杨彦晨白斌程云章

0 引言

颅内动脉瘤(intracranial aneurysm，IA)是一类具有高发病率、高致死率的疾病[1]。由于其发病部位的复杂性，治疗方式近年来也在发生变化。开颅夹闭与血管内治疗是目前临床上选用的两种治疗方式，随着神经影像技术及介入器具的不断发展，血管内治疗以其低创伤的特点，已成为目前治疗颅内动脉瘤的主流方式[2-3]。然而在面对一些形状复杂且介入装置释放可能存在困难的颅内动脉瘤时，医生的术前手术模拟与方案制定就显得极其重要。一般情况下，支架与导管等介入装置只能通过显影丝或显影环经屏幕看到，医生无法直观地了解到支架在动脉瘤内的释放情况[4-5]。

3D打印技术又称多层堆叠打印技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用构建模型所需材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[6]。随着计算机影像学、材料学以及制造工艺水平的发展，3D打印在医疗领域的应用不断扩大，如组织工程学、再生医学、制药工程、医学模型与设备等方面[7-9]。刘宇清等[10]报道：心脏外科、骨外科及肝胆外科等科室已经成功打印制作3D器官模型，并在术前通过3D模型了解组织器官的特点以及相关变异情况，能够帮助医生在手术前模拟复杂操作，并为患者制定相应的手术方案，从而提高手术操作的精确度。此技术在脑动脉瘤治疗方面近年来的发展也十分迅速[11]。

将3D打印技术应用于颅内动脉瘤治疗中，通过打印患者特异性动脉瘤模型，不仅使得术前预演、提高手术的成功率成为可能，而且对于治疗不理想的病例，也能起到回顾性分析总结经验的作用，是目前颅内动脉瘤介入治疗发展的新方向。

1 3D打印颅内动脉瘤模型基本流程

如今3D打印技术在医疗领域快速发展，越来越多的研究者将这一技术应用在了脑动脉瘤介入治疗中。图1所示为动脉瘤模型打印关键流程，首先通过数字减影血管造影(digital substraction angiography，DSA)技术获得的患者特异性动脉瘤三维模型[图1(a)]，然后经过Geomagic 等逆向工程软件进行分割、简化、平滑，修复后以STL格式输出[图1(b)]，为后续3D打印做好前处理准备。将处理好的STL格式文件在MakerBot等切片软件中进行位置摆放与模型调整，之后进行切片[图1(c)]，切好片的文件仍以STL格式输出，通过SD卡连接3D打印机进行模型打印[图1(d)]。然而3D打印脑动脉瘤的精度、材料、时间等问题仍然是研究者所关注的。更短的打印时间、更高的打印精度、更贴合人体真实血管的材料一直是研究者所追求的目标。

图1 3D打印动脉瘤流程Figure1 Process of 3D printed aneurysm model

2 3D打印颅内动脉瘤模型时间

3D打印动脉瘤模型完成时间越短，此技术越值得在临床进行推广。因此3D打印动脉瘤的时间决定了这项技术的可行性。Kim等[12]使用树脂制作10枚动脉瘤用时(3.7±0.46)h。Kono等[13]使用硅胶通过“失蜡法”制作了一枚颅内动脉瘤用时大约2周。前者制作的动脉瘤模型在术前模拟与动脉瘤结构理解上更具有实施意义，更少的制作时间意味着患者得到有效救治的时间可以大大提前。由于使用硅胶制作模型在工艺流程上较树脂模型更加复杂，因此对于时间的需求也相应较高，后者制作的硅胶模型花费时间更长，对于患者手术规划的即时性不太友好，但是适合用于术前术后的治疗疗效对比，可以利用此模型在搭建体外循环平台，进行粒子图像测速法(particle image velocimetry，PIV)实验，对于治疗前后动脉瘤区域血流动力学等因素进行测算，并在一定程度上解释治疗后可能发生的由于这些血流动力学因素的改变造成的并发症。因此，未来更短的打印时间是患者更及时准确的救治的前提，也正是未来3D打印在颅内动脉瘤模型打印中发展的方向之一[14-15]。

3 3D打印颅内动脉瘤模型材料及工艺实现

3D打印的原材料是3D打印区别于传统加工方式的关键。由于颅内动脉瘤的小尺寸、复杂弯曲结构，大部分原材料与加工工艺并不适合于颅内动脉瘤的制作。目前主要使用的打印材料包括硅胶、树脂、橡胶等。其中硅胶类材料由于其强度过大，适合使用“失蜡法”制作透明腔体进行PIV等体外实验[16-17]。树脂类材料表面光滑、透明，打印精度高的特点使其成为目前打印动脉瘤应用最广的材料[18]。高弹性高透明的橡胶类材料制作的动脉瘤模型更适合临床术者的模拟使用[19]。使用内皮细胞等生物材料进行打印的模型更适合于动脉瘤生长机制与血流动力学环境变化情况的研究[20]。

这些材料虽各有优势，但是3D打印颅内动脉瘤不仅是材料的选择，更需要的是工艺实现。内皮细胞等生物材料，由于其高昂的价格以及细胞培养的不便，在临床应用非常少。高弹性高透明的橡胶类材料，在打印小动脉瘤时，就会存在模型摆放的问题。小动脉瘤内部的空腔需要支撑，且打印完成后内部支撑材料不易清除干净，从而影响后续动脉瘤模型的研究。硅胶类材料几乎没有弹性，但是通过“失蜡法”工艺，可以制作小尺寸动脉瘤模型，应用范围较广。树脂类材料中的光敏树脂以其无色透明、光透射能力好的特点目前属于临床研究的“宠儿”。其制作的动脉瘤模型也适合于流体流动分析，可以用来与计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术相结合进行脑动脉瘤血流动力学机制方面的研究。

4 3D打印颅内动脉瘤模型精度

3D打印的精度关乎医生对于患者动脉瘤特性的理解与手术治疗方案的制定，尤其在颅内动脉瘤介入手术中。由于手术的较高难度与复杂性，为了更好地提高手术治疗的效果，3D打印模型的精度要求就显得至关重要。通常来说，在使用的3D打印机和打印材料一致的条件下，主要误差来自于：(1)数据误差，3D打印的颅内动脉瘤模型文件通常由DSA、CT或MRI等方法获得，当扫描获得的模型质量较差时就容易产生误差，最终使动脉瘤模型与患者实际的动脉瘤形态产生较大偏差。(2)分层误差，由于3D打印的原理是逐层叠加，在打印过程中会丢失层与层之间的数据，产生“台阶效应”，从而降低模型的精度。因此，在实际的操作过程中除了需要保证3D打印机精度和系统精度外，还需注意保证STL模型的质量，选择合适的加工制造方向以控制模型曲面的曲率，从而减少“台阶效应”，使最终得到的动脉瘤模型的精度满足使用要求[21]。

对此，国内外学者已有不少研究。Anderson等[22]打印了10例颅内动脉瘤后，将打印的模型与原始图像的动脉瘤直径进行对比发现3D打印的模型和来源解剖学之间有很好的一致性。打印模型与原始图像的动脉瘤直径测量值相关性良好(R=0.999；P<0.001),没有显著的统计学差异(P=0.4)或者观察到偏差，原始图像与3D模型测量的标准差分别为0.5 mm和0.2 mm。这表明3D打印动脉瘤时在精确度方面是值得信任的，可以准确复制颅内动脉瘤的具体形态。谭衍等[23]选取21例颅内动脉瘤患者，采用3D打印技术构建颅内动脉瘤复合体3D模型，并与介入栓塞术前颅脑CTA结果进行对比分析。结果显示3D打印技术与颅脑CTA相比，其长、宽和厚度测量值无明显变化，差异无统计学意义(t=0.03，t=0.07,t=0.08；P>0.05)。表明3D打印模型能够准确直观地使医生理解载瘤动脉瘤与动脉瘤的解剖特点，促进手术方案的制定与手术效果的提高。

5 3D打印颅内动脉瘤的实际应用

5.1 术前评估

目前对于颅内动脉瘤的介入治疗，医生在栓塞时使用3D-DSA图像进行手术定位与介入装置的释放，这种方式是血管内介入术治疗的基础，但是有时释放后的治疗效果却不尽如人意。主要有两个原因：一方面，在2D屏幕中观看缺乏信息深度，外科医生需要对3D结构与空间位置做出准确的评估，对于经验的依靠较为偏重。另一方面，外科医生对于治疗与导管进入载瘤动脉的真实路径没有一个直观的认识，只能通过支架上设计的显影环或显影丝进行释放路径与释放位置、状态的判断。而临床医生能通过3D打印技术制作的动脉瘤模型结合3D-DSA图像，更加直观地理解支架在动脉瘤内的释放情况，为医生进行手术方案的规划、降低血管内治疗的操作难度提供了一个较好的术前理论支持和解决方案[24-26]。Kono等[27]3D打印了一例未破裂的前交通宽颈动脉瘤，进行血管内治疗模拟，尽管这只是一个单一的病例，但这表明通过在治疗前进行血管内模拟，对于设计治疗策略和血管内装置的安全操作是可行的和有帮助的。康崟[28]成功打印出24例颅内动脉瘤模型，进行回顾性研究。其中5例患者的手术方案在通过3D打印模型术前模拟后进行了改进，通过调整磨除骨窗位置、更改手术入路等手段改进了手术方案取得了更好的治疗效果。进一步表明3D打印技术在术前模拟与手术方案的制定中是一个较好的发展方向，有助于医生总结经验，并根据模型进行手术回顾及总结。然而康崟的研究并未对医生的评价进行收集，没能很好地体现出3D打印技术带给医生的帮助。Mashiko等[29]在3D打印20例颅内动脉瘤后进行了术前手术方案制定与模拟，并对在术前与术中研究了3D模型的外科医生进行调查，经验丰富的和实习的外科医生都表明，3D打印模型有助于增强他们对动脉瘤形态学的理解。12人中有12人对于弹性模型给予了良好的评价，这更表明3D打印动脉瘤模型可以克服传统解剖学教材的枯燥空洞与病理条件下难以还原人体真实解剖的不足，是对传统教材的完善与补充，为年轻医师的成长提供学习平台。

5.2 提高患者满意率

3D打印动脉瘤模型不仅对于医生的手术提供了便利，还使得患者对病情有了更直观的理解，提高了患者与家属的满意率。Kim等[12]将20名未破裂颅内动脉瘤患者随机分为两组，一组进行3D打印动脉瘤模型病情讲解，另一组进行CTA动脉瘤图像病情讲解。患者在这之后完成了一份关于满意度调查的问卷。结果表明，3D打印的动脉瘤模型提供了一个更好的病情理解，患者满意度很高。刘子燕等[30]对60例动脉瘤进行分组研究后发现，在颅内动脉瘤介入治疗中，运用3D打印技术的实验组患者术前谈话时间及术中操作时间均明显低于对照组，GOS评分和患者家属满意度均高于对照组，差异有统计学意义。3D打印以其直观逼真的视觉效果使患者与家属对病情有了清晰的了解，并有助于医患之间的交流。

6 小结

3D打印颅内动脉瘤已广泛应用于临床研究，然而这些工作都有一定的局限性。首先，3D打印技术制作的模型的效果受制于动脉瘤模型图像的分辨率，获取图像时颅内动脉始终处于搏动状态，在一定程度上影响图像的清晰度，甚至可能出现伪影。其次，3D打印所创建的动脉瘤模型数量与种类在研究中无法覆盖所有的动脉瘤类型，一些小尺寸动脉瘤无法通过这种方式创建，且小分支血管(尺寸<1 mm)等结构在打印前一般会进行剔除。再者，目前多数3D打印采用的材料都是硅胶、树脂、橡胶等常规材料，并不是由血管内皮细胞进行直接打印，打印出的模型并不能像真实的动脉瘤和载瘤动脉拥有一样的弹性与柔软度。

作为一个正在尝试应用于临床与医疗研究领域的技术，近来已有一些研究者将3D打印技术与CFD、PIV等技术相结合，支架等血管内治疗装置由于无法获得其真实部署状态从而进行CFD研究，以往仅能使用多孔介质、有限元等方法进行替代模拟。3D打印技术制作动脉瘤模型，在体外进行支架释放，通过CT扫描重建支架部署状态，可以在体外模拟人体血液循环实验或进行真实释放的计算流体力学仿真分析，更能从血流动力学的角度对于颅内动脉瘤的治疗与预后有一个更完善的认识。这也为未来颅内动脉瘤血流动力学环境研究的准确度的提高指明一个思路。同时3D打印技术为颅内动脉瘤的治疗与认识提供了一种独特的方法，它可以快速复制患者的特异性动脉瘤模型，不仅为医生在术前制定方案缩短了时间，还便于医患双方的沟通交流，在操作教学与学术研究方面也值得广泛应用。