李 克谷守欣張國福付 玏

作者單位： 1復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院放射科　2復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院放射科

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3D打印技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的臨床應(yīng)用

李 克1谷守欣2張國福2付 玏1

作者單位： 1復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院放射科2復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院放射科

【摘要】總結(jié)3D打印技術(shù)在外科學(xué)的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀，分析未來發(fā)展趨勢。檢索目前國內(nèi)外3D打印技術(shù)在外科學(xué)臨床應(yīng)用的相關(guān)文獻，并進行綜合分析。3D打印技術(shù)在外科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響越來越深刻，但臨床實際應(yīng)用中仍存在諸多問題。隨著生物材料科學(xué)和計算機信息技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)外科學(xué)方面必將實現(xiàn)突破性的進展。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù)；快速成型；顱骨缺損

中國醫(yī)學(xué)計算機成像雜志，2016，22：92-96

Chin Comput Med Imag，2016，22：92-96

1 Department of Radiology, Huashan Hospital, Fudan University

2 Department of Radiology, Obstetrical and Gynecological Hospital, Fudan University,

Address: 128 Shenyang Rd., Shanghai 200090, P.R.C.

Address Correspondence to GU Shou-xin （E-mail: shouxin2006aggie@163. co）

3D打?。╰hree-dimensional printing，3DP）技術(shù)源于20世紀80年代，是一種快速成型技術(shù)；它由計算機輔助設(shè)計數(shù)據(jù)及成型設(shè)備將成型材料以“分層制造，逐層疊加”的原理，快速制作所需物件三維實體的一種分層制造技術(shù)。作為新型工業(yè)加工技術(shù)，3D打印技術(shù)集成了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、計算機輔助設(shè)計/制造（CAD/CAM）技術(shù)以及新材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果［1-2］。3DP的核心是“增材制造”、“分層制造”以及“快速成型”，而“分層制造”與數(shù)字醫(yī)學(xué)中CTMRI等檢查提供的連續(xù)斷層圖像信息有著先天共通的契合點，正如王成燾教授所說：醫(yī)學(xué)界對于3D打印技術(shù)有著一種先天的親切。3D打印技術(shù)自引入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域后就被臨床外科學(xué)所普遍關(guān)注，如顱腦外科、頜面外科、整形外科等等，并且該技術(shù)被認為是神經(jīng)系統(tǒng)外科學(xué)數(shù)字化發(fā)展進程中的重要環(huán)節(jié)。

3D打印技術(shù)的分類和材料

1． 3D打印技術(shù)分類

3DP根據(jù)打印材料的形式和工藝方法不同，大致分為五大類：①粉末/絲狀材料高能束燒結(jié)及熔化成型，如電子束熔化（EBM）、激光選區(qū)熔化（SLM）等；②液態(tài)樹脂光固化成型，如紫外光固化成型（SLA）等；③絲材擠出熱熔成型，如熔融沉積制造（FDM）；④液體噴印成型，如立體噴?。?DP）；⑤固體薄層材料片/板/塊材粘接或焊接成型，如分層實體制造（LOM）等。

經(jīng)典的快速成形技術(shù)包括如下四種［2-3］：

1．1粉末粘結(jié)3D打?。⊿LS）：該技術(shù)應(yīng)用范圍最廣，因其適用的材料范圍大， 特別是金屬和陶瓷材料的成型方面有獨特的優(yōu)勢。工藝過程：首先，在工作平臺上均勻鋪灑單位厚度的粉末材料（圖1）；然后，按照實體模型離散層面的數(shù)字信息將粘結(jié)劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結(jié)，形成單位實體截面層（圖1），同時將工作臺下降一個單位層厚；重復(fù)上述步驟，逐層堆砌，最終形成三維打印產(chǎn)品（圖1）。優(yōu)點：精密度高；材料適用范圍廣；無需附加支撐結(jié)構(gòu)。缺點：成本較高；產(chǎn)品強度偏低，一般需要后續(xù)工藝提高強度，但后續(xù)工藝會導(dǎo)致產(chǎn)品體積收縮，變形嚴重。

1．2光固化3D打?。⊿LA）：該技術(shù)使用液態(tài)光敏樹脂作原料，基于噴射成形技術(shù)和光固化成形技術(shù)。工藝過程：打印噴頭根據(jù)零件的截面形狀，選擇性噴射光固化實體材料和光固化支撐材料形成截面輪廓，在紫外光照射下光固化材料邊打印邊固化，層層堆積至制件成形完畢。優(yōu)點：精密度高，是所有RP工藝中最高的；模型產(chǎn)品表面質(zhì)量好，制作效率高，原材料的利用率高，能制造形狀復(fù)雜、特別精細的零件。缺點：材料適用范圍較窄；固化過程中易發(fā)生翹曲變形，必須另外設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。目前骨骼類產(chǎn)品的打印材料如羥基磷灰石，生物玻璃等本身不具有光敏性，需與光敏材料混合使用，從而導(dǎo)致打印后的產(chǎn)品生物活性改變。

1．3熔融材料3D打印成形（FDM）：該技術(shù)基于熔融涂覆成形（FDM）專利技術(shù)，分別加熱兩種絲狀熱塑性材料至熔融態(tài)，由計算機控制擠壓頭的運動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，根據(jù)零件截面形狀，選擇性涂覆實體材料和支撐材料形成截面輪廓，并迅速冷卻固化，層層堆積至制件成形完畢，其原理與光敏材料3D打印成形類似。該技術(shù)的系統(tǒng)成本較低，無污染。另外，采用該技術(shù)加工由磷灰石和骨骼所需的有機鹽配置而成的骨水泥，有利于保證產(chǎn)品的生物相容性和生物活性。缺點：材料適用范圍有限；成形較慢，精度也有待提高。

1．4分層實體制造（LOM）：該技術(shù)采用激光切割法，即利用二氧化碳激光束對背面涂有熱融膠的紙進行逐層數(shù)控切割，并通過粘合逐層疊加出樣品。層面信息通過每一層的輪廓來表示， 激光掃描器動作由這些輪廓信息控制，它采用的材料是具有一定厚度的片材，這種加工方法只需加工輪廓，因此加工速度快， 并且成本低。但材料范圍很窄，每層范圍不可調(diào)整是其最大缺點。另外，產(chǎn)品切緣常殘留熱融膠，不易剔除，因而難以獲得高精度的產(chǎn)品。

2．3D打印技術(shù)的材料

快速成形技術(shù)是計算機技術(shù)與材料技術(shù)結(jié)合誕生的新型加工技術(shù)，材料科學(xué)的發(fā)展對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用和推廣意義重大。目前可用于3D打印的材料不超過100種，而能用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的非常少。下面介紹幾種主要的打印材料。

2．1水凝膠：細胞相容性良好的水凝膠可以使細胞存活，從而實現(xiàn)成骨細胞、內(nèi)皮祖細胞的良好分化。目前，水凝膠廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，例如“生物墨水”成分便是水凝膠溶液與細胞懸液等混合物制成。3DP技術(shù)發(fā)展迅猛，并在該領(lǐng)域取得多項突破性進展：利用活體細胞作為“墨水”打印人體的組織、器官；利用軟骨細胞和可降解材料化合物打印三維生物工程支架，成功合成軟骨基質(zhì)；采用人體胚胎干細胞作為“墨水”直接打印三維結(jié)構(gòu)獲得成功，并保持胚胎干細胞分化潛能，為器官打印和移植提供了技術(shù)上的支持。

圖1 粉末粘結(jié)3D打印的工藝過程［4］A．均勻鋪灑多層單位厚度的粉末材料。B．打印噴頭選擇性噴射彩色粘結(jié)劑。C．重復(fù)過程，堆積模型。D．清除多余的粉末，應(yīng)用粘結(jié)劑。

2．2磷酸鈣生物陶瓷材料：是一種重要的骨修復(fù)材料，屬于可吸收生物陶瓷，因其在生物體內(nèi)逐漸降解， 被骨組織吸收， 是非常有前景的骨組織工程支架材料，主要用于整形外科、牙科種植和脊柱外科等領(lǐng)域。

2．3鈦：目前，公認的組織相容性最好、性質(zhì)最穩(wěn)定、質(zhì)量最輕的修補材料之一。其來源豐富，不易被腐蝕，固定牢靠，并發(fā)癥少，對術(shù)后磁共振成像檢查無影響；其彈性模量和人骨非常接近，完全可用于人工骨骼移植，是現(xiàn)階段較為理想的顱骨修補材料和支架移植材料。近年來在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其在神經(jīng)外科顱骨修補治療中得到廣泛的應(yīng)用。

2．4智能材料：智能材料結(jié)構(gòu)在外界刺激下，可將傳感、控制和驅(qū)動三種功能集于一身，能夠完成相應(yīng)的反應(yīng)，主要包括電活性聚合物和記憶膠體等智能材料。2013年，Skylar Tibbits首次提出“4D打印技術(shù)”概念［5］，即通過3D打印技術(shù)制造加工任意復(fù)雜形狀的智能材料，該智能材料可以隨時間和外界環(huán)境發(fā)生相應(yīng)變化。對于智能材料而言，3D打印技術(shù)解決了傳統(tǒng)制備方法無法制備復(fù)雜性狀智能材料的難題。目前，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用和研發(fā)的產(chǎn)品包括智能醫(yī)用繃帶、變焦距透鏡和仿生機器人等。

三維重構(gòu)建模和快速成型技術(shù)

3D打印的前提是生成可用于驅(qū)動打印噴頭的指令數(shù)據(jù)進而操控成型設(shè)備實現(xiàn)產(chǎn)品成型。臨床通過影像檢查CTMRI等掃描設(shè)備獲得人體組織的二維斷層圖像數(shù)據(jù)，然后利用專用軟件將二維斷層圖像重建為三維虛擬模型，并生成為快速成型機可以接受的STL（stereo lithography）格式圖形文件，最終制造出生物產(chǎn)品三維實體模型。

三維重建為病變體的定量分析（如計算體積，表面積和空間方位等）提供重要依據(jù)，是手術(shù)規(guī)劃和模擬手術(shù)過程的重要部分。三維重構(gòu)建模不僅提供人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維模型，而且利用相關(guān)軟件還能在模型上進行手術(shù)設(shè)計和生物力學(xué)分析，這一點在脊柱外科的螺釘置入術(shù)中意義顯著。

1． 數(shù)據(jù)獲取

CT、MRI和正電子放射斷層掃描（PET）等檢查都能輕松獲得病人有關(guān)部位的二維斷層圖像數(shù)據(jù)，其中，螺旋CT與快速成型技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用更為普遍，尤其擅長骨骼數(shù)據(jù)的獲取。隨著CT掃描技術(shù)的飛躍發(fā)展和偽影抑制技術(shù)的進步，螺旋CT可以連續(xù)移動和無間隔掃描， 當準值厚度和前進速度相等時， 偽影可以減少到最低限度， 可達到類似高分辨率CT的高質(zhì)量圖像，為三維重建時邊界的提取及矢量化奠定了基礎(chǔ)。MRI引導(dǎo)下的3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較少，目前僅有心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等少數(shù)應(yīng)用報道。

2． 三維重建

除了CT工作站自帶的三維重建系統(tǒng)外，目前，國外市場已經(jīng)出現(xiàn)多個商品化的醫(yī)學(xué)影像三維處理軟件，比較經(jīng)典的如比利時公司的Mimics，美國公司的3D．Doctor等，以及國內(nèi)的3D Med 、Delphi、“AccuRad TM pro 3D高級圖像處理軟件”等。醫(yī)學(xué)圖像處理軟件可將CT 或 MRI 掃描的二維斷層數(shù)據(jù)，以 DICOM格式輸入，通過濾波、二值化、輪廓提取和三維重建，最終轉(zhuǎn)化為 STL 文件導(dǎo)出。

3． 快速成型打印

三維重建后的圖像，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換，以STL格式數(shù)據(jù)輸入計算機，應(yīng)用快速成型技術(shù)，逐層堆積即可制作成大小相等、形狀相同的實體模型。

3D打印技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)方面的應(yīng)用及國內(nèi)現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域20多年來，已經(jīng)引起越來越多臨床學(xué)科的關(guān)注和重視，特別是硬組織外科領(lǐng)域。3D打印技術(shù)屬于非傳統(tǒng)加工工藝，與傳統(tǒng)“減材”制造方向相反，該技術(shù)通過“增材”制造將材料直接加工成成品，特別適合生物醫(yī)學(xué)中多曲面、非對稱、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細等復(fù)雜產(chǎn)品（如骨骼和器官）的快速制造和個性化定制。

本文將著重介紹融入3DP技術(shù)最廣泛、影響最深刻的神經(jīng)系統(tǒng)外科疾病的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀。

1． 硬組織外科

1．1顱骨缺損修復(fù)：顱骨缺損會導(dǎo)致患者顱骨的保護功能受損，從而引發(fā)患者的各種神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。醫(yī)學(xué)發(fā)展日新月異，患者對手術(shù)效果要求更高，除了達到外形和功能的修復(fù)，還要兼顧外形美觀。3D打印技術(shù)可以幫助外科醫(yī)生根據(jù)患者顱骨缺損的實際情況進行個性化的數(shù)字化精確修復(fù)，最大程度地接近自然外觀的效果。

魯能的表現(xiàn)也同樣有些難堪，兩隊自2008年至今已在中超交手20次，魯能隊1勝9平10負的戰(zhàn)績簡直慘不忍睹。

1．1．1預(yù)制個性化顱骨缺損修復(fù)體：術(shù)前將顱骨缺損患者CT掃描斷層圖像的數(shù)據(jù)進行三維重建處理，精確設(shè)計修補材料的大小及生理弧度，并運用計算機技術(shù)進行精確設(shè)計塑形，制造出與缺損處吻合良好的修復(fù)體。該技術(shù)尤其在特殊部位的成形手術(shù)（如顱底處），具有傳統(tǒng)方法無法超越的優(yōu)越性。值得注意的是，預(yù)制修復(fù)體時采用的是鏡面對照原理，而雙側(cè)顱骨缺損患者面臨缺乏自身健側(cè)對照數(shù)據(jù)的問題。目前隨著正常顱骨數(shù)據(jù)庫的建立，此類患者可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)找到相似的形態(tài)數(shù)據(jù)加以比照，然后進行技術(shù)處理還原，從而設(shè)計制作成比較滿意的修復(fù)體。

與傳統(tǒng)的手工修復(fù)方式相比，數(shù)字化3D快速成型技術(shù)在顱骨修補手術(shù)中具有明顯優(yōu)勢：

（1）快速成型技術(shù)制造個性化修復(fù)體的周期短、效率高

（2）預(yù)制體與缺損處解剖形態(tài)匹配良好、術(shù)后效果患者滿意度高

（3）術(shù)前預(yù)制缺損修復(fù)體，省去術(shù)中塑形過程，大大縮短手術(shù)時間

（4）簡化手術(shù)操作過程，術(shù)中麻醉時間縮短，手術(shù)風(fēng)險降低

1．1．2修復(fù)材料：顱骨缺損的修復(fù)材料除了要恢復(fù)頭顱解剖學(xué)原貌，還要組織相容性好，并發(fā)癥少，這樣手術(shù)的遠期效果才會理想。因此，目前國內(nèi)外研究的熱點集中在數(shù)字化成型技術(shù)中顱骨缺損修復(fù)材料的應(yīng)用價值比較［6］：

（1）鈦網(wǎng)：目前被臨床廣泛應(yīng)用。根據(jù)患者頭顱CT掃描數(shù)據(jù)及三維重建結(jié)果，模擬缺損顱骨的形狀和曲度，預(yù)制個性化的鈦網(wǎng)補片，解剖外觀和組織相容性均取得滿意效果。因修復(fù)體和缺損面吻合度高，明顯減少了術(shù)中固定鈦釘?shù)氖褂脭?shù)量，某種程度上可降低患者的部分治療費用。該材料對術(shù)后CT、核磁共振等檢查無明顯影響，極具臨床推廣價值。

（2）復(fù)合材料EH：具有醫(yī)用樹脂和羥基磷灰石復(fù)合材料的優(yōu)點：生物相容性良好、機械強度大、植入后不吸收、不變形，并發(fā)癥較少，其作為階段性的產(chǎn)品，是一個相對比較能夠滿足臨床需要的材料，有待進一步的時間驗證和推廣。

（3）組織工程骨：組織工程骨是理想的骨缺損修復(fù)材料。但目前該技術(shù)掌握的難度大、費用高、周期長，尚難以在臨床大規(guī)模推廣。

1．2 脊柱外科：脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而脊柱損傷、畸形、退變及腫瘤等常見脊柱疾病又常伴有椎體結(jié)構(gòu)的解剖變異，尤其是兒童胸椎椎弓根細小，節(jié)段性差異大，周圍伴有血管、神經(jīng)根、脊髓等重要組織結(jié)構(gòu)，手術(shù)允許偏差范圍小、風(fēng)險大，因此脊柱外科的手術(shù)治療對臨床醫(yī)師來說非常棘手，并且具有挑戰(zhàn)性。如何提高手術(shù)精確性和安全性是脊柱外科醫(yī)生共同努力的目標。

3D打印技術(shù)在脊柱外科的臨床應(yīng)用特點［7-11］：

（1）提供脊柱立體實物模型：可立體顯示脊柱病變的解剖結(jié)構(gòu)，方便觀察、測量，對手術(shù)方案的制定、術(shù)前手術(shù)模擬操練具有指導(dǎo)意義。常用于重度脊柱畸形的矯正（圖3）。

（2）提高手術(shù)精確性和安全性：尤其在椎弓根的螺釘內(nèi)固定中優(yōu)勢明顯。個體化椎弓根螺釘導(dǎo)航模板是3D打印技術(shù)的產(chǎn)物，該方法對脊柱進行三維重建，從不同的角度與方向觀察實物模型，術(shù)前模擬置釘入路并制定參數(shù)，明顯縮短手術(shù)時間，顯著提高了手術(shù)安全性。

（3）發(fā)展前景廣闊：三維重建技術(shù)結(jié)合三維有限元可以分析脊柱各部分的受力情況，固定器械的應(yīng)力狀態(tài)，從而為開發(fā)各種更加堅固的椎弓根內(nèi)固定材料提供技術(shù)支持。

2． 軟組織外科

2．1 顱內(nèi)動脈瘤：Wurm等［12］將快速成型技術(shù)應(yīng)用于顱內(nèi)動脈瘤的手術(shù)治療，動脈瘤的3DP立體模型有助于術(shù)前診斷和手術(shù)計劃的制定，可供經(jīng)驗不足的醫(yī)生術(shù)前模擬操作和術(shù)中手術(shù)指導(dǎo)。研究結(jié)果證實3D快速成型技術(shù)在腦外科手術(shù)的可行性和實用性。

2．2 腦室系統(tǒng)畸形：國外研究者利用3D打印技術(shù)制造出Dany-walker畸形患兒的腦室系統(tǒng)模型，該3D模型顯示病變直觀、立體，有效地幫助醫(yī)生和患兒家屬溝通，為觀察和測量腦室的復(fù)雜形態(tài)提供唯一的可能性。

2．3外耳畸形修復(fù)：快速成形技術(shù)和組織工程技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建的生物替代物在人體器官修復(fù)方面具有良好前景。目前，國內(nèi)外學(xué)者將快速成型技術(shù)用于小耳畸形的全耳再造修復(fù)，利用該技術(shù)制作的三維模型較傳統(tǒng)的二維膠片模型更加立體、直觀，可以指導(dǎo)術(shù)前雕刻和術(shù)中修復(fù)對照。

總結(jié)和展望

3-D打印技術(shù)臨床應(yīng)用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)［1，13-15］：

（1）提供術(shù)前模擬手術(shù)的模型：更直觀的協(xié)助醫(yī)生進行病情解釋與術(shù)前病情分析，減少醫(yī)患矛盾；典型病例模型還可作為示教用具。

（2）提供術(shù)前模擬手術(shù)操作的可行性：幫助外科醫(yī)生術(shù)前全面評估病情；分析和探索最佳手術(shù)方案，從而減少手術(shù)時間、術(shù)中出血及各種并發(fā)癥；方便外科醫(yī)生對解剖結(jié)構(gòu)的認識，大大降低了手術(shù)帶來的副損傷。

（3）預(yù)制術(shù)中導(dǎo)板，優(yōu)化手術(shù)效果：術(shù)中將導(dǎo)板準確就位、穩(wěn)定固定，促進手術(shù)的個性化和精確性。

（4）個性化治療中植入物的計算機輔助設(shè)計和制作：精確契合缺損部位，目標是既仿制物體外部空間造型，也打印內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從宏觀結(jié)構(gòu)到微觀組織的“內(nèi)外兼修”。

3D打印技術(shù)正在迅速發(fā)展成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一項熱門研究技術(shù)，是數(shù)字化醫(yī)學(xué)進程中的催化劑。目前，3D打印技術(shù)的諸多優(yōu)勢在國內(nèi)還停留在理論層面，距離臨床實踐和廣泛推廣的目標還有距離。我們相信隨著生物材料科學(xué)的進步和計算機技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)必將實現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域的革命性進步。

參 考 文 獻

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Application of Three-dimensional Printing Technique in Central Neural System Diseases

LI Ke1, GU Shou-xin2, ZHANG Guo-fu2, FU Le1

【Abstract】To review the current research status of three-dimensional （3-D） printing technique on clinical surgery application and predict the future development trends. Recent related literature about 3-D printing technique on surgery application was summarized, reviewed, and analyzed. 3-D printing technique is more and more widely used in the field of surgery application, and has had a profound influence on central nervous system, but still many problems existed. As the rapid development of the biological materials science and computer technology, 3-D printing technique will achieve breakthroughs in terms of neurosurgery.

【Key words】Three-dimensional printing technique；Rapid prototyping；Cranial defect

收稿時間:（2015.03.31;修回時間：2015.05.16）

通信作者：谷守欣 （電子郵箱：shouxin2006aggie@163.com）

通信地址:上海市楊浦區(qū)沈陽路128號, 上海200090

中圖分類號：TP334.8

文獻標志碼：B

文章編號：1006-5741（2016）-01-0092-05