3D打印（Three-dimensional printing）技術是一種計算機工程與(yu) 材料工程相結合的新型增材製造技術。該技術無需原胚和模具，以目標物的三維數據模型為(wei) 基礎，通過計算機處理並轉化成特定的程序，由3D打印機逐層打印成產(chan) 品。自從(cong) 20世90年代開始進入醫藥衛生領域，該技術已在牙科、耳鼻喉科、心血管外科、整形外科和神經外科等學科廣泛應用。1999年，神經外科的醫師開始運用這一新興(xing) 技術製造患者個(ge) 體(ti) 化的顱骨結構、腦血管及顱內(nei) 病灶來幫助進行術前規劃、手術模擬、科學研究等工作。

1.3D打印技術概述

1.1 3D打印技術的生產(chan) 流程

3D打印技術是一種快速成型技術，一般要曆經數據采集→建模→編程→選材→打印五個(ge) 步驟。

（1）數據采集

依靠醫學數字技術獲取患者可疑病變器官的二維數據，目前常采用電子3D 打印技術在醫學領域已有數十年的發展曆史，並得到一定程度的應用。3D打印技術不成熟、管理標準不統一等諸多問題仍限製其在醫學領域的發展。該文就3D打印技術在醫療衛生領域的發展、現狀及問題進行分析，闡述其在醫學技術領域應用的作用及意義(yi) 。在監管到位、標準統一、管理規範的情況下，該技術將對醫療衛生的發展產(chan) 生重大意義(yi) ，能夠更好地服務於(yu) 患者。

計算機斷層掃描（Computer tomography, CT） and magnetic resonance imaging，MRI）技術分別取目標器官冠狀位、矢狀位、橫斷位的二維影像作為(wei) 三維模型重建的原始資料。

（2）建模

將不同角度的影像數據導入計算機，由算法整合成三維數字化模型，依據此模型構建出機器需要打印的虛擬模具，再將該模具投影回二維平麵中與(yu) 原始數據比對，在誤差範圍內(nei) 者才最終作為(wei) 初代模具。在三維重建的過程中，可以利用線框建模、表麵建模、實體(ti) 建模、特征建模等方法實現建模的還原度和精確度。

（3）編程

計算機建模後，再將模型轉化成STL格式進行儲(chu) 存。STL格式能夠以一係列小的三維三角形近似表達數字模型，而且能夠將三維模型切割成多個(ge) 二維薄片，記錄每個(ge) 二維薄片的平麵數據作為(wei) 打印機工作的指令，分割的二維薄片越薄，打印出的產(chan) 品尺寸就越接近原始數據。

（4）選材

安全性是貫穿整個(ge) 工藝的第一原則。而材料選取是決(jue) 定產(chan) 品質量的直接因素。人體(ti) 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(ti) 的真實解剖結構。在加工製造時，溫度是不可或缺的因素，因此對材料的耐熱性也有嚴(yan) 格的要求。有些複雜的係統往往難以直接打印生產(chan) ，需要分步打印組件再裝配，組裝用的連接結構同樣是決(jue) 定成品應用價(jia) 值的關(guan) 鍵。

（5）打印

3D打印是一個(ge) 逐層堆積的製造過程，選取合適的材料後，打印機的噴射裝置在x－y平麵上移動噴出材料，當一個(ge) 層麵完成後，繼續噴一層可去除的材料例如膠水作為(wei) 支撐結構，再進行下一個(ge) 平麵的工作，如此反複直至產(chan) 品成型。初胚的支撐材料在後期加工中可經特殊工藝去除，為(wei) 了達到使用標準，還需經過打磨、拋光、上色、修整等處理才能得到最終產(chan) 品。

1.2 三維打印機和三維打印技術

目前有多種三維打印機和不同的3D打印技術投入臨(lin) 床使用，各有特點和不足。在頭頸外科常用的技術有熔絲(si) 沉積技術（Fused deposition modeling，FDM）、激光固化技術（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。應用FDM 技術，以熱塑性成型材料絲(si) 為(wei) 材料，利用加熱的方式由底到頂逐層進行熔融塗覆→冷卻→熔融塗覆，最終堆積成一個(ge) 實體(ti) 模型。該方式能夠生產(chan) 出強熱塑性及高生物相容度的產(chan) 品，在製作血管、骨骼、醫療植入器械方麵都具有可行性。Makerbot打印機采用的原料是低價(jia) 環保的聚乳酸，其本身價(jia) 格相比於(yu) 其他公司的打印設備也更為(wei) 便宜。受製造原理限製，該設備製造的產(chan) 品往往表麵不夠光滑，在Ｚ軸的分辨度低，製造精細複雜的目標可達數日之久。

（2）Projet　6000

應用SLA技術，采用液態光敏樹脂為(wei) 原料充滿液槽，由計算機控製光束由點到麵層層疊加固化液體(ti) 樹脂，最終得到產(chan) 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(jia) 格昂貴，加工步驟繁多，牢固度和耐久度不足。該技術應用廣泛。2015年，Mashiko等依靠此技術耗費數小時製造出完整的血管模型，但該模型的管壁厚度、彈性、粘附性與(yu) 原型相比還存在差異。

（3）Objet260Connex3

應用Polyjet技術，最多可一次性選擇17種材料，並能連接不同顏色、硬度、透明度的材料。打印精度在16μm以內(nei) ，為(wei) 打印顱內(nei) 血管提供了技術支持。與(yu) FDM和SLA技術相比，打印速度更快，精度更高，但價(jia) 格更貴。產(chan) 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(wei) 神經外科使用的最廣泛的打印方式。自3D打印技術應用於(yu) 各項外科手術以來，打印模型可滿足切割、縫合、活檢、切除等常規的手術操作。

在術前依據患者的個(ge) 體(ti) 化信息製造出符合患者疾病的解剖模型，實現了從(cong) 影像學上的單一視覺到視觸結合的轉變。美國的一例連體(ti) 嬰兒(er) 分離手術正是應用了3D打印技術成功進行了手術。該案例采取FDM 原理，將獲取的解剖數據分類成軟組織和硬組織，再分別製造各個(ge) 組織器官對應的模型和連接用具，最終將各個(ge) 組織器官裝配成一個(ge) 整體(ti) 。該團隊將打印成品經配準後與(yu) CT 成像和視覺對比，成品的平均誤差為(wei) 0.35mm，標準差＜0.4mm。可見3D打印連體(ti) 嬰兒(er) 在術前確實起到了重現病變病理和解剖結構的作用。同樣，在神經外科領域，3D打印也有廣泛的應用前景。

2.3D打印技術在神經外科的應用

神經外科是外科學的重要分支，是在外科手術原則和係統解剖學的基礎上，解決(jue) 人體(ti) 神經係統疾病的學科。3D打印技術在神經外科學的各亞(ya) 專(zhuan) 業(ye) 均有“用武之地”。

（1）3D打印在顱內(nei) 腫瘤手術治療中的應用

顱內(nei) 腫瘤是神經外科最常見的疾病，可導致患者出現頭痛、視力下降、肢體(ti) 功能障礙、癲癇發作、精神及意識障礙等症狀，及時有效地手術治療是解決(jue) 病痛的根本辦法。顱內(nei) 腫瘤可發於(yu) 顱內(nei) 任何部位，有些腫瘤位置深，壓迫重要神經或處於(yu) 重要功能區，手術難度大、風險高。

為(wei) 了確保手術質量，術前可利用3D打印技術幫助手術，先導入患者的原始CT或MRI數據，打印出患者的3D頭顱模型，在此模型上進行模擬手術，從(cong) 手術切口到手術入路，甚至手術中的MDT（多學科協作診治），均可在頭顱模型上反複演練，從(cong) 而製定周密的手術預案，並進行多次手術演練，達到滿意為(wei) 止。這不僅(jin) 增加了術者的信心，同時為(wei) 患者手術成功奠定了堅實的基礎，最終提高了手術的質量。

（2）3D打印在顱底腫瘤手術治療中的應用

顱底腫瘤切除術是神經外科手術中較為(wei) 複雜的工作之一。顱底的骨質結構凹凸不平、密度不均更加大了手術難度，例如經顳下顱底入路處理海綿竇區腫瘤時，岩骨脊骨質會(hui) 阻擋手術視野或影響手術正常操作。有些受骨質幹擾嚴(yan) 重的顱底手術便需要進行一定的骨質磨除，3D頭顱模型可提前評估磨除骨質的必要性以及磨除骨質的具體(ti) 程度。對於(yu) 一些形狀不規則的顱底腫瘤，在二維影像上顯影往往不能全部體(ti) 現其解剖特征，術中發現特殊結構或腫瘤畸變會(hui) 提高手術難度，延長手術時間，增加手術風險，3D頭顱模型可直視下觀顱底察腫瘤的外形特點，從(cong) 各個(ge) 角度了解腫瘤與(yu) 周邊各組織的解剖關(guan) 係，並可進行手術演練，從(cong) 而在術前達到熟練手術的每一步驟，不僅(jin) 縮短手術時間，而且降低手術風險，使患者受益最大。

（3）3D打印在顱內(nei) 動脈瘤手術治療中的應用

顱內(nei) 動脈瘤為(wei) 神經外科常見的腦血管疾病，動脈瘤破裂發病急、病情重、病死率及致殘率高，目前以手術夾閉動脈瘤為(wei) 主要治療手段。大部分動脈瘤好發於(yu) 顱底大血管分叉處，位於(yu) 顱底，位置深在，且與(yu) 周圍腦組織、顱神經和載瘤血管關(guan) 係密切，容易被血凝塊包裹，術中定位有時難度大。目前的影像學定位依賴於(yu) 術者的空間想象能力和臨(lin) 床經驗，有時與(yu) 實際解剖存在一定差距，這往往給術者在顯微鏡下操作帶來一定困難，使手術可能麵臨(lin) 極大挑戰，因而術者的“心中有數”就尤為(wei) 重要。術前可將患者的3D頭顱模型（含顱內(nei) 血管模型），幫助術者實現從(cong) 二維影像聯想到三維實體(ti) 觀測的飛躍。術前詳細掌握動脈瘤的大小、位置、形態，以及瘤體(ti) 與(yu) 周圍各組織的解剖關(guan) 係，為(wei) 製定更完善的手術方案提打下基礎，最大程度的保證了手術成功率。

（4）3D打印在顱腦穿刺中的應用

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(nei) 壓，緩解症狀。常規采用CT和/或MRI引導下穿刺或兩(liang) 點定位穿刺的方法進行穿刺操作，這種方法在靶點較深時並不能完全有效，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，規劃更科學合理的穿刺方法，提高穿刺操作的效率和成功率。

（5）3D打印在顱骨修複術中的應用

顱腦損傷(shang) 、大骨瓣減壓手術及顱骨腫瘤切除術等，由於(yu) 術後的顱骨缺損，骨窗受大氣壓影響後，往往而內(nei) 陷，不但影響美觀，而且壓迫腦組織出現顱內(nei) 壓紊亂(luan) 等並發症，因此需要及時進行顱骨修補。目前采用鈦網板作為(wei) 修補材料，修補後短期內(nei) 少有並發症，患者對修補後外觀滿意度較高。但此方法仍然有遠期問題，鈦的模量比骨骼高2～3個(ge) 量級，當鈦網與(yu) 自體(ti) 骨一起受力即發生應力屏蔽時，會(hui) 引發骨萎縮。對患者的後期診斷而言，鈦植入物存在顯像偽(wei) 影。有鑒於(yu) 此，3D打印選取ＰＥＥＫ 等生物相容度更高、影像學影響更小的材料塑造更優(you) 的修補材料，未來將成為(wei) 顱骨修補的新材料。

（6）3D打印在三叉神經痛治療中的應用

三叉神經痛是神經外科常見的疾病，發作性麵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，隻有選擇手術治療。目前，手術的主要方式有兩(liang) 種：顯微血管減壓術和經皮三叉神經半月神經節射頻熱凝術，症狀緩解率和遠期滿意度較高，其中經皮半月神經節射頻電凝療法由於(yu) 微創性而更優(you) 於(yu) 顯微血管減壓術療法。該術式的關(guan) 鍵在於(yu) 將射頻針精準通過卵圓孔刺入三叉神經半月神經節。

卵圓孔位於(yu) 顱底中部，周圍骨質結構複雜，其間走行顱神經和大血管，穿刺不準確可能會(hui) 誤傷(shang) 重要的顱神經、頸內(nei) 動脈和椎動脈等，從(cong) 而產(chan) 生嚴(yan) 重並發症，甚至危及生命。采用3D打印技術，術前可在3D頭顱模型進行反複穿刺卵圓孔已達到熟練，從(cong) 而最大程度的保證穿刺的精準性和安全性，具有較高的臨(lin) 床應用和推廣價(jia) 值。

（7）3D打印在神經外科脊柱手術中的應用

神經外科的脊柱手術主要用於(yu) 治療椎管內(nei) 、外腫瘤、脊柱畸形和脊髓血管畸形等。手術過程要警惕穿行於(yu) 脊柱間隙中的脊神經和椎動脈，避免術後肢體(ti) 功能障礙或術中大出血。3D打印重建患者的脊柱模型，針對不同節段的椎體(ti) ，設計個(ge) 性化的手術路徑，降低手術風險，提高手術成功率。

（8）神經外科常用藥物的3D打印

帕金森病和癲癇是神經外科常見的功能性疾病，多數患者均需要用多種藥物聯合應用，才能緩解症狀或控製病情。多種藥物治療不僅(jin) 加重了醫療負擔，而且增加患者的遵囑用藥的難度，使得藥物療效不理想。3D打印技術可將多種藥物按照患者實際需要的劑量合為(wei) 一顆緩釋藥，根據不同藥物的代謝動力學特點結合患者肝腎功能打造出對針對患者藥效最好的個(ge) 體(ti) 化藥物，且毒副作用最小，同時每日隻口服一次，避免了多種藥物同時使用上的困難，使得患者的各種負擔降到最低，真正做到化繁為(wei) 簡，藥到病除。目前，美國Aprecia公司研製的3D打印抗癲癇藥物—Spritam的上市使得這一目標的實現更進一步。

（9）3D打印在神經外科醫患溝通中的應用

神經外科疾病病種複雜，病情變化迅速，治療費用高，患者及家屬時常因為(wei) 治療結果與(yu) 心理預期不符而產(chan) 生醫療糾紛，其部分原因是醫患雙方溝通不足的問題。由於(yu) 患方缺乏專(zhuan) 業(ye) 的神經外科學知識，不能理解或隻是片麵理解醫師在術前溝通工作中對於(yu) 疾病和手術等相關(guan) 問題的表述，對於(yu) 疾病的不良轉歸未能有正確的認識，導致醫患雙方出現矛盾。應用3D打印技術打印出頭顱模型，以實體(ti) 模型再現病變區的解剖結構，讓患方對病情有直觀的了解。患方可直觀的感受到手術的計劃及難度，讓患方對於(yu) 手術難度，手術風險都有更客觀地認識，充分做好醫患雙方在術前的知情同意工作，避免出現因溝通不暢導致的醫患矛盾。

（10）3D打印在神經外科臨(lin) 床教學中的應用

神經外科的培訓周期較其他學科更長，手術對解剖學的要求更高，低年資的醫師很難獨立完成一台較複雜的神經外科手術。傳(chuan) 統模式下，經驗不足的醫師通過術中觀看手術流程學習(xi) 手術操作原則及步驟，再利用動物模型、大體(ti) 頭顱標本模擬手術以提高技巧。這種教學方式耗費資源多、學習(xi) 時間長且提升能力有限。3D打印技術可以在手術室外提供一個(ge) 高度仿真的學習(xi) 條件，最大幅度的優(you) 化青年醫師的學習(xi) 曲線。

（11）3D打印在神經外科科研設計中的應用

在進行一項神經外科領域的科研設計時，通常要進行動物實驗來觀察臨(lin) 床問題的病理或施加暴露因素以觀察病理的轉歸。例如進行動脈瘤的研究時，先向實驗用兔的主動脈注射誘發炎症的藥物製造出動脈瘤模型，再通過幹預觀察暴露組和對照組的差別得出結論。這種實驗結果會(hui) 受到實驗動物本身的係統誤差，如變異、死亡等風險因素的影響，且違背了倫(lun) 理學要求。3D打印模型能夠替代動物或大體(ti) 頭顱標本，提供了新的研究手段和方向。

3D打印技術也可應用於(yu) 製造新型的手術器械，評估設備的合理性和安全性。在多種手術路徑規劃的過程中，可以結合術中需要設計更簡單的術中器械以降低手術難度。劉宇清等成功在三維重建技術的基礎下製造了側(ce) 腦室穿刺術－引導裝置實體(ti) 模型，穿刺成功率為(wei) 93.75%，展示了3D打印技術在手術器械製造方麵的廣闊前景。

3.展望

3D打印技術的優(you) 勢和在神經外科學的應用空間固然可圈可點，但其自身的技術局限也不可忽視。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。隨著科學技術的發展和國家質量監控體(ti) 係及相關(guan) 法律法規的完善，該技術必然能夠揚長避短，為(wei) 神經外科領域帶來更大的革新。