3Dプリント技術と神経疾患

3Dプリンティング（三次元印刷、3DP）は、積層製造技術、つまり、原材料を使用してデジタルモデルに基づいて物理的な部品を徐々に積み重ねて製造する技術です。通常、従来の方法では製造が困難または不可能なオブジェクトを製造するために使用されます。その柔軟性、多様性、高度にパーソナライズされた特性は、医療分野で十分に活用されており、重要な応用価値を持っています。頭蓋神経系は人体で最も重要な組織構造です。脳神経外科手術の技術は複雑であり、不注意は深刻な結果につながる可能性があります。近年、3DP は神経疾患の分野に参入し始めており、術前シミュレーショントレーニング、頭蓋骨や椎骨の置換、組織スキャフォールドなどで魅力的な展望を示しています。

3DPの基本原理
3DP技術は、コンピューター断層撮影、血管造影、磁気共鳴画像、3D心エコー検査、X線などの技術的手段を使用して数学的モデルを確立し、その後、さまざまな材料を使用して3Dプリンターでモデルを層に切り取り、層ごとに印刷し、積み重ねて3次元オブジェクトを構築します[1、3-4]。
主な 3D 成形技術には、光硬化ステレオ印刷、箔積層ソリッド製造、3D 印刷、選択的レーザー焼結および熱溶解積層法、液体界面連続製造などがあります。一般的に使用される材料には、液体感光性樹脂、熱収縮ポリマー材料、プラスチック、セラミック、金属粉末、脱細胞化細胞外マトリックス、特定のドナーからの細胞などがあります。

3DPとin vitroシミュレーショントレーニング

3DP 3次元脳構造モデルは、手術中に見られる脳組織構造をリアルに再現します。医師の術前シミュレーショントレーニングに使用でき、合理的な手術計画の作成に役立ちます。近年、一部の病院では脳神経外科手術の術前シミュレーションに 3DP が使用され始めています。

動脈瘤および脳血管奇形 動脈瘤は脳動脈の異常な拡張です。急速に成長し、成長パターンは患者ごとに異なるため、手術は困難です。ライアンらは、脳血管画像から得られたパラメータに基づいて、患者の脳構造と動脈瘤モデルを印刷しました。小さな血管を映し出すほどの精度はありませんが、大きな動脈と周囲の脳組織構造は鮮明でリアルです。シミュレートされた動脈は、手術器具で処理して、実際の外科手術体験を作り出すことができます。ワラン氏らは、さまざまな材料を使用して、組織の種類ごとに密度が一定したモデルを作成した。「皮膚」は切断して縫合でき、「骨」は硬く、「髄膜」の厚さは人体とほぼ同じで、「腫瘍」には識別しやすいオレンジ色が付けられ、手術の練習がしやすくなっている。 3DP は、患者データに基づいてパーソナライズされたモデルを構築します。正確で低コスト、強力で耐久性があり、術前シミュレーショントレーニングに非常に効果的です。

動静脈奇形（AVM）は、非常に複雑な脳血管の構造異常です。血管構造が入り組んでおり、構造の特定が難しく、関係を把握するのが難しいため、手術のリスクが高くなります。 3DP モデルは作成が迅速かつ低コストで、AVM の構造を直感的かつ確実に反映できるため、手術計画の設計に重要な参考資料となります。 Conti らは、術前トレーニングに高精度の 3D 透視モデルを使用すると、手術の質が向上し、手術ミスや脳の局所壊死や出血などの合併症が軽減されると考えています。ウェインストックらは、脳動静脈奇形（AVM）の小児3名とガレノス静脈の小児1名のMRI画像をもとに、さまざまな素材で血管構造モデルを作成し、血管の分布パターンをリアルに再現しました。これを基に血栓の位置を予測し、手術計画を立てました。実際の手術では、手術はスムーズに進み、手術時間も大幅に短縮され、麻痺や感覚喪失といったよくある合併症も発生せず、患者は手術後1週間でベッドから起き上がり、自力で動き回ることができました。

脳室液貯留および頭蓋内圧モニタリング 脳室滲出液はさまざまな脳疾患の原因となり、患者の脳脊髄液の分泌、吸収、循環に影響を及ぼします。脳脊髄液量の増加は脳室系の拡張を引き起こし、多くの場合、頭蓋内圧の上昇を伴います。頭蓋内圧モニタリングは、頭蓋内の血液、脳組織、脳脊髄液の滞留によって生じる頭蓋腔壁の圧力を検出します。患者の頭蓋内圧の変化を分析することで、患者の損傷や脳浮腫を判定し、治療計画を設計するのに役立ちます。従来、術前トレーニングは主に死体組織やコンピューターの仮想現実システムを用いて行われてきましたが、近年では3DP技術が活用され始めています。ライアン氏と彼の同僚は、さまざまな材料を使用して CSF 患者の頭部モデルを作成しました。医学生や非医療専門家を対象にテストした結果、彼らは EVD 手術の実施方法やカテーテル挿入などの専門的な技術をすぐに習得できることを発見しました。 Tai らは、EVD 配置シミュレーターの 3D モデルを設計しました。このモデルは、頭蓋内圧を表示し、カテーテルの軌跡と可視化された流体を提供し、オペレーターがさまざまな皮膚、脳、骨を視覚的および触覚的に感じ、人間の脳室と周囲の組織をリアルにシミュレートできるようにします。このモデルは、外科医に EVD 配置をトレーニングするために使用でき、実用的な応用価値があります。

椎骨スクリューの配置 重度の脊椎損傷患者にとって、椎骨スクリューの設置は必須の外科手術です。脊椎の各部位の椎骨はそれぞれ異なる形態をしており、脊髄の周囲には血管などの重要な臓器や組織があるため、脊椎手術にはリスクが伴います。外科医は、隣接する組織、神経、血管などを損傷しないように最善を尽くす必要があります。3DP を使用してシミュレーションモデルを作成すると、手術前に手術計画を設計および最適化し、手術中の多くの困難を効果的に解決し、患者のリスクを軽減するのに役立ちます。術前CTスキャンに基づいて3次元再構成を行い、患者固有の脊椎モデルを取得します。医師はこれを使用して術前シミュレーショントレーニングを行い、最適なネジの配置位置と角度を設計し、位置を固定して手術を成功させます。 3DP モデルは、椎骨周囲の構造の包括的な分析を容易にし、複雑な手術を実行可能な方法を提供します。 Gao Fangyou 氏らは、3DP を使用して頭蓋頸椎移行部の個別モデルを作成し、手術計画を立案し、そのモデルを使用して手術を支援しました。彼らは、後方除圧法と内部固定法を使用して 25 人の患者に釘設置手術を成功させました。手術後、死亡した患者はいなかった。環椎の歯突起間隙は縮小し、延髄の頸延髄角は拡大した。 Yin Yiheng 氏と彼の同僚は、環軸椎脱臼を伴う基底骨陥凹の手術中に、3DP モデルを使用して 10 人の患者の状態に基づいてさまざまな手術計画を設計し、患者の症状を改善し、最大 100% の骨移植癒合率を達成しました。

3DP および生体内置換インプラント、頭蓋骨修復 頭蓋骨修復は、患者の頭蓋骨の既存の DIACOM 画像に基づいて行われます。外傷による頭蓋骨の破壊や先天性の頭蓋骨の変形などの異常に対して、適切な頭蓋骨の代替品を設計して埋め込みます。 3DP テクノロジーには、患者自身の特性により適合し、より適用性が高い、パーソナライズされたテーラーメイドモデルが豊富に用意されています。同時に、3DP 製法は頭蓋骨代替品の入手をより容易かつ経済的にします。生体適合性、経済性、重量、生体力学的特性、中空構造、移植後の拡張の有無などの問題を考慮すると、現在使用されている材料は主に金属、プラスチック、セラミックです。この方法で治療した患者の合併症の発生率は極めて低く、患者と家族の満足度は高いです。

フィアスキ氏は、頭蓋骨の欠損や変形はさまざまな合併症を引き起こす可能性があり、加齢とともに頭蓋骨の修復や移植が難しくなると指摘し、頭蓋骨の欠損はできるだけ早く修復し、理想的な材料を選択する必要があると述べた。彼はポリメチルメタクリレートを頭蓋骨修復材料として使用し、3DPなどの技術でそれを形成しました。彼は多くの臨床患者への移植試験で満足のいく結果を達成しました。追跡調査では、合併症率が低く、満足度が高く、優れたパフォーマンスが示されました。SilfhoutとVerstegenは3DP技術を使用して、頭蓋骨が肥厚した患者向けに完全にプラスチック製の頭蓋骨モデルをカスタマイズし、患者の体内に移植することに成功しました。手術後、患者は手術痕がほとんど残らないほど順調に回復し、頭蓋骨肥厚による脳圧迫による視力低下や脳機能障害などの症状も回復した。

椎間板ヘルニアと脊柱側弯症 腰椎椎間板ヘルニアは高齢者によく見られる病気で、椎間板置換術はこの病気の治療法の一つです。 Mrozらは3DP技術を使用して腰椎椎間板プロテーゼを製造し、関連するパラメータ分析により、この3Dモデルが実際に臨床患者に適用できることが示されました。 Spetzger らは、患者の CT データを使用して、脊椎間または脊椎と頭蓋骨間のインプラントとして脊椎疾患の治療によく使用される、個人固有の脊椎固定装置を 3D プリントしました。この 3DP インプラント構造は、頸部硬化性脊髄症および神経根症の患者に使用されます。患者の脊椎に正確に適合し、初期安定性と耐荷重面が優れており、脱臼や陥没による二次手術の可能性が低減されます。

外科手術では、脊柱側弯症患者の治療に脊椎ネジの設置がよく使用されます。竹本らは、3DPで作製したチタンテンプレート椎弓根スクリューを使用して46人の患者を治療しました。420個のスクリュー穴の埋め込み精度は98.6%に達し、手術の成功率は100%に達しました。金山らは、脊椎スクリューの配置をガイドするための安全で正確なスクリューガイダンステンプレートを設計し、印刷しました。これには、位置テンプレート、ドリルガイドテンプレート、スパイラルガイドテンプレートが含まれており、脊椎スクリューの配置手術プロセスを正確にガイドできます。この方法で治療した 20 人の患者では、80 本のインプラントネジが所定の位置に正確に挿入され、ネジの 97.5% が脊柱根に完全に配置されました。この 3DP テンプレートシステムには、正確で経済的、手術時間を短縮し、椎骨ネジ配置手術のガイドにおける外科的リスクを軽減するなどの利点があることが証明されています。

脳コンピューターインターフェース ブレイン・マシン・インターフェース（BMI）は、ブレイン・コンピュータ・インターフェースとも呼ばれ、コンピュータと脳の間で直接データを記録および交換することを実現します。神経補綴が典型的な例です。一般的に、埋め込まれた電極間の電極間隔が狭いほど、電極密度が高くなり、脳に送信される信号がより正確になり、BMI システムの性能が向上する可能性があります。現在、従来の手術では電極間隔は10mmにしか達しません。モリスらは、3DPで作成した個人モデルに直径1mmのプラチナ電極を挿入し、脳溝の内側湾曲に適合するシリコンインプラントにしました。このインプラントは、筋萎縮性硬化症患者の脳に21日間埋め込まれました。テストでは、この埋め込み電極は脳とコンピューターの通信性能が優れていることが示されました。この方法は電極間隔を2.5mmまで短縮し、従来の方法に比べて物理的特性、組織細胞毒性、生体適合性などが大幅に向上します。

著者: 徐帥、呉斌浩、陳小平

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