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3D打印技術在現代神經外科中的應用

來源:立體定向和功能性神經外科雜志    關鍵詞:激光, 激光技術,    發布時間:2019-08-14

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3D打?。═hree-dimensional printing)技術是一種計算機工程與材料工程相結合的新型增材制造技術。該技術無需原胚和模具,以目標物的三維數據模型為基礎,通過計算機處理并轉化成特定的程序,由3D打印機逐層打印成產品。自從20世90年代開始進入醫藥衛生領域,該技術已在牙科、耳鼻喉科、心血管外科、整形外科和神經外科等學科廣泛應用。1999年,神經外科的醫師開始運用這一新興技術制造患者個體化的顱骨結構、腦血管及顱內病灶來幫助進行術前規劃、手術模擬、科學研究等工作。


1.3D打印技術概述

1.1 3D打印技術的生產流程

3D打印技術是一種快速成型技術,一般要歷經數據采集→建?!幊獭x材→打印五個步驟。

(1)數據采集

依靠醫學數字技術獲取患者可疑病變器官的二維數據,目前常采用電子3D 打印技術在醫學領域已有數十年的發展歷史,并得到一定程度的應用。3D打印技術不成熟、管理標準不統一等諸多問題仍限制其在醫學領域的發展。該文就3D打印技術在醫療衛生領域的發展、現狀及問題進行分析,闡述其在醫學技術領域應用的作用及意義。在監管到位、標準統一、管理規范的情況下,該技術將對醫療衛生的發展產生重大意義,能夠更好地服務于患者。

計算機斷層掃描(Computer tomography, CT) and magnetic resonance imaging,MRI)技術分別取目標器官冠狀位、矢狀位、橫斷位的二維影像作為三維模型重建的原始資料。

(2)建模

將不同角度的影像數據導入計算機,由算法整合成三維數字化模型,依據此模型構建出機器需要打印的虛擬模具,再將該模具投影回二維平面中與原始數據比對,在誤差范圍內者才最終作為初代模具。在三維重建的過程中,可以利用線框建模、表面建模、實體建模、特征建模等方法實現建模的還原度和精確度。

(3)編程

計算機建模后,再將模型轉化成STL格式進行儲存。STL格式能夠以一系列小的三維三角形近似表達數字模型,而且能夠將三維模型切割成多個二維薄片,記錄每個二維薄片的平面數據作為打印機工作的指令,分割的二維薄片越薄,打印出的產品尺寸就越接近原始數據。

(4)選材

安全性是貫穿整個工藝的第一原則。而材料選取是決定產品質量的直接因素。人體不同組織密度不同、硬度不同、透明度不同,各種材料搭配使用才可能還原人體的真實解剖結構。在加工制造時,溫度是不可或缺的因素,因此對材料的耐熱性也有嚴格的要求。有些復雜的系統往往難以直接打印生產,需要分步打印組件再裝配,組裝用的連接結構同樣是決定成品應用價值的關鍵。

(5)打印

3D打印是一個逐層堆積的制造過程,選取合適的材料后,打印機的噴射裝置在x-y平面上移動噴出材料,當一個層面完成后,繼續噴一層可去除的材料例如膠水作為支撐結構,再進行下一個平面的工作,如此反復直至產品成型。初胚的支撐材料在后期加工中可經特殊工藝去除,為了達到使用標準,還需經過打磨、拋光、上色、修整等處理才能得到最終產品。

1.2 三維打印機和三維打印技術

目前有多種三維打印機和不同的3D打印技術投入臨床使用,各有特點和不足。在頭頸外科常用的技術有熔絲沉積技術(Fused deposition modeling,FDM)、激光固化技術(Stereolithography,SLA)、多噴射式打印模型(Polyjet)等。

(1)Makerbot Replicator 2

2012年美國Makerbot推出,具備100μm的打印精度。應用FDM 技術,以熱塑性成型材料絲為材料,利用加熱的方式由底到頂逐層進行熔融涂覆→冷卻→熔融涂覆,最終堆積成一個實體模型。該方式能夠生產出強熱塑性及高生物相容度的產品,在制作血管、骨骼、醫療植入器械方面都具有可行性。Makerbot打印機采用的原料是低價環保的聚乳酸,其本身價格相比于其他公司的打印設備也更為便宜。受制造原理限制,該設備制造的產品往往表面不夠光滑,在Z軸的分辨度低,制造精細復雜的目標可達數日之久。

(2)Projet 6000

應用SLA技術,采用液態光敏樹脂為原料充滿液槽,由計算機控制光束由點到面層層疊加固化液體樹脂,最終得到產品。此方式可改善FDM方式造成的粗糙、分辨度不足的問題,但價格昂貴,加工步驟繁多,牢固度和耐久度不足。該技術應用廣泛。2015年,Mashiko等依靠此技術耗費數小時制造出完整的血管模型,但該模型的管壁厚度、彈性、粘附性與原型相比還存在差異。

(3)Objet260Connex3

應用Polyjet技術,最多可一次性選擇17種材料,并能連接不同顏色、硬度、透明度的材料。打印精度在16μm以內,為打印顱內血管提供了技術支持。與FDM和SLA技術相比,打印速度更快,精度更高,但價格更貴。產品較厚的部位分辨度較高,較細的部位易脆,堅固性和耐久性較差。盡管昂貴,但其精確、省時、多材料打印的特點使其成為神經外科使用的最廣泛的打印方式。自3D打印技術應用于各項外科手術以來,打印模型可滿足切割、縫合、活檢、切除等常規的手術操作。

在術前依據患者的個體化信息制造出符合患者疾病的解剖模型,實現了從影像學上的單一視覺到視觸結合的轉變。美國的一例連體嬰兒分離手術正是應用了3D打印技術成功進行了手術。該案例采取FDM 原理,將獲取的解剖數據分類成軟組織和硬組織,再分別制造各個組織器官對應的模型和連接用具,最終將各個組織器官裝配成一個整體。該團隊將打印成品經配準后與CT 成像和視覺對比,成品的平均誤差為0.35mm,標準差<0.4mm??梢?D打印連體嬰兒在術前確實起到了重現病變病理和解剖結構的作用。同樣,在神經外科領域,3D打印也有廣泛的應用前景。


2.3D打印技術在神經外科的應用

神經外科是外科學的重要分支,是在外科手術原則和系統解剖學的基礎上,解決人體神經系統疾病的學科。3D打印技術在神經外科學的各亞專業均有“用武之地”。

(1)3D打印在顱內腫瘤手術治療中的應用

顱內腫瘤是神經外科最常見的疾病,可導致患者出現頭痛、視力下降、肢體功能障礙、癲癇發作、精神及意識障礙等癥狀,及時有效地手術治療是解決病痛的根本辦法。顱內腫瘤可發于顱內任何部位,有些腫瘤位置深,壓迫重要神經或處于重要功能區,手術難度大、風險高。

為了確保手術質量,術前可利用3D打印技術幫助手術,先導入患者的原始CT或MRI數據,打印出患者的3D頭顱模型,在此模型上進行模擬手術,從手術切口到手術入路,甚至手術中的MDT(多學科協作診治),均可在頭顱模型上反復演練,從而制定周密的手術預案,并進行多次手術演練,達到滿意為止。這不僅增加了術者的信心,同時為患者手術成功奠定了堅實的基礎,最終提高了手術的質量。

(2)3D打印在顱底腫瘤手術治療中的應用

顱底腫瘤切除術是神經外科手術中較為復雜的工作之一。顱底的骨質結構凹凸不平、密度不均更加大了手術難度,例如經顳下顱底入路處理海綿竇區腫瘤時,巖骨嵴骨質會阻擋手術視野或影響手術正常操作。有些受骨質干擾嚴重的顱底手術便需要進行一定的骨質磨除,3D頭顱模型可提前評估磨除骨質的必要性以及磨除骨質的具體程度。對于一些形狀不規則的顱底腫瘤,在二維影像上顯影往往不能全部體現其解剖特征,術中發現特殊結構或腫瘤畸變會提高手術難度,延長手術時間,增加手術風險,3D頭顱模型可直視下觀顱底察腫瘤的外形特點,從各個角度了解腫瘤與周邊各組織的解剖關系,并可進行手術演練,從而在術前達到熟練手術的每一步驟,不僅縮短手術時間,而且降低手術風險,使患者受益最大。

(3)3D打印在顱內動脈瘤手術治療中的應用

顱內動脈瘤為神經外科常見的腦血管疾病,動脈瘤破裂發病急、病情重、病死率及致殘率高,目前以手術夾閉動脈瘤為主要治療手段。大部分動脈瘤好發于顱底大血管分叉處,位于顱底,位置深在,且與周圍腦組織、顱神經和載瘤血管關系密切,容易被血凝塊包裹,術中定位有時難度大。目前的影像學定位依賴于術者的空間想象能力和臨床經驗,有時與實際解剖存在一定差距,這往往給術者在顯微鏡下操作帶來一定困難,使手術可能面臨極大挑戰,因而術者的“心中有數”就尤為重要。術前可將患者的3D頭顱模型(含顱內血管模型),幫助術者實現從二維影像聯想到三維實體觀測的飛躍。術前詳細掌握動脈瘤的大小、位置、形態,以及瘤體與周圍各組織的解剖關系,為制定更完善的手術方案提打下基礎,最大程度的保證了手術成功率。

(4)3D打印在顱腦穿刺中的應用

腦積水或高血壓腦出血的患者需要通過穿刺引流降低顱內壓,緩解癥狀。常規采用CT和/或MRI引導下穿刺或兩點定位穿刺的方法進行穿刺操作,這種方法在靶點較深時并不能完全有效,利用3D打印重建患者的穿刺靶點部位,利用計算機模擬穿刺入路,避開重要靜脈竇或功能區,規劃更科學合理的穿刺方法,提高穿刺操作的效率和成功率。

(5)3D打印在顱骨修復術中的應用

顱腦損傷、大骨瓣減壓手術及顱骨腫瘤切除術等,由于術后的顱骨缺損,骨窗受大氣壓影響后,往往而內陷,不但影響美觀,而且壓迫腦組織出現顱內壓紊亂等并發癥,因此需要及時進行顱骨修補。目前采用鈦網板作為修補材料,修補后短期內少有并發癥,患者對修補后外觀滿意度較高。但此方法仍然有遠期問題,鈦的模量比骨骼高2~3個量級,當鈦網與自體骨一起受力即發生應力屏蔽時,會引發骨萎縮。對患者的后期診斷而言,鈦植入物存在顯像偽影。有鑒于此,3D打印選?。校牛牛?等生物相容度更高、影像學影響更小的材料塑造更優的修補材料,未來將成為顱骨修補的新材料。

(6)3D打印在三叉神經痛治療中的應用

三叉神經痛是神經外科常見的疾病,發作性面部疼痛極大地影響了患者生活。藥物治療是首選,但隨著病程進展,藥物的療效逐漸下降,只有選擇手術治療。目前,手術的主要方式有兩種:顯微血管減壓術和經皮三叉神經半月神經節射頻熱凝術,癥狀緩解率和遠期滿意度較高,其中經皮半月神經節射頻電凝療法由于微創性而更優于顯微血管減壓術療法。該術式的關鍵在于將射頻針精準通過卵圓孔刺入三叉神經半月神經節。

卵圓孔位于顱底中部,周圍骨質結構復雜,其間走行顱神經和大血管,穿刺不準確可能會誤傷重要的顱神經、頸內動脈和椎動脈等,從而產生嚴重并發癥,甚至危及生命。采用3D打印技術,術前可在3D頭顱模型進行反復穿刺卵圓孔已達到熟練,從而最大程度的保證穿刺的精準性和安全性,具有較高的臨床應用和推廣價值。

(7)3D打印在神經外科脊柱手術中的應用

神經外科的脊柱手術主要用于治療椎管內、外腫瘤、脊柱畸形和脊髓血管畸形等。手術過程要警惕穿行于脊柱間隙中的脊神經和椎動脈,避免術后肢體功能障礙或術中大出血。3D打印重建患者的脊柱模型,針對不同節段的椎體,設計個性化的手術路徑,降低手術風險,提高手術成功率。

(8)神經外科常用藥物的3D打印

帕金森病和癲癇是神經外科常見的功能性疾病,多數患者均需要用多種藥物聯合應用,才能緩解癥狀或控制病情。多種藥物治療不僅加重了醫療負擔,而且增加患者的遵囑用藥的難度,使得藥物療效不理想。3D打印技術可將多種藥物按照患者實際需要的劑量合為一顆緩釋藥,根據不同藥物的代謝動力學特點結合患者肝腎功能打造出對針對患者藥效最好的個體化藥物,且毒副作用最小,同時每日只口服一次,避免了多種藥物同時使用上的困難,使得患者的各種負擔降到最低,真正做到化繁為簡,藥到病除。目前,美國Aprecia公司研制的3D打印抗癲癇藥物—Spritam的上市使得這一目標的實現更進一步。

(9)3D打印在神經外科醫患溝通中的應用

神經外科疾病病種復雜,病情變化迅速,治療費用高,患者及家屬時常因為治療結果與心理預期不符而產生醫療糾紛,其部分原因是醫患雙方溝通不足的問題。由于患方缺乏專業的神經外科學知識,不能理解或只是片面理解醫師在術前溝通工作中對于疾病和手術等相關問題的表述,對于疾病的不良轉歸未能有正確的認識,導致醫患雙方出現矛盾。應用3D打印技術打印出頭顱模型,以實體模型再現病變區的解剖結構,讓患方對病情有直觀的了解?;挤娇芍庇^的感受到手術的計劃及難度,讓患方對于手術難度,手術風險都有更客觀地認識,充分做好醫患雙方在術前的知情同意工作,避免出現因溝通不暢導致的醫患矛盾。

(10)3D打印在神經外科臨床教學中的應用

神經外科的培訓周期較其他學科更長,手術對解剖學的要求更高,低年資的醫師很難獨立完成一臺較復雜的神經外科手術。傳統模式下,經驗不足的醫師通過術中觀看手術流程學習手術操作原則及步驟,再利用動物模型、大體頭顱標本模擬手術以提高技巧。這種教學方式耗費資源多、學習時間長且提升能力有限。3D打印技術可以在手術室外提供一個高度仿真的學習條件,最大幅度的優化青年醫師的學習曲線。

(11)3D打印在神經外科科研設計中的應用

在進行一項神經外科領域的科研設計時,通常要進行動物實驗來觀察臨床問題的病理或施加暴露因素以觀察病理的轉歸。例如進行動脈瘤的研究時,先向實驗用兔的主動脈注射誘發炎癥的藥物制造出動脈瘤模型,再通過干預觀察暴露組和對照組的差別得出結論。這種實驗結果會受到實驗動物本身的系統誤差,如變異、死亡等風險因素的影響,且違背了倫理學要求。3D打印模型能夠替代動物或大體頭顱標本,提供了新的研究手段和方向。

3D打印技術也可應用于制造新型的手術器械,評估設備的合理性和安全性。在多種手術路徑規劃的過程中,可以結合術中需要設計更簡單的術中器械以降低手術難度。劉宇清等成功在三維重建技術的基礎下制造了側腦室穿刺術-引導裝置實體模型,穿刺成功率為93.75%,展示了3D打印技術在手術器械制造方面的廣闊前景。


3.展望

3D打印技術的優勢和在神經外科學的應用空間固然可圈可點,但其自身的技術局限也不可忽視。3D打印對材料的高要求,費用昂貴等問題都是確實需要改進的。隨著科學技術的發展和國家質量監控體系及相關法律法規的完善,該技術必然能夠揚長避短,為神經外科領域帶來更大的革新。

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