3D打印技术又称为“快速原型制造”,是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料以生成三维实体的技术,也是近年来迅猛发展的一项新技术。3D打印技术的兴起,给传统的制造、医疗、文创、航空航天等产业带来了巨大的冲击和变革[1]。随着医学影像技术和材料工程的不断发展,3D打印技术开始应用到医疗实践中。
随着医学个体化需求的不断扩大,3D打印技术在医学领域中的应用研究发展迅速。目前3D打印技术在医学领域的应用主要分为3类:(1)医学模型的打印:主要用于手术计划、练习和教学,还可以通过模型向患者展示疾病情况,增加患者对疾病的理解;(2)个体化医疗器械/组织工程的制造:主要用于个体化假体或辅助器械的植入;(3)通过3D生物打印,制造出人工器官和组织,用于器官的移植。3D打印技术所具有的优点能够满足构建3D模型的需求,在手术设计、操作演练和培训教学等方面具有广阔的应用前景和极高的应用价值。3D打印技术在医学上的应用,除了上述几种外还包括;医学研究、新药研制以及药物剂型、药物配送[2]。
3D打印医学模型:医学模型的制造是3D打印技术在医学领域中最直接、最基本的应用,通过打印出不同的器官和病变的模型,能将器官或病变内部构造的细节逼真地、可视化地呈现出来。外科医生可以根据这些器官或病变的模型,在术前对一些复杂的手术进行手术设计和演练,以确保手术的成功,降低手术的风险,减少手术的并发症。
同样利用这些模型,还可以对低年资的医生进行培训,从而提高低年资医生的手术熟练程度和积累经验,起到培训和教学的作用。由于缺乏医疗知识,患者及家属往往对疾病认识不足,而通过3D打印技术将患者的病变模型逼真的打印出来,可以提高患者对自己疾病的认知程度,从而有利于医生向患者及家属告知和解释病情。
个体化医疗器械/组织工程的制造:3D打印技术在医疗器械和组织工程中的已经得到了广泛的应用,如在骨科个体化钢板、人工关节、假肢的制造,以及耳鼻喉科中个体化人工外耳道、助听器、个性化种植牙等方面已经有了初步的探索应用。
3D生物打印:3D生物打印可以直接打印出器官与组织,直接用于替代治疗,目前这一类应用仍旧在探索中。
神经外科所涉及的神经系统解剖结构复杂,功能精细,病变更是错综复杂,给手术和教学带来很大困难,给医疗安全亦带来巨大的隐患。神经外科医师的工作对象是人体最复杂精密的解剖结构,尤其是形态极其不规则的颅底骨质,和其上的脑组织、血管、颅神经等,再加上众多的神经系统肿瘤和血管畸形等病变,使复杂而狭小的颅腔内结构产生了巨大的变化,一般的影像学很难直观的呈现出颅内病变的结构,处理这些病变给神经外科医师带来了极大的困难和挑战。
颅内动脉瘤的治疗现状
颅内动脉瘤多为发生在颅内动脉管壁上的异常膨出,是造成蛛网膜下腔出血的首位病因,在脑血管意外中,仅次于脑血栓和高血压脑出血,位居第三。颅内动脉瘤好发于脑底动脉环(Willis环)上,其中80%发生于脑底动脉环前半部。颅内动脉瘤是一种良性疾病,大多数需要手术治疗。颅内动脉瘤显微外科手术有较高的致残、致死风险,手术治疗对术者技术的要求较高。目前颅内动脉瘤手术治疗主要有显微手术夹闭和血管内栓塞。而显微外科手术最大的难点在于手术夹闭材料的选择,动脉瘤解剖位置的准确把握和手术并发症的预防,特别是对复杂、宽颈的囊状动脉瘤,术前计划对减少术中操作损伤及减少手术时程尤为重要。因为这些因素与动脉瘤破裂、术后感染、致残率和病死率有密切关系。而神经介入手术,也需要医生具有良好的手术技巧与熟练的血管解剖经验。颅内血管结构复杂,即使是具备丰富的临床经验与解剖知识的医生,拥有娴熟的神经外科手术技术、介入操作技术和高清晰的影像设备,在处理脑血管病变时也面临巨大挑战和困惑。而利用3D打印技术,可以将影像学数据转换成3D打印数据,从而制备复杂颅底肿瘤和血管模型,利用这些模型,神经外科医师和神经介入医生可以进行手术计划、手术演练、教学和个体化精准治疗。对颅内动脉瘤而言,最大的价值或许在于对显微外科术中的解剖关系显露及模拟手术入路;对AVM而言,帮助了解畸形团内结构及血流动力学改变,指导治疗策略制定;相信对其他脑血管病,如硬脊膜动静脉瘘等亦有积极的作用[3]。
3D打印技术在颅内动脉瘤中的应用2.1术前手术模拟操作:
3D打印模型有助于手术方式的选择,如血管内介入治疗还是开颅手术,并能确定显微外科手术时手术入路。动脉瘤开颅手术的难点在于难以明确动脉瘤颈与载瘤动脉的关系、是否与周围的血管有粘连,辨认被瘤体遮挡的细小血管分支等。3D打印模型与动脉瘤及其周围结构形态一致,可以增强术者对动脉瘤形态结构学的理解,并据此决定动脉瘤夹的长度、形状以及动脉瘤夹的放置角度和位置等,以避免术中动脉瘤破裂和损伤周围血管。全方位视角了解动脉瘤的解剖结构及其与周围血管组织的关系,可以使术者更好地明确动脉瘤夹闭时的策略,尤其是对缺乏手术经验的神经外科医师,可以从3D打印模型获益,包括对动脉瘤解剖结构的认识、手术入路的选择及对动脉瘤夹闭操作的模拟演练[4]。有学者制作了13个颅内动脉瘤3D打印模型用于诊断、手术计划、术前模拟、训练低年资医师及患者宣教,结果显示,3D打印模型和术中所见解剖结构一致;5名神经外科医师均认为模型有助于理解脑血管的解剖结构、明确动脉瘤方向及动脉瘤与载瘤动脉的关系,且可用于训练缺乏经验的神经外科医师及为患者宣教;其中3名医师认为模型可使手术计划、动脉瘤颈评估、手术方式选择(夹闭或栓塞)及动脉瘤夹的放置位置的选择等工作简化[5]。相比于影像学资料,3D打印模型提供的不仅是视觉感受,还有触觉,让术者更加真实地模拟实际手术情景,更好地理解动脉瘤的解剖,给予术者立体全方位的感受。值得一提的是,当医师触碰到柔软的动脉瘤模型时,手指对模型施加的压力使血管模型发生形变和移位,这样的感受可使术者更深地理解在手术过程中,由于脑组织移位和手术操作所致的血管位置及形状改变;另外,若要观察位于动脉瘤后方的血管,在传统的电脑操作的3D影像学资料上,需要旋转整个大脑以改变视角,而在模型上只需要将动脉瘤稍微移开,便可观察位于其后方的血管,给予术者非常真实的手术情景体验[6]。借助动脉瘤模型,术者可以从各个角度近距离地研究复杂的脑血管解剖结构,进而增强术者的理解,特别是当医学影像资料的显示不甚清晰时。2.2教学模型:
在神经外科领域,对动脉瘤手术操作的培训相对困难。年轻的神经外科医师很少有机会独立开颅进行动脉瘤手术,因为相对简单或未破裂的动脉瘤手术大部分通过血管内介入治疗完成,需要手术夹闭的动脉瘤大多较复杂,需要较高的手术技能心。而3D打印动脉瘤模型较好地解决了这一难题,借助该模型,年轻的神经外科医师可以在一个安全可控的操作环境,全方位观摩复杂颅内动脉瘤的解剖模型,进行术中模拟操作及手术风险评估,增加年轻医师实际操作的实践和机会,可使他们在短时间内获取复杂的手术技能,并可以此建立客观的手术技能培训和考核系统,使动脉瘤手术技术的培训规范化和流程化[7]。2.3神经介入手术中的应用
有3D打印技术辅助下进行神经介入的报告。尽管血管内治疗颅内动脉瘤对患者来说非常微创,但是对手术医师而言,术前需要考虑和合肥白癜风医院北京中科是公立医院吗