劉婷，楊德雨，3，劉莉，唐戈，劉曙東

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用橡硅膠、粉末狀金屬、光敏樹脂或者塑料等可黏合的材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用主要包括：制造個(gè)性化3D模型，模擬或指導(dǎo)手術(shù)過程；打印人工骨用于骨重建及骨支架用于骨缺損修復(fù)；打印人工器官、血管及皮膚組織；生物活細(xì)胞打?。恢扑幑こ痰?。常用的3D打印技術(shù)包括：立體光固化成型工藝（立體光刻）、選擇性激光燒結(jié)、聚合物噴射技術(shù)、熔融沉積模型[1]，這種體外生物模型的制造遵循三個(gè)階段：放射成像、數(shù)據(jù)處理和快速原型制作[2]。以腦血管模型為例，首先提取患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)，通過DICOM格式將數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)數(shù)字模式，再將輸出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維重建軟件中進(jìn)行三維重建，利用圖像分析軟件對重建的影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行多模影像數(shù)據(jù)融合，建立3D模型，進(jìn)行后處理使其清晰顯示血管解剖及與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，再將處理后的模型轉(zhuǎn)化為TIFF格式通過3D打印機(jī)打印。

1 3D打印技術(shù)在腦血管病領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展歷史

3D打印腦血管模型始于1999年，D`Urso等[3]首次以患者的CTA及MRA圖像為數(shù)據(jù)源，利用立體光刻技術(shù)打印顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形模型。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)每個(gè)模型的平均耗時(shí)為3 d，平均價(jià)格為300美元，因3D打印模型耗時(shí)長、價(jià)格昂貴、打印材料及技術(shù)的限制，使得3D打印腦血管模型主要運(yùn)用于神經(jīng)病學(xué)解剖教學(xué)。2004年，Autopsy等[4]開始將可視化3D打印動(dòng)脈瘤模型運(yùn)用于臨床幫助醫(yī)師制訂手術(shù)計(jì)劃，其準(zhǔn)確性在手術(shù)中得到驗(yàn)證。

隨著3D打印技術(shù)及材料的發(fā)展，3D打印模型越來越多地用于輔助腦血管疾病手術(shù)[5-11]。3D打印血管的材料也不斷在更新，早期使用的材料是簡單的硅膠，用于打印固態(tài)實(shí)心的血管模型，現(xiàn)在比較常用聚乳酸、聚氨酯樹脂、尼龍及光敏樹脂等材料。2015年，Mashiko等[12]首次運(yùn)用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料打印出中空的、軟的血管模型，他們在CTA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上打印出固體3D模型，然后在模型表面涂上一層液體硅膠，待硅膠固化后用二甲苯溶解內(nèi)部的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，即可打印出中空的軟的血管模型。2016年，F(xiàn)rolich等[13]利用同樣的材料打印出空心的硅膠管動(dòng)脈瘤模型，被證實(shí)具有高精確度。

2 3D打印技術(shù)在腦血管病領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 3 D打印技術(shù)在神經(jīng)科教學(xué)的應(yīng)用 傳統(tǒng)的三維解剖學(xué)是通過解剖尸體學(xué)習(xí)，但尸體資源匱乏，完整性難以保障，且存在結(jié)構(gòu)變異、循環(huán)利用率低、內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示差等問題，導(dǎo)致學(xué)生對解剖結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)困難、遺忘率高。3D打印模型具有精度高、可觸摸、可復(fù)制、可縮放等優(yōu)點(diǎn)，能打印出符合學(xué)習(xí)需求的解剖學(xué)模型。

腦血管病是神經(jīng)病學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，腦血管位置深、分支復(fù)雜、走形迂曲、變異多，醫(yī)學(xué)生通過二維解剖圖譜學(xué)習(xí)，理解記憶困難，傳統(tǒng)的授課方式難以使學(xué)生形成腦血管的空間立體構(gòu)造概念，3D打印腦血管模型實(shí)現(xiàn)了抽象化為具體的教學(xué)模式，提高了教學(xué)效果。胡繼紅等[14]采用CTA薄層掃描數(shù)據(jù)打印顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形的實(shí)體模型，對69名影像學(xué)專業(yè)本科學(xué)生進(jìn)行分組教學(xué)，運(yùn)用3D模型學(xué)習(xí)組的理論考試成績、有關(guān)顱內(nèi)動(dòng)脈解剖掌握程度及學(xué)習(xí)效率均優(yōu)于未使用模型組。蘇星等[15]利用DSA數(shù)據(jù)打印顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的實(shí)體模型進(jìn)行教學(xué)，同樣證實(shí)了其教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。在研究生教育方面，王昊等[16]利用3D打印技術(shù)結(jié)合醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)對神經(jīng)外科低年級研究生進(jìn)行臨床前實(shí)踐培訓(xùn)，提高了學(xué)生對顱內(nèi)動(dòng)脈瘤疾病的空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。另外，在臨床輪轉(zhuǎn)學(xué)員和低年資醫(yī)師手術(shù)教學(xué)方面，3D打印腦血管模型也是優(yōu)勢凸顯。3D打印模型可創(chuàng)造仿真模擬臨床環(huán)境，為培訓(xùn)者提供了視覺、觸覺感受，全方位觀察手術(shù)部位的周圍結(jié)構(gòu)，增加年輕醫(yī)師實(shí)際操作的實(shí)踐機(jī)會(huì)。Wang等[17]運(yùn)用3D打印動(dòng)脈瘤模型對初級住院醫(yī)師進(jìn)行動(dòng)脈瘤夾閉模擬手術(shù)培訓(xùn)，提高了初級住院醫(yī)師手術(shù)技能和對手術(shù)過程的理解。

2.2 3 D打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤診治中的應(yīng)用顱內(nèi)動(dòng)脈瘤目前主要采用介入血管栓塞術(shù)或者微創(chuàng)、開顱夾閉術(shù)，前者具有損傷小、療效好、恢復(fù)快等優(yōu)勢，同時(shí)也增加了手術(shù)的難度與復(fù)雜性，提高了對醫(yī)師技術(shù)的要求。3D打印技術(shù)在動(dòng)脈瘤診治中的應(yīng)用主要包括：①提高手術(shù)醫(yī)師對患者動(dòng)脈瘤形態(tài)學(xué)的評估效果：3D打印模型能夠準(zhǔn)確顯示血管的形態(tài)，Anderson等[18]依據(jù)DSA數(shù)據(jù)，制作了10例患者的動(dòng)脈瘤3D打印模型，發(fā)現(xiàn)其模型與源圖像相關(guān)性良好。②輔助醫(yī)師模擬練習(xí)手術(shù)，提高手術(shù)成功率：3D打印動(dòng)脈瘤模型能夠清晰顯示動(dòng)脈瘤形態(tài)、大小、瘤體朝向、瘤頸位置以及與載瘤動(dòng)脈的關(guān)系[19-20]，可輔助指導(dǎo)手術(shù)醫(yī)師進(jìn)行細(xì)小動(dòng)脈的保護(hù)、手術(shù)入路的選擇、動(dòng)脈瘤夾的選擇與放置，提高夾閉質(zhì)量。周路球等[21]通過顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的3D打印模型對手術(shù)進(jìn)行干預(yù)設(shè)計(jì)及模擬練習(xí)，3D模型干預(yù)組的手術(shù)相關(guān)不良事件發(fā)生率顯著低于對照組，預(yù)后明顯優(yōu)于對照組。③輔助精準(zhǔn)塑形微導(dǎo)管：微導(dǎo)管塑形是動(dòng)脈瘤栓塞的關(guān)鍵步驟，精準(zhǔn)塑形可減少手術(shù)時(shí)間和手術(shù)并發(fā)癥。徐超等[22]通過3D打印技術(shù)輔助微導(dǎo)管塑形，13例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者在介入栓塞治療中微導(dǎo)管順利到位且保持穩(wěn)定，提高了手術(shù)效率。董斌團(tuán)隊(duì)[23]利用3D技術(shù)打印空心透明動(dòng)脈瘤模型，成功塑形了9例動(dòng)脈瘤患者的微導(dǎo)管，并將微導(dǎo)管放置在理想位置，均無微導(dǎo)管回彈及手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生。

2.3 3 D打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)靜脈畸形診治中的應(yīng)用 腦動(dòng)靜脈畸形（arteriovenous malformation，AVM）是動(dòng)脈直接分流到靜脈的異常血管連接，有復(fù)雜的供血?jiǎng)用}、引流靜脈、彌散的畸形血管，與周圍腦組織混雜，導(dǎo)致其3D打印比動(dòng)脈瘤更加困難。Weinstock等[24]利用動(dòng)靜脈畸形的真實(shí)手術(shù)解剖結(jié)構(gòu)與3D打印模型進(jìn)行對比，血管直徑差異＜10%（3.7 mmvs3.5 mm）。Dong等[25]也證明3D打印AVM模型的精準(zhǔn)度高（血管直徑偏差＜2 mm），可提高醫(yī)師對AVM解剖結(jié)構(gòu)的理解。臨床工作中，區(qū)分動(dòng)靜脈畸形的供血?jiǎng)用}與引流靜脈對手術(shù)是至關(guān)重要的，3D打印AVM模型能更好地輔助手術(shù)醫(yī)師識別供血?jiǎng)用}，縮短獲得DSA數(shù)據(jù)到開始血管內(nèi)治療的時(shí)間。陳光中等[26]證實(shí)3D打印組術(shù)中DSA造影后至手術(shù)實(shí)施時(shí)間較對照組顯著縮短（5.7±0.4 minvs10.5±1.6 min，P＜0.01）。

由于AVM結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前尚不能根據(jù)腦血管造影的血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果進(jìn)行3D打印動(dòng)靜脈，只能根據(jù)重建軟件結(jié)合醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)選擇動(dòng)脈和靜脈區(qū)[8]。3D打印AVM模型不能清晰顯示畸形血管團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在Dong等[25]的研究中，手術(shù)醫(yī)師認(rèn)為模型模擬術(shù)中真實(shí)的AVM，只有40%的相似度，更真實(shí)的模型是一個(gè)值得改進(jìn)的研究領(lǐng)域。

與一般二語詞匯教學(xué)相比，英語軍語詞匯有其特殊性，專業(yè)性強(qiáng)。軍校學(xué)員在學(xué)習(xí)英語軍語詞匯方面普遍存在較大困難，主要表現(xiàn)在軍事英語單詞意義的理解和使用與基礎(chǔ)英語有所差異，學(xué)員不能熟記單詞，單詞記住了卻又用不出來，而且在翻譯和作文中用錯(cuò)。這種困難是詞語形式與意義在跨語言匹配上的障礙。

2.4 3 D打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈狹窄診治中的應(yīng)用運(yùn)用透明丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物打印顱內(nèi)動(dòng)脈狹窄段模型，可與MRA影像效果一致并提供額外的視覺信息，是臨床醫(yī)師評估腦血管狹窄程度的一種新的輔助工具[27]。顱內(nèi)動(dòng)脈狹窄傳統(tǒng)治療主要包括藥物保守治療與血管介入治療（顱內(nèi)血管成形和支架置入術(shù)），3D打印技術(shù)的發(fā)展為新一代顱內(nèi)支架的研發(fā)帶來契機(jī)。單純的3D打印支架力學(xué)性能較差，不能有效地裝載藥物及提供細(xì)胞生長的微環(huán)境[28]。2015年，劉媛媛等[29]用3D打印與靜電紡絲相結(jié)合的方式制備了復(fù)合生物可吸收血管支架，該支架的縱向抗拉強(qiáng)度（18.5±1.5 MPavs16.7±1.2 MPa）及徑向支撐力（127±11.6 kPavs122±13.7 kPa）均高于普通3D打印支架，證明該支架具有良好的力學(xué)性能。將大鼠成纖維細(xì)胞接種于該支架表面能迅速繁殖，表明該支架具有良好的生物可溶性，同時(shí)支架表面由生物殼聚糖組成，能幫助種植細(xì)胞更好地吸附和繁殖。因此，該復(fù)合生物支架可作為治療腦血管狹窄的良好選擇。

干細(xì)胞移植是可能具有良好前景的新的治療腦缺血的方法，神經(jīng)干細(xì)胞通過分化替代損壞神經(jīng)元、分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子、抑制梗死區(qū)炎癥及免疫調(diào)節(jié)三種途徑，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)再生及神經(jīng)功能恢復(fù)[30]。目前研究主要是在動(dòng)物模型進(jìn)行立體定向植入神經(jīng)干細(xì)胞，探討干細(xì)胞的修復(fù)機(jī)制和治療潛力。Annabella等[31]提出將神經(jīng)干細(xì)胞種植于根據(jù)頸動(dòng)脈狹窄程度定制的3D生物支架上，糾正頸動(dòng)脈血管狹窄及血管內(nèi)皮剪切力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端缺血腦組織的神經(jīng)再生及功能恢復(fù)，用于缺血性卒中的預(yù)防。在干細(xì)胞移植治療缺血性卒中廣泛應(yīng)用于臨床之前，組織工程的臨床安全性和生物相容性仍然是在臨床應(yīng)用中需要解決的主要問題。

3 總結(jié)和展望

3D打印技術(shù)在腦血管病中的應(yīng)用主要包括神經(jīng)病學(xué)教學(xué)、手術(shù)培訓(xùn)、術(shù)前計(jì)劃的制訂以及血管生物支架制作等。3D打印腦血管模型可為醫(yī)師提供更為真實(shí)的手術(shù)模擬環(huán)境、制訂更為詳細(xì)安全的手術(shù)方案，從而提高手術(shù)成功率、減少術(shù)后并發(fā)癥，也可協(xié)助醫(yī)師進(jìn)行良好的醫(yī)患溝通，使患者更好地了解手術(shù)操作流程、術(shù)中相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)、術(shù)后并發(fā)癥等。但現(xiàn)有3D打印技術(shù)仍存在不足：一是，打印模型的逼真性依賴于原始圖片的清晰度與分辨率，圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響圖像切割和融合的效果[32]。二是，3D打印模型不能提供動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)也不能反應(yīng)動(dòng)脈瘤壁內(nèi)的鈣化、血栓形成、瘤壁厚度、瘤頂與鄰近血管的緊密性等特點(diǎn)，而這些特殊情況都是影響動(dòng)脈瘤夾閉成功的關(guān)鍵因素[33]。隨著3D打印技術(shù)及材料的發(fā)展，這些問題也是未來3D打印技術(shù)在腦血管病領(lǐng)域應(yīng)用的突破方向。3D生物打印是3D打印的熱門研究領(lǐng)域，未來利用3D打印技術(shù)聯(lián)合造血干細(xì)胞培養(yǎng)人造血管、顱內(nèi)血管生物支架，有望為腦血管疾病帶來新的治療方式。

【點(diǎn)睛】3D打印技術(shù)可還原腦血管疾病模型，應(yīng)用于教學(xué)、腦血管疾病血管模型制作、手術(shù)演練以及腦血管3D生物支架研發(fā)等。