王蕾 張毅
南通大學(xué)第二附屬醫(yī)院 1急診中心,2神經(jīng)外科(江蘇南通 226001)
3D打印技術(shù),又稱快速成型技術(shù)(rapid prototyping)或增材制造技術(shù)(additive manufacturing),通過計算機軟件“分層制造、逐層疊加”掃描圖像模擬立體形態(tài),利用粉末、液態(tài)塑料或液態(tài)金屬等可黏合材料打印構(gòu)造物理模型的一種快速新興技術(shù)。目前3D打印技術(shù)在外科手術(shù)領(lǐng)域運用較為活躍,立體解剖模型速度快、精準度高,能幫助術(shù)者從術(shù)前規(guī)劃、術(shù)前溝通到精準立體的模擬手術(shù)操作過程。其運用的領(lǐng)域包括頜面外科、口腔科、神經(jīng)外科、整形外科、骨科、肝膽腹腔手術(shù)等方面[1-3]。而神經(jīng)系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,使得腦外科手術(shù)在所有外科系統(tǒng)中難度較大、要求較為精細。失之毫厘差之千里,根據(jù)患者個體情況選擇最適合的手術(shù)路徑和手術(shù)操作是非常必要的。因此,進行準確、直觀和個體化的手術(shù)計劃及模擬是神經(jīng)外科發(fā)展的需要,而3D打印技術(shù)被寄予厚望。
1.1 顱腦腫瘤手術(shù) 通過三維影像重建掃描技術(shù)可較為直觀地顯示顱腦腫瘤的位置、大小及鄰近重要血管、神經(jīng)、顱骨的組織解剖關(guān)系,使術(shù)者獲得更豐富的空間立體圖像信息,更加熟悉手術(shù)操作流程,包括體位擺放、顱頸屈曲旋轉(zhuǎn)角度、手術(shù)入路、皮膚切口、鉆孔深淺、腫瘤暴露方法、切除程度以及應(yīng)急預(yù)案等詳細的手術(shù)計劃。
2013年中南大學(xué)湘雅醫(yī)院[4]全球首例3D打印輔助復(fù)雜顱底腫瘤切除術(shù)成功,術(shù)前通過收集詳細影像學(xué)資料,利用自主研發(fā)的E?3D數(shù)字化醫(yī)療三維設(shè)計系統(tǒng),將顱底腫瘤及周邊毗鄰組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形態(tài)、不同質(zhì)地和密度均實現(xiàn)了1∶1精確復(fù)制,手術(shù)效果良好,術(shù)后恢復(fù)較快。孫濤等[5]對垂體瘤伴囊變的患者行頭顱CT血管成像(CT angiography,CTA)、3.0T磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)檢查獲得的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像及通信(digital im?aging and communications in medicine,DICOM)數(shù)據(jù),計算機進行立體模擬建模,而后打印出三維重建模型,根據(jù)反映的信息,術(shù)中準確定位腫塊,避開主要血管,完整切除腫塊,手術(shù)時間大為縮減。術(shù)中發(fā)現(xiàn):腫瘤大小邊界清,腫瘤周圍結(jié)構(gòu)解剖關(guān)系與重建設(shè)計圖和打印模型一一對應(yīng),縮短了手術(shù)時間,術(shù)中輸血400 mL。劉宇清等[6]通過對3例大腦鐮旁腦膜瘤患者進行3D可視化復(fù)合實體解剖模型的建立,清晰顯示腦膜瘤與顱骨、大腦鐮、上下矢狀竇及周邊重要動靜脈血管的解剖關(guān)系,術(shù)中根據(jù)腦膜瘤實體解剖模型指導(dǎo)定位與操作,避開重要組織,患者均達到SimpsonⅠ級切除,術(shù)后恢復(fù)良好,手術(shù)成功。鄧仕鳳等[7]通過3D打印技術(shù)成功切除1例巖斜區(qū)巨大血管周細胞瘤,術(shù)前制定了通過磨除顱底骨質(zhì)廣泛顯露腫瘤的入路方案,模擬顳骨乳突和后內(nèi)側(cè)三角(Kawase三角)的磨除范圍及深度,通過術(shù)中證實高度一致,最終全切腫瘤,術(shù)后8個月隨訪腫瘤無復(fù)發(fā),術(shù)后未遺留神經(jīng)功能障礙。WARAN等[8]利用3D打印技術(shù)制造的腦室系統(tǒng)模型,具有彈性的腦室壁,模擬腦脊液流動和出血,進行液體系統(tǒng)的導(dǎo)入。TAI等[9]采用分層次、多材料打印的腦室穿刺模型可模擬手術(shù)入路、皮膚切口及顱骨鉆孔位置和硬腦膜切開等,通過外接的液體管道系統(tǒng)控制腦室內(nèi)壓力。
利用3D打印技術(shù)模擬出的腫瘤實體模型,尤其對顱內(nèi)深部或靠近大血管的腫瘤,能將矢狀竇、乙狀竇、橫竇、重要血管以及腫瘤等結(jié)構(gòu)投射到顱骨或頭皮上,可與神經(jīng)導(dǎo)航結(jié)合,接受DICOM格式和光固化立體造型術(shù)(stereo lithography,STL)格式數(shù)據(jù),術(shù)時通過做好的3D虛擬模型數(shù)據(jù)復(fù)制到神經(jīng)導(dǎo)航上直接使用,提高效率,對手術(shù)實施更有指導(dǎo)意義。
1.2 顱腦血管病 3D打印技術(shù)對顱腦血管有較好的模擬度,通過3D模型對術(shù)前影像進行三維實物重現(xiàn),了解血管畸形團空間構(gòu)筑學(xué)特征,制定手術(shù)方案,同時實時監(jiān)測血管內(nèi)介入治療或顯微外科手術(shù)中病灶栓塞或切除的程度,殘留畸形團的位置及其與供血動脈與引流靜脈間的關(guān)系,以及病變與周圍組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系,幫助實現(xiàn)精準醫(yī)療。
MASHIKO等[10]制作出了有彈性的中空血管模型,這種中空模型的精確性得到國際驗證。ANDERSON等[11]進一步改進了中空血管模型,通過比對中空血管模型和數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)數(shù)據(jù)上動脈瘤的最大直徑,兩者無統(tǒng)計學(xué)差異,增加了模擬的真實性,是目前打印中空血管模型的主流方法。NAMBA等[12]通過3D打印技術(shù),成功地在顱內(nèi)血管介入治療中進行微導(dǎo)管塑形,取得滿意結(jié)果。3D?CTA已廣泛應(yīng)用于臨床,成為國內(nèi)排查顱內(nèi)動脈瘤的首選檢查方法[13]。福建醫(yī)科大學(xué)劉宇清等[14]對4例顱內(nèi)動脈瘤患者顱腦CTA所得的DICOM數(shù)據(jù),針對顱骨、血管采用不同的分割方法進行數(shù)據(jù)信息提取和重建,優(yōu)化處理后經(jīng)3D打印技術(shù)進行實體化,制作動脈瘤解剖模型,通過模型進行術(shù)前預(yù)案的制定及術(shù)時輔助手術(shù)定位與實施,手術(shù)均獲得成功。廣東省人民醫(yī)院陳光忠等[15]對顱內(nèi)動靜脈畸形患者采用256層螺旋CT薄層增強掃描或3D?DSA旋轉(zhuǎn)成像,提取檢查結(jié)果的DICOM原始數(shù)據(jù),應(yīng)用薄層數(shù)據(jù)逐層掃描獲取患者三維數(shù)據(jù),通過Mimics 14.01軟件進行數(shù)字化數(shù)據(jù)提取和重建,并按1∶1比例進行3D打印制作,獲得實體模型。
目前3D打印技術(shù)在顱內(nèi)血管重建及動脈瘤夾計劃放置位置等方面具有廣闊應(yīng)用前景,但是由于打印材料的限制,治療過程中血管、腦組織的移位及形變在模型中體現(xiàn)困難,顱腦腦血管的打印技術(shù)尚未深入開展,尤其對于破裂動脈瘤或不規(guī)則管壁的模擬尚無相關(guān)報道。
1.3 顱骨創(chuàng)傷及修補 外力作用下(各種外傷、撞擊等)頭部運動狀態(tài)突然變化,腦組織與顱骨之間,不同的腦結(jié)構(gòu)之間發(fā)生碰撞、剪切,顱骨損傷部位和程度均有不同表現(xiàn),其中創(chuàng)傷性顱腦損傷(traumatic brain injury,TBI)合并顱骨骨折會增加腦卒中的發(fā)生概率,故盡早明確是否合并存在骨折及損傷的具體情況尤為重要。其中顱底骨折并不少見,普通平片顯示骨折線的概率不超過50%,而多層螺旋CT在空間解剖方面的顯示存在局限,對于復(fù)雜骨折的骨折線走向、累及范圍難于明確。而顱骨3D圖像彌補了前者的不足,通過圖像的三維重建,能立體、直觀地顯示骨折的位置、骨折線走向、長短和累及范圍,包括是否影響靜脈竇、腦膜中動脈、腦皮質(zhì)等重要功能區(qū),對于術(shù)式的選擇路徑具有重要意義。柳少光等[16]對300例急性顱腦外傷患者傷后6 h內(nèi)均行多層螺旋CT及顱骨3D圖像重建檢查,并對上述兩種檢查進行統(tǒng)計學(xué)分析得出3D圖像重建檢查有較高的特異性及敏感性,具有可靠的臨床價值。
頭部受到直接暴力或?qū)_性損傷時容易形成顱內(nèi)血腫,個體差異較大,根據(jù)不同的發(fā)作機制血腫位置、形態(tài)各異,且多伴有其他部位損傷,難以承受開顱手術(shù)的創(chuàng)傷。傳統(tǒng)治療方案中血腫量幕上>30 mL,中線結(jié)構(gòu)移位>1 cm,伴有嚴重的意識障礙才考慮手術(shù)治療,但即使有些患者發(fā)病初期未達到手術(shù)指針,但保守治療期間隨時可能會出現(xiàn)病情的惡化,從而錯過最佳治療時機。即使病情平穩(wěn),待血腫自然吸收需要較長的住院時間,給患者及家屬帶來經(jīng)濟及精神雙重負擔(dān)。相建等[17]通過構(gòu)建符合患者個體特征的顱內(nèi)血腫三維圖像,術(shù)前置于術(shù)區(qū)定位,術(shù)中通過穿刺孔道置入引流管,控制穿刺深度,術(shù)后復(fù)查顱腦CT觀察引流管末端位置。通過術(shù)前三維圖像的構(gòu)建避開重要顱腦血管及功能區(qū),從而簡化手術(shù)過程,大幅度降低了外傷性顱內(nèi)血腫穿刺的創(chuàng)傷風(fēng)險。
重度顱腦損傷、大量腦出血時經(jīng)常需要去骨瓣減輕顱內(nèi)壓,后期需進行缺損顱骨修補。隨著科技的發(fā)展,修補方法也經(jīng)過了多次改進。自體骨組織移植術(shù)雖可以取得一定療效,無組織排異反應(yīng),但需損壞其他部位的健康骨組織,可導(dǎo)致并發(fā)癥及附加損傷,后期發(fā)展為骨水泥、有機玻璃等無機材料,但是由于存在不同程度的排異反應(yīng)、皮下膿腫、材料感染等并發(fā)癥以及塑形困難等不足之處,已逐漸被電腦塑形鈦網(wǎng)等其他新型材料所替換。另外根據(jù)個體顱骨缺損部位模型制作貴金屬假體,耗費時間長、材料利用率低,造成生產(chǎn)產(chǎn)品的費用較高,加大了患者的經(jīng)濟負擔(dān)。而3D打印技術(shù)可根據(jù)計算機三維成像利用3D材料直接打印產(chǎn)品,降低構(gòu)造成本,縮短生產(chǎn)時間,簡化繁瑣工序,更重要的是生產(chǎn)單件產(chǎn)品和批量生產(chǎn)的單價相同,降低了患方的經(jīng)濟壓力,醫(yī)患雙方均能接受[18]。目前國外相關(guān)報道指出通過3D技術(shù)重建需要修補部位的顱骨模型,利用可植入材料直接打印,對缺損部位可進行永久置換[19]。2013年美國神經(jīng)外科醫(yī)師用聚合物3D打印了一名男性患者75%的顱骨并成功實施了顱骨修補手術(shù)[20],這是首例獲得美國食品和藥物管理局許可后進行的顱骨修補手術(shù),術(shù)后恢復(fù)良好。GUILLEMOT[21]通過激光3D打印系統(tǒng)利用細胞和生物材料直接逐層掃描打印小鼠顱骨缺損部位并獲得成功。
1.4 腦組織空腔支架 創(chuàng)傷性顱腦損傷導(dǎo)致的神經(jīng)組織缺損可能會形成神經(jīng)瘢痕空腔,由此形成的物理和化學(xué)屏障抑制軸突再生,影響神經(jīng)再生功能,不利于患者生活質(zhì)量恢復(fù)。顆粒瀝濾和溶劑蒸發(fā)等常規(guī)方法制備的空腔支架在神經(jīng)修復(fù)中的作用已被證實[22-23],但大多采取固定模式進行統(tǒng)一化生產(chǎn),故單一化的外部輪廓不能與特異化的損傷部位吻合,隨機化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會阻礙營養(yǎng)物質(zhì)的運輸,并限制神經(jīng)細胞遷移和生存。此外支架材料的降解性也是一個需要考慮的重要因素,支架材料降解率與腦組織修復(fù)速度相適應(yīng)不可忽視[24]。組織工程及神經(jīng)科在發(fā)展中不斷融合,研究能夠填補腦組織缺損的生物替代品成為了熱點,這為臨床上TBI后腦組織缺損修復(fù)提供了新的思路和方向[25-26]。
符鋒等[27]通過建立成年雄性SD大鼠TBI模型,結(jié)合基于MRI數(shù)據(jù)的三維重建及3D打印技術(shù)定制的空腔支架與大鼠腦組織缺損空腔外形相近,細胞外基質(zhì)拓撲結(jié)構(gòu)可通過內(nèi)部正交叉結(jié)構(gòu)模擬,利用膠原-殼聚糖復(fù)合物作為打印材料,為創(chuàng)傷性顱腦損傷后腦組織空腔的支架修復(fù)研究提供了一種新思路。國外研究[28]指出利用SD大鼠制造TBI模型,清除TBI后可能會因細胞組織水腫、繼發(fā)性出血、軟化灶形成等而導(dǎo)致組織空腔發(fā)生變化,動態(tài)觀測大鼠空腔改變,找到支架制備和植入的最佳時間點也是很重要。2014年浙江省神經(jīng)外科學(xué)術(shù)年會上徐弢等[29]在報告中指出通過利用生物3D打印機,模擬人體組織微觀結(jié)構(gòu),采用新型可全降解復(fù)合材料,打印納米纖維支架,構(gòu)建神經(jīng)外科領(lǐng)域的軟組織修復(fù)組織工程。通過電鏡掃描顯示軟組織支架微觀具仿生3D多孔纖維結(jié)構(gòu),較傳統(tǒng)膠原類材料更利于細胞生長爬行,促進組織支架恢復(fù),利于軟組織修復(fù)。
1.5 臨床教學(xué) 現(xiàn)代神經(jīng)外科得快速發(fā)展,亞專業(yè)分科越來越細,由于神經(jīng)系統(tǒng)的解剖復(fù)雜性,傳統(tǒng)的教學(xué)模式并不能使年輕醫(yī)師更好地掌握手術(shù)技能,而醫(yī)患矛盾的日益緊張使住院醫(yī)師在現(xiàn)代神經(jīng)外科手術(shù)中的實戰(zhàn)訓(xùn)練機會卻越來越少[30-31]。如果利用3D打印技術(shù)1∶1精細還原打印出這些細微結(jié)構(gòu),立體地展現(xiàn)在學(xué)生面前,將大大提高學(xué)習(xí)效率。西安交通大學(xué)附屬醫(yī)院對15位專科規(guī)培醫(yī)師進行3D打印互動教學(xué),規(guī)培醫(yī)師授課全部采用基于數(shù)字及3D打印技術(shù)的教學(xué)互動方式,與傳統(tǒng)教學(xué)組相比在教學(xué)方式、空間思維能力、學(xué)習(xí)興趣及對臨床理論理解方面具有較高的滿意度[32],同時3D打印互動教學(xué)組的臨床理論考核及實踐技能成績均明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)組,兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。浙江工業(yè)大學(xué)李永強[33]設(shè)計并開發(fā)了Unity3D的神經(jīng)外科虛擬手術(shù)訓(xùn)練軟件,能夠提高虛擬手術(shù)過程的高仿真度,對手術(shù)過程進行實時渲染。首都醫(yī)科大學(xué)附屬潞河醫(yī)院神經(jīng)外科用3D打印技術(shù)制作三維立體顱內(nèi)動脈瘤模型[34],高度仿真出患者顱內(nèi)動脈瘤實體模型,借助該模型,年輕的規(guī)培醫(yī)師可以在相對安全可控的操作環(huán)境中,全方位觀摩學(xué)習(xí)復(fù)雜顱內(nèi)動脈瘤等腦血管疾病的解剖模型,從而對顱腦手術(shù)方案及相關(guān)手術(shù)技巧有所理解。
通過3D打印直接復(fù)制特定患者解剖及病理結(jié)構(gòu)的獨特方法,模擬訓(xùn)練能了解組織解剖結(jié)構(gòu)的細節(jié),還可在電腦工作站中進行3D模型制作[35],在神經(jīng)外科實踐訓(xùn)練中具有強大的潛力,目前在臨床上應(yīng)用主要包括手術(shù)計劃制定、術(shù)前教學(xué)及模擬手術(shù)。3D打印模型還可在術(shù)前用于對患者進行術(shù)前宣教及手術(shù)知情同意的講解與溝通。
目前3D技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用還存在不足之處:構(gòu)建分割模型過程繁瑣。軟組織信號強弱不均,需要大量繁瑣的人工后期修補,尤其是血管等中空組織,當(dāng)造影劑含量較少時,細小的血管分支塌陷往往重建困難,無法再現(xiàn)完整的腦血管結(jié)構(gòu),另外腦膜、蛛網(wǎng)膜等菲薄的腦組織3D打印技術(shù)未有報道;3D打印模型制作的過程包括設(shè)備的購置及相關(guān)人員培訓(xùn),打印的材料等,成本高,基層醫(yī)院無法普及;不同影像檢查設(shè)備數(shù)據(jù)融合困難。容易受到運動偽影、掃描時間及圖像信噪比低等多方面因素的影響;目前國內(nèi)多為個例報道3D打印技術(shù)的探索及研究進展,操作病例數(shù)少,缺乏大樣本的研究。
雖然3D打印技術(shù)的神經(jīng)外科臨床應(yīng)用仍然面臨著許多挑戰(zhàn)和困難,但從醫(yī)學(xué)立體空間模型的建立,術(shù)前解剖圖像的評估,具體手術(shù)方案的選擇,臨床教學(xué)及個體化診療等方面蘊含著巨大的臨床應(yīng)用前景,存在的不足亦是將來不斷努力的方向。一旦取得技術(shù)上的改進,將會是神經(jīng)外科史上的重大突破,同時利于簡化醫(yī)患溝通,促進醫(yī)患關(guān)系和諧發(fā)展。
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