3D打?。═hree-dimensional printing）技術(shù)是一種計算機工程與材料工程相結(jié)合的新型增材制造技術(shù)。該技術(shù)無需原胚和模具，以目標(biāo)物的三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，通過計算機處理并轉(zhuǎn)化成特定的程序，由3D打印機逐層打印成產(chǎn)品。自從20世90年代開始進入醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域，該技術(shù)已在牙科、耳鼻喉科、心血管外科、整形外科和神經(jīng)外科等學(xué)科廣泛應(yīng)用。1999年，神經(jīng)外科的醫(yī)師開始運用這一新興技術(shù)制造患者個體化的顱骨結(jié)構(gòu)、腦血管及顱內(nèi)病灶來幫助進行術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬、科學(xué)研究等工作。

1.3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印技術(shù)的生產(chǎn)流程

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，一般要歷經(jīng)數(shù)據(jù)采集→建?！幊獭x材→打印五個步驟。

（1）數(shù)據(jù)采集

依靠醫(yī)學(xué)數(shù)字技術(shù)獲取患者可疑病變器官的二維數(shù)據(jù)，目前常采用電子3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有數(shù)十年的發(fā)展歷史，并得到一定程度的應(yīng)用。3D打印技術(shù)不成熟、管理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等諸多問題仍限制其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。該文就3D打印技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展、現(xiàn)狀及問題進行分析，闡述其在醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的作用及意義。在監(jiān)管到位、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、管理規(guī)范的情況下，該技術(shù)將對醫(yī)療衛(wèi)生的發(fā)展產(chǎn)生重大意義，能夠更好地服務(wù)于患者。

計算機斷層掃描（Computer tomography, CT） and magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)分別取目標(biāo)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(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，由算法整合成三維數(shù)字化模型，依據(jù)此模型構(gòu)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(shù)據(jù)比對，在誤差范圍內(nèi)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(xiàn)建模的還原度和精確度。

（3）編程

計算機建模后，再將模型轉(zhuǎn)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(shù)字模型，而且能夠?qū)⑷S模型切割成多個二維薄片，記錄每個二維薄片的平面數(shù)據(jù)作為打印機工作的指令，分割的二維薄片越薄，打印出的產(chǎn)品尺寸就越接近原始數(shù)據(jù)。

（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(chǎn)品質(zhì)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(jié)構(gòu)。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(fù)雜的系統(tǒng)往往難以直接打印生產(chǎn)，需要分步打印組件再裝配，組裝用的連接結(jié)構(gòu)同樣是決定成品應(yīng)用價值的關(guān)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(dāng)一個層面完成后，繼續(xù)噴一層可去除的材料例如膠水作為支撐結(jié)構(gòu)，再進行下一個平面的工作，如此反復(fù)直至產(chǎn)品成型。初胚的支撐材料在后期加工中可經(jīng)特殊工藝去除，為了達到使用標(biāo)準(zhǔn)，還需經(jīng)過打磨、拋光、上色、修整等處理才能得到最終產(chǎn)品。

1.2 三維打印機和三維打印技術(shù)

目前有多種三維打印機和不同的3D打印技術(shù)投入臨床使用，各有特點和不足。在頭頸外科常用的技術(shù)有熔絲沉積技術(shù)（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、激光固化技術(shù)（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(yīng)用FDM 技術(shù)，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(chǎn)出強熱塑性及高生物相容度的產(chǎn)品，在制作血管、骨骼、醫(yī)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(huán)保的聚乳酸，其本身價格相比于其他公司的打印設(shè)備也更為便宜。受制造原理限制，該設(shè)備制造的產(chǎn)品往往表面不夠光滑，在Ｚ軸的分辨度低，制造精細復(fù)雜的目標(biāo)可達數(shù)日之久。

（2）Projet　6000

應(yīng)用SLA技術(shù)，采用液態(tài)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(chǎn)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(shù)應(yīng)用廣泛。2015年，Mashiko等依靠此技術(shù)耗費數(shù)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(yīng)用Polyjet技術(shù)，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(nèi)，為打印顱內(nèi)血管提供了技術(shù)支持。與FDM和SLA技術(shù)相比，打印速度更快，精度更高，但價格更貴。產(chǎn)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(jīng)外科使用的最廣泛的打印方式。自3D打印技術(shù)應(yīng)用于各項外科手術(shù)以來，打印模型可滿足切割、縫合、活檢、切除等常規(guī)的手術(shù)操作。

在術(shù)前依據(jù)患者的個體化信息制造出符合患者疾病的解剖模型，實現(xiàn)了從影像學(xué)上的單一視覺到視觸結(jié)合的轉(zhuǎn)變。美國的一例連體嬰兒分離手術(shù)正是應(yīng)用了3D打印技術(shù)成功進行了手術(shù)。該案例采取FDM 原理，將獲取的解剖數(shù)據(jù)分類成軟組織和硬組織，再分別制造各個組織器官對應(yīng)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(jīng)配準(zhǔn)后與CT 成像和視覺對比，成品的平均誤差為0.35mm，標(biāo)準(zhǔn)差＜0.4mm?？梢?D打印連體嬰兒在術(shù)前確實起到了重現(xiàn)病變病理和解剖結(jié)構(gòu)的作用。同樣，在神經(jīng)外科領(lǐng)域，3D打印也有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用

神經(jīng)外科是外科學(xué)的重要分支，是在外科手術(shù)原則和系統(tǒng)解剖學(xué)的基礎(chǔ)上，解決人體神經(jīng)系統(tǒng)疾病的學(xué)科。3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科學(xué)的各亞專業(yè)均有“用武之地”。

（1）3D打印在顱內(nèi)腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

顱內(nèi)腫瘤是神經(jīng)外科最常見的疾病，可導(dǎo)致患者出現(xiàn)頭痛、視力下降、肢體功能障礙、癲癇發(fā)作、精神及意識障礙等癥狀，及時有效地手術(shù)治療是解決病痛的根本辦法。顱內(nèi)腫瘤可發(fā)于顱內(nèi)任何部位，有些腫瘤位置深，壓迫重要神經(jīng)或處于重要功能區(qū)，手術(shù)難度大、風(fēng)險高。

為了確保手術(shù)質(zhì)量，術(shù)前可利用3D打印技術(shù)幫助手術(shù)，先導(dǎo)入患者的原始CT或MRI數(shù)據(jù)，打印出患者的3D頭顱模型，在此模型上進行模擬手術(shù)，從手術(shù)切口到手術(shù)入路，甚至手術(shù)中的MDT（多學(xué)科協(xié)作診治），均可在頭顱模型上反復(fù)演練，從而制定周密的手術(shù)預(yù)案，并進行多次手術(shù)演練，達到滿意為止。這不僅增加了術(shù)者的信心，同時為患者手術(shù)成功奠定了堅實的基礎(chǔ)，最終提高了手術(shù)的質(zhì)量。

（2）3D打印在顱底腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

顱底腫瘤切除術(shù)是神經(jīng)外科手術(shù)中較為復(fù)雜的工作之一。顱底的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)凹凸不平、密度不均更加大了手術(shù)難度，例如經(jīng)顳下顱底入路處理海綿竇區(qū)腫瘤時，巖骨嵴骨質(zhì)會阻擋手術(shù)視野或影響手術(shù)正常操作。有些受骨質(zhì)干擾嚴重的顱底手術(shù)便需要進行一定的骨質(zhì)磨除，3D頭顱模型可提前評估磨除骨質(zhì)的必要性以及磨除骨質(zhì)的具體程度。對于一些形狀不規(guī)則的顱底腫瘤，在二維影像上顯影往往不能全部體現(xiàn)其解剖特征，術(shù)中發(fā)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)或腫瘤畸變會提高手術(shù)難度，延長手術(shù)時間，增加手術(shù)風(fēng)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(guān)系，并可進行手術(shù)演練，從而在術(shù)前達到熟練手術(shù)的每一步驟，不僅縮短手術(shù)時間，而且降低手術(shù)風(fēng)險，使患者受益最大。

（3）3D打印在顱內(nèi)動脈瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

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

（4）3D打印在顱腦穿刺中的應(yīng)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(nèi)壓，緩解癥狀。常規(guī)采用CT和/或MRI引導(dǎo)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(qū)，規(guī)劃更科學(xué)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(fù)術(shù)中的應(yīng)用

顱腦損傷、大骨瓣減壓手術(shù)及顱骨腫瘤切除術(shù)等，由于術(shù)后的顱骨缺損，骨窗受大氣壓影響后，往往而內(nèi)陷，不但影響美觀，而且壓迫腦組織出現(xiàn)顱內(nèi)壓紊亂等并發(fā)癥，因此需要及時進行顱骨修補。目前采用鈦網(wǎng)板作為修補材料，修補后短期內(nèi)少有并發(fā)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(dāng)鈦網(wǎng)與自體骨一起受力即發(fā)生應(yīng)力屏蔽時，會引發(fā)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打印選取ＰＥＥＫ 等生物相容度更高、影像學(xué)影響更小的材料塑造更優(yōu)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(jīng)痛治療中的應(yīng)用

三叉神經(jīng)痛是神經(jīng)外科常見的疾病，發(fā)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(shù)治療。目前，手術(shù)的主要方式有兩種：顯微血管減壓術(shù)和經(jīng)皮三叉神經(jīng)半月神經(jīng)節(jié)射頻熱凝術(shù)，癥狀緩解率和遠期滿意度較高，其中經(jīng)皮半月神經(jīng)節(jié)射頻電凝療法由于微創(chuàng)性而更優(yōu)于顯微血管減壓術(shù)療法。該術(shù)式的關(guān)鍵在于將射頻針精準(zhǔn)通過卵圓孔刺入三叉神經(jīng)半月神經(jīng)節(jié)。

卵圓孔位于顱底中部，周圍骨質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其間走行顱神經(jīng)和大血管，穿刺不準(zhǔn)確可能會誤傷重要的顱神經(jīng)、頸內(nèi)動脈和椎動脈等，從而產(chǎn)生嚴重并發(fā)癥，甚至危及生命。采用3D打印技術(shù)，術(shù)前可在3D頭顱模型進行反復(fù)穿刺卵圓孔已達到熟練，從而最大程度的保證穿刺的精準(zhǔn)性和安全性，具有較高的臨床應(yīng)用和推廣價值。

（7）3D打印在神經(jīng)外科脊柱手術(shù)中的應(yīng)用

神經(jīng)外科的脊柱手術(shù)主要用于治療椎管內(nèi)、外腫瘤、脊柱畸形和脊髓血管畸形等。手術(shù)過程要警惕穿行于脊柱間隙中的脊神經(jīng)和椎動脈，避免術(shù)后肢體功能障礙或術(shù)中大出血。3D打印重建患者的脊柱模型，針對不同節(jié)段的椎體，設(shè)計個性化的手術(shù)路徑，降低手術(shù)風(fēng)險，提高手術(shù)成功率。

（8）神經(jīng)外科常用藥物的3D打印

帕金森病和癲癇是神經(jīng)外科常見的功能性疾病，多數(shù)患者均需要用多種藥物聯(lián)合應(yīng)用，才能緩解癥狀或控制病情。多種藥物治療不僅加重了醫(yī)療負擔(dān)，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(shù)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(jù)不同藥物的代謝動力學(xué)特點結(jié)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(dān)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(biāo)的實現(xiàn)更進一步。

（9）3D打印在神經(jīng)外科醫(yī)患溝通中的應(yīng)用

神經(jīng)外科疾病病種復(fù)雜，病情變化迅速，治療費用高，患者及家屬時常因為治療結(jié)果與心理預(yù)期不符而產(chǎn)生醫(yī)療糾紛，其部分原因是醫(yī)患雙方溝通不足的問題。由于患方缺乏專業(yè)的神經(jīng)外科學(xué)知識，不能理解或只是片面理解醫(yī)師在術(shù)前溝通工作中對于疾病和手術(shù)等相關(guān)問題的表述，對于疾病的不良轉(zhuǎn)歸未能有正確的認識，導(dǎo)致醫(yī)患雙方出現(xiàn)矛盾。應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出頭顱模型，以實體模型再現(xiàn)病變區(qū)的解剖結(jié)構(gòu)，讓患方對病情有直觀的了解?；挤娇芍庇^的感受到手術(shù)的計劃及難度，讓患方對于手術(shù)難度，手術(shù)風(fēng)險都有更客觀地認識，充分做好醫(yī)患雙方在術(shù)前的知情同意工作，避免出現(xiàn)因溝通不暢導(dǎo)致的醫(yī)患矛盾。

（10）3D打印在神經(jīng)外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

神經(jīng)外科的培訓(xùn)周期較其他學(xué)科更長，手術(shù)對解剖學(xué)的要求更高，低年資的醫(yī)師很難獨立完成一臺較復(fù)雜的神經(jīng)外科手術(shù)。傳統(tǒng)模式下，經(jīng)驗不足的醫(yī)師通過術(shù)中觀看手術(shù)流程學(xué)習(xí)手術(shù)操作原則及步驟，再利用動物模型、大體頭顱標(biāo)本模擬手術(shù)以提高技巧。這種教學(xué)方式耗費資源多、學(xué)習(xí)時間長且提升能力有限。3D打印技術(shù)可以在手術(shù)室外提供一個高度仿真的學(xué)習(xí)條件，最大幅度的優(yōu)化青年醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線。

（11）3D打印在神經(jīng)外科科研設(shè)計中的應(yīng)用

在進行一項神經(jīng)外科領(lǐng)域的科研設(shè)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(zhuǎn)歸。例如進行動脈瘤的研究時，先向?qū)嶒炗猛玫闹鲃用}注射誘發(fā)炎癥的藥物制造出動脈瘤模型，再通過干預(yù)觀察暴露組和對照組的差別得出結(jié)論。這種實驗結(jié)果會受到實驗動物本身的系統(tǒng)誤差，如變異、死亡等風(fēng)險因素的影響，且違背了倫理學(xué)要求。3D打印模型能夠替代動物或大體頭顱標(biāo)本，提供了新的研究手段和方向。

3D打印技術(shù)也可應(yīng)用于制造新型的手術(shù)器械，評估設(shè)備的合理性和安全性。在多種手術(shù)路徑規(guī)劃的過程中，可以結(jié)合術(shù)中需要設(shè)計更簡單的術(shù)中器械以降低手術(shù)難度。劉宇清等成功在三維重建技術(shù)的基礎(chǔ)下制造了側(cè)腦室穿刺術(shù)－引導(dǎo)裝置實體模型，穿刺成功率為93.75%，展示了3D打印技術(shù)在手術(shù)器械制造方面的廣闊前景。

3.展望

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和在神經(jīng)外科學(xué)的應(yīng)用空間固然可圈可點，但其自身的技術(shù)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(xué)技術(shù)的發(fā)展和國家質(zhì)量監(jiān)控體系及相關(guān)法律法規(guī)的完善，該技術(shù)必然能夠揚長避短，為神經(jīng)外科領(lǐng)域帶來更大的革新。