底動(dòng)脈分支較多，經(jīng)常會(huì)有變異的交通支存在，而這些地方通常又是腦血管疾病的好發(fā)區(qū)域．病例要具有開放性、前沿性、真實(shí)性和完整性，通過(guò)大家查閱中英文文獻(xiàn)等資料，共同討論病變解剖結(jié)構(gòu)來(lái)拓臨床思維，從而了解腦血管疾病方面的最前沿的新技術(shù)、新醫(yī)療，達(dá)到臨床教學(xué)的目的．顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形和動(dòng)靜脈瘺為腦血管疾病中的三大主要疾病，選取病例時(shí)針對(duì)這些疾病的特點(diǎn)，選取相應(yīng)的典型病例進(jìn)行有的放矢的教學(xué)，通過(guò)將3D打印的血管模型與真實(shí)血管及其周圍組織關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，了解頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段的走形，頸內(nèi)動(dòng)脈與視神經(jīng)的比鄰關(guān)系，前交通動(dòng)脈與視交叉的位置關(guān)系，眼動(dòng)脈與后交通動(dòng)脈在頸內(nèi)動(dòng)脈上發(fā)出的位置和方向，了解顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的好發(fā)位置以及與載瘤動(dòng)脈的關(guān)系如夾角、動(dòng)脈瘤頂端的朝向等，了解腦血管畸形的供血?jiǎng)用}與引流靜脈的位置關(guān)系、分布情況等．

1．2 3D打印腦血管疾病模型的制作選取首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院神經(jīng)外科收治的典型腦血管疾病病例，以顱內(nèi)動(dòng)脈瘤為例來(lái)介紹腦血管疾病模型的制備過(guò)程：①獲取顱內(nèi)動(dòng)脈瘤病例的薄層CT掃描數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維重建；②對(duì)重建圖像進(jìn)行二維預(yù)處理和三維預(yù)處理；③采用移動(dòng)立方體法建立三維模型；④在建立的三維模型基礎(chǔ)上應(yīng)用3D打印制造出1∶1等大的、高度仿真的患者顱內(nèi)動(dòng)脈瘤實(shí)體模型［2］（圖1）．

圖1 3D打印動(dòng)脈瘤模型的制作

1．3 3D打印腦血管疾病模型在腦血管疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用方法根據(jù)臨床教學(xué)的安排，神經(jīng)外科醫(yī)師的培訓(xùn)每周進(jìn)行1～2次，每次4個(gè)學(xué)時(shí)．由主治以上的授課教師每次選取1～2例典型的臨床病例作為教學(xué)病例，要求病例包含完整的臨床和影像學(xué)資料．課前一周布置好任務(wù)，要求年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師要對(duì)所學(xué)病例相關(guān)知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)典型病例患者要自行到床旁進(jìn)行問(wèn)診查體等，課前要查閱一些相關(guān)的文獻(xiàn)資料．授課教師首先以幻燈形式介紹典型病例的病史以及X線、CT、MRI等影像學(xué)資料，引導(dǎo)年輕的神經(jīng)外科醫(yī)生進(jìn)行分析，探討相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)入路，通過(guò)激烈的討論得出相應(yīng)的診療意見和對(duì)應(yīng)的手術(shù)方式．然后授課教師展示出事先打印好的3D腦血管疾病模型讓大家進(jìn)行全方位的觀察、比照，進(jìn)一步了解動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形等病變的形態(tài)、位置以及相鄰顱內(nèi)血管和結(jié)構(gòu)的立體解剖結(jié)構(gòu)，之后引導(dǎo)大家進(jìn)行討論，糾正之前的觀點(diǎn)思路，必要時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行模擬預(yù)手術(shù)入路．最后由授課教師總結(jié)病例的重點(diǎn)和難點(diǎn)．除此之外，所學(xué)的典型病例進(jìn)行手術(shù)后要保存其手術(shù)錄像以供大家比對(duì)學(xué)習(xí)．

2 結(jié)果

在臨床教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，初級(jí)神經(jīng)外科醫(yī)師對(duì)腦血管疾病的診治原則和手術(shù)方式的概念掌握較好，但是既往學(xué)習(xí)的是正常腦血管結(jié)構(gòu)的解剖，缺乏對(duì)病變血管結(jié)構(gòu)感性的認(rèn)識(shí)，缺乏對(duì)病變部位相鄰結(jié)構(gòu)的解剖及相應(yīng)的手術(shù)入路的理解和認(rèn)識(shí)．通過(guò)在3D打印腦血管疾病模型上進(jìn)行模型外科教學(xué)，可以使神經(jīng)外科醫(yī)師很清楚地了解病變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還可以結(jié)合病變情況，向其講解疾病發(fā)生的原因與原理．在此基礎(chǔ)上，授課教師再進(jìn)行手術(shù)方法的講解，使年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師對(duì)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形及動(dòng)靜脈瘺等疾病的立體解剖有更深的理解．通過(guò)模擬手術(shù)入路操作，神經(jīng)外科醫(yī)師對(duì)腦血管疾病的手術(shù)操作更容易理解，普遍反映教學(xué)效果良好．以往難以掌握的復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)、動(dòng)脈瘤和動(dòng)靜脈畸形等知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)該教學(xué)方法能夠相對(duì)快的熟識(shí)并加以應(yīng)用，在一定程度上提高了教學(xué)效率和效果．

3 討論

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，它綜合了數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息技術(shù)、化學(xué)與材料科學(xué)等多方面的技術(shù)［9－11］．目前，得益于3D打印材料的獨(dú)特性，3D打印技術(shù)初步應(yīng)用在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，率先在骨科、口腔科的臨床教學(xué)中廣泛應(yīng)用［2－3，12－13］．由于腦血管疾病本身具有病變復(fù)雜的特點(diǎn)，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科尤其是腦血管疾病方面的臨床教學(xué)應(yīng)用較少．

目前針對(duì)腦血管疾病多數(shù)沿用授課式、多媒體教學(xué)，只能通過(guò)語(yǔ)言講解，單純從二維平面空間進(jìn)行教學(xué)，所以復(fù)雜腦血管疾病病例教學(xué)時(shí)難度較大，無(wú)法使學(xué)生形成空間立體效果，對(duì)于空間想象能力差的學(xué)生接受起來(lái)更加困難．對(duì)于動(dòng)脈瘤手術(shù)來(lái)說(shuō)，術(shù)前能夠?qū)ζ湓陲@微外科術(shù)中的解剖關(guān)系進(jìn)行全方位立體學(xué)習(xí)并且模擬手術(shù)入路尤為重要；對(duì)AVM而言，由于本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往醫(yī)師對(duì)疾病的了解僅限于對(duì)二維圖片的解讀，由于血管、神經(jīng)間的重疊無(wú)法分辨其原本真實(shí)的空間結(jié)構(gòu)，如果可以在術(shù)前幫助了解畸形團(tuán)內(nèi)結(jié)構(gòu)，就可以很好地指導(dǎo)治療策略的制定［11］；3D打印技術(shù)可將患者的病變血管三維結(jié)構(gòu)以及與周圍的比鄰關(guān)系直觀地展示出來(lái)，這有利于神經(jīng)外科醫(yī)師的直觀教學(xué)，從而達(dá)到事半功倍的效果．3D打印實(shí)體模型與真實(shí)動(dòng)脈瘤結(jié)構(gòu)形態(tài)一致，可以增強(qiáng)術(shù)者對(duì)動(dòng)脈瘤形態(tài)結(jié)構(gòu)學(xué)的理解，并且可以據(jù)此選擇合適的動(dòng)脈瘤夾，以及動(dòng)脈瘤夾的放置角度和位置等．借助該模型，年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師可以在一個(gè)安全可控的操作環(huán)境全方位觀摩復(fù)雜顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的解剖模型，進(jìn)行術(shù)中模擬操作及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估．這可以增加年輕醫(yī)師實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，使他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)獲取復(fù)雜的手術(shù)技能，并且能夠以此建立客觀的手術(shù)技能培訓(xùn)和考核系統(tǒng)，使動(dòng)脈瘤手術(shù)技術(shù)的培訓(xùn)規(guī)范化和流程化［14］．

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，3D打印模型具有以下特點(diǎn)：①使學(xué)生更加直觀地理解顱內(nèi)血管病變及供血?jiǎng)用}、引流靜脈等的解剖部位，更明確地反映其三維空間關(guān)系及與周圍的比鄰關(guān)系；②3D打印實(shí)體模型可以提供多視角觀察的三維結(jié)構(gòu)，實(shí)體感強(qiáng)，并且可反復(fù)進(jìn)行模型模擬外科操作；③3D打印可以根據(jù)授課的要求，制造出比例大小、特定剖面的模型，從而滿足上課需要．④通過(guò)3D打印模型的演示縮短了學(xué)習(xí)過(guò)程，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)習(xí)效率，可使年輕神經(jīng)外科醫(yī)師參與實(shí)際手術(shù)的設(shè)計(jì)，能夠提高神經(jīng)外科醫(yī)師對(duì)腦血管知識(shí)的理解．此外，3D打印不受場(chǎng)地和環(huán)境限制，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造［1］．

3D打印技術(shù)也存在一些不足之處：①無(wú)法完全再現(xiàn)完整的腦組織結(jié)構(gòu)，較為精細(xì)的小穿支血管及神經(jīng)目前無(wú)法打印．②腦膜、蛛網(wǎng)膜等菲薄的腦組織結(jié)構(gòu)仍無(wú)法通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)［15］．③3D模型制作的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本高．相信隨著打印技術(shù)的普及和成熟，醫(yī)學(xué)模型制作成本將會(huì)降低，花費(fèi)時(shí)間將會(huì)減少，且醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的改進(jìn)也會(huì)使得醫(yī)學(xué)模型制作工藝更加精細(xì)化．可以預(yù)期3D打印技術(shù)在腦血管病的診治方面還有更大的發(fā)揮空間［16］．

將3D打印引入腦血管疾病教學(xué)中，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的一些不足之處，而且有效地提高了神經(jīng)外科醫(yī)師學(xué)習(xí)神經(jīng)外科知識(shí)的興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高了神經(jīng)外科醫(yī)師的邏輯思維能力和分析解決問(wèn)題的能力，值得進(jìn)行推廣應(yīng)用．

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Application of 3D printing technology in clin?ical teaching and cerebrovascular diseases

HUANG Qing，WANG Gang，ZHANG Hong?Bing
Department of Neurosurgery，Beijing Luhe Hospital，Capital Med?ical University，Beijing 101149，China

AIM：To investigate the effect of 3D printing tech?nology in clinical teaching of cerebrovascular diseases．METH?OD：The 3D printing technology was used to produce three?di?mensional model of cerebrovascular diseases，which is applied to the clinical teaching of neurosurgeon．RESULTS：Three?dimen?sional cerebrovascular model of 3D printing can help neurosur?geons understand and master the complex anatomy characteristics of cerebrovascular diseases in a short time．A young neurosurgeon can learn complex intracranial aneurysms and other cerebrovascu?lar disease in a relatively safe and controlled operating environ?ment by means of this model in order to understand the precise surgical skills and play a certain supporting role in precision oper?ation．CONCLUSION：The 3D printing technology can help neu?rosurgeon improve the understanding and awareness of complex cerebrovascular disease，which has a good prospect in clinical teaching neurosurgery of cerebrovascular disease．

3D printing technology；cerebrovascular diseases；teaching

G642

A

2095?6894（2017）03?90?03

2016－11－03；接受日期：2016－11－20

北京市通州區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（KJ2016－CX037）

黃 慶．博士，主任醫(yī)師．研究方向：神經(jīng)外科． E?mail：doctor_huang＠163．com