3D打印技术与神经系统疾病

3D打印 (Three-dimensional printing, 3DP) 是一种增材制造技术, 即以数字模型为基础, 运用原材料逐渐累加制造实体零件的技术, 通常用于制造难以或不能用常规方法制造的物体, 其灵活多样、高度个性化的特点, 在医疗领域得到充分发挥, 具有重要的应用价值。脑神经系统是人体最重要的组织结构, 神经外科技术复杂, 稍有不慎就会导致严重后果。近年来, 3DP开始进入神经系统疾病领域, 在术前模拟训练、颅骨与椎骨替代、组织支架等方面展示出诱人的前景。

3DP的基本原理

3DP技术借助电子计算机断层扫描、血管造影术、磁共振成像、3D超声心动图、X射线等技术手段建立数学模型, 再采用不同的材料, 通过3D打印机分层切割模型, 逐层打印, 叠加构建成三维物体[1,3-4]。

主要的3D成型技术有光固化立体印刷、箔材叠层实体制作、三维喷印、选择性激光烧结和熔融沉积成型、液体界面连续生产, 而常用的材料包括液态光敏树脂、热缩性高分子材料、塑料、陶瓷、金属粉末、去细胞化的细胞外基质、特定供体内的细胞。

3DP与体外模拟训练

3DP的立体脑结构模型逼真地呈现手术中见到的脑组织结构, 能用于医生在术前的模拟操作训练, 并有助于设计合理的手术方案。近年来, 3DP已开始在一些医院的神经外科术前模拟中得到应用。

动脉瘤与脑血管畸形

动脉瘤是脑动脉的异常膨大, 其生长较快, 各个患者生长形态又各有差异, 故手术难度较高。Ryan等参照脑血管影像学获得的参数打印出患者大脑结构与动脉瘤模型, 其精度虽不能将细小血管表现出来, 但较大的动脉与周围脑组织结构清晰逼真, 模拟的动脉可以用外科手术器材处理, 产生真实的外科手术操体验。Waran等采用多种材料, 制造出与组织类型密度一致的模型, 其“皮肤”可进行切割与缝合、“骨骼”坚硬、“脑膜”厚度同肌体相似, 并为“肿瘤”添加方便识别的橙色, 方便进行练习操作。3DP依据病人数据建立个性化模型, 具有准确真实、成本低廉、结实耐用的特点, 在术前模拟训练上十分有效。

脑动静脉畸形 (Arteriovenous malformations, AVMs) 是非常复杂的脑血管结构异常, 其血管结构错综复杂, 结构识别困难, 相互关系难以把握, 手术风险较大。3DP模型制作快、成本低, 直观可靠地反映AVMs的结构, 为手术方案的设计提供重要的参考。Conti等认为, 术前使用高精确的3D透视模型进行训练, 能够提高手术质量, 减少手术失误与并发症, 如大脑区域性破坏域性坏死、出血等。Weinstock等对3名AVMs和1名Galen 静脉畸形儿童患者,根据其MRI图像制作了多种材料组成的血管结构模型,逼真地模拟了血管的分布格局, 并以此为依据预测血栓位置,制定手术方案。在实际的手术中,操作顺利,手术时间明显缩短,较常发生的并发症瘫痪和感觉丧失都没有出现,且术后1周就能独立下床活动。

脑室积液与颅内压监控

脑室积液是引起脑部不同病变的原因,影响了病患脑脊液的分泌吸收和循环环路,脑脊液含量增加引发脑室系统的扩张,常伴随着颅内压的增高。颅内压监控检测由于颅内血液、脑组织、脑脊液的积压导致的颅腔壁压力,对病患颅内压变化的分析,可以帮助判断患者的伤情与脑水肿的情况,有助于治疗方案设计。以往的术前训练主要在尸体组织和计算机虚拟现实系统中进行,近年来开始使用3DP技术。Ryan等使用多种材料制作出CSF患者头部模型,经医学学生和非医学专业人员的使用测试,发现能很快学会 EVD手术的操作,完成导管放置等专业技术。Tai等设计了脑室外引流安置模拟器的3D模型,模型可以显示颅内压力,能够提供导管轨迹和可视化的液体,让操作者从视觉和触觉上感受不同皮肤、脑、骨,逼真地模拟出人类脑室与周围组织,这种模型可以用于对外科医生的 EVD放置进行训练,具有实际应用价值。

椎骨置钉

椎骨置钉是针对椎骨严重损伤患者必不可少的外科操作,脊柱各部位椎体骨骼形态各异,脊髓周围有血管等重要脏器组织,导致在脊柱外科手术中存在风险。外科医生要尽量避免损伤到相邻的组织、神经、血管等,使用3DP制作仿真模型,能在术前设计优化手术方案,有效解决手术中的诸多难点,降低病人风险。其根据术前CT进行三维重构,得到病人特异性的脊椎椎体模型,供医生术前模拟训练,设计最佳置钉位置和角度,帮助锁定位置,从而顺利完成手术操作。3DP 模型有助于全面分析椎骨周围结构,为复杂手术提供了可行性方法。高方友等采用3DP制作颅颈交界区个体化模型,设计手术方案,并以模型辅助手术,通过后路减压及内固定方法,成功地为25例患者完成置钉手术。术后无病人死亡,寰椎齿突间隙缩小,延髓颈髓角增大。尹一恒等在颅底凹陷合并寰枢椎脱位手术过程中针对 10名患者自身状况,使用3DP模型分别设计不同手术方案,使得患者症状改善,植骨融合率高达100%。

3DP与体内替代植入,颅骨修复

颅骨修复是根据现有患者头颅的DIACOM图像, 针对外伤引起的头颅骨破坏、先天性颅骨畸形等异常, 设计出合适的颅骨替代物加以植入。3DP技术充满个性化的量身定制模型,更好的拟合了患者自身的特征, 因而具有更好的适用性。同时,3DP制备使得颅骨替代物的获取更容易、更经济,考虑到生物相容性、经济、重量、生物力学性质、空状结构以及植入后的有无膨胀等问题,目前使用的材料主要是金属、塑料、陶瓷, 其治疗的患者并发症发生率极低,且患者及家庭满意度较高。

Fiaschi指出颅骨的缺失、畸形会引起多种并发症,颅骨的修复移植随年龄增长就愈加困难,因而颅骨的缺损需要及早修复,并选择理想的材料。他采用聚甲基丙烯酸甲酯作为颅骨的修复材料,经3DP等技术加以成型,在多例临床病人的植入试验中取得满意疗效,追踪调查显示并发率低、满意度高,表现优Silfhout和Verstegen利用3DP技术为头骨增厚患者量身制作了一个完全由塑料构成的颅骨模型,并成功移植到患者体内。手术后,患者手术恢复良好,几乎没有手术痕迹,因颅骨增厚造成的大脑压迫所致视力减弱、脑功能损伤等症状得到恢复。

椎间盘突出与脊髓侧弯

腰椎间盘突出是老年人群的常见病,椎间盘替代是这种疾病的治疗方法之一。Mroz等使用3DP技术制造了腰椎间盘假体,相关参数分析显示这种3D模型有可能被实际应用于临床病人。 Spetzger等借助患者CT数据,3D打印出个体特异性的脊椎融合器,其作为脊椎或者脊椎与颅骨间的植入物在脊椎病治疗中常常使用。颈椎硬化性脊髓病、神经根型颈椎患者使用这种3DP的植入结构,精确地匹配了患者的脊椎椎体,具有较好的初期稳定性与更好的承重面,降低了因错位、沉降引起二次手术的可能。

在外科手术中,对于脊椎侧弯病人也常采用椎骨置钉的方法进行治疗。 Takemoto等使用3DP制备的钛模板椎弓螺钉治疗46例患者,420 枚孔钉植入位置准确率达到98.6%,手术成功率达到100%。Kaneyama等设计打印出指导脊椎置钉的一种安全准确的螺钉指导模板,包括位置模板、钻具引导模板、螺旋引导模板,能精确指导脊椎置钉手术过程。在使用这种方法治疗的20例患者中,80枚植入螺钉都精确地插入到预定位置,有97.5%的螺钉完全放置在脊椎根部。证明这种3DP模板体系对指导椎骨置钉手术具有精确、经济、缩短手术时间、减少手术风险的优点。

脑机接口

脑机融合感知(Brain-machineinterface,BMI)又被称为脑机接口,可以实现计算机与大脑数据的直接记录和交换。神经义肢(neuroprosthetics)就是一个典型的例子。通常,植入电极的电极间距越小,意味着电极密度越高,大脑传输的信号越精确,可能会出现更高性能的BMI系统。当前常规手术的电极间距只能达到 10mm,Morris等在3DP制作的个性化模型上,插入直径1mm的铂电极,制作成为符合脑沟内侧曲面率的硅胶型植入片,植入到肌肉萎缩硬化患者的大脑内 21d,测试证明了这种植入电极具有较好的脑机交流性能。该方法将电极距离降到2.5mm,且物理性能、组织细胞毒性、生物相容性等方面,较常规方法有着很大的改善。

作者:徐帅 , 吴彬好 , 陈晓萍