3D打印（Three-dimensional printing）技術(shù)是一種計算機(jī)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(jī)處理并轉(zhuǎn)化成特定的程序，由3D打印機(jī)逐層打印成產(chǎn)品。自從20世90年代開始進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)建模后，再將模型轉(zhuǎn)化成STL格式進(jìn)行儲存。STL格式能夠以一系列小的三維三角形近似表達(dá)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(jī)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(yán)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(jī)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(jìn)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(dá)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(jī)和三維打印技術(shù)

目前有多種三維打印機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(xì)復(fù)雜的目標(biāo)可達(dá)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(jī)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(xì)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(jìn)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(tuán)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。可見3D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(jìn)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(jìn)行多次手術(shù)演練，達(dá)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(yán)重的顱底手術(shù)便需要進(jìn)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(jìn)行手術(shù)演練，從而在術(shù)前達(dá)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(xì)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(jìn)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(jī)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(jìn)行顱骨修補(bǔ)。目前采用鈦網(wǎng)板作為修補(bǔ)材料，修補(bǔ)后短期內(nèi)少有并發(fā)癥，患者對修補(bǔ)后外觀滿意度較高。但此方法仍然有遠(yuǎn)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?。校牛牛?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(bǔ)材料，未來將成為顱骨修補(bǔ)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(jìn)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(yuǎn)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(yán)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(jìn)行反復(fù)穿刺卵圓孔已達(dá)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(fù)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(fù)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(jìn)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(rèn)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(rèn)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(jìn)行一項神經(jīng)外科領(lǐng)域的科研設(shè)計時，通常要進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。