[分析] 脳神経外科における3Dプリントの応用の進歩

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-8-29 10:44 に最後に編集されました。

3D 印刷技術は、コンピューターによるデジタル 3 次元イメージングと現代のハイテク連続印刷を組み合わせた新しい応用技術です。この新しい技術は、人間の生産、生活、およびいくつかの産業分野に応用されています。 3D プリンティング技術は、積層加工、重ね合わせ成形、層ごとの追加により物体の特性を可塑化およびシミュレートし、高精度、高難易度、高度に複雑な個別化プロセスにおいて独自の優位性を発揮します。現在、医療の発展は徐々に精密治療へと向かっています。3Dプリント技術は伝統的な産業よりもはるかに優れており、特にインプラントの製造、体外シミュレーション、組織修復、臓器移植において独自の利点を示しています。臓器、細胞、骨などの3Dプリント技術の成功により、3Dプリント技術は医療分野における魔法の武器となるでしょう。この記事では、脳神経外科における 3D プリントの現在の応用と進歩について説明します。
1. 3D プリントと頭蓋骨欠損の修復<br /> 頭蓋骨欠損の修復には、自家骨移植が推奨される治療法です。しかし、自家骨の利用可能性は、頭蓋骨欠損の大きさやドナー部位などの要因によって制限されます。 3D プリントが医療に応用されて以来、最初に頭蓋骨の欠損を修復するために脳神経外科の分野で使用されました。この分野における 3D プリント技術の現在の応用と開発においては、材料の選択がボトルネックとなっています。現在 3D プリントで使用されている主なインプラント材料には、ポリ乳酸、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレングリコール混合物などがあり、その中でもポリ乳酸とアクリロニトリルブタジエンスチレンが最も広く使用されています。

人体に適用する場合は、人体組織に対する免疫原性がほとんどない材料を使用する必要があるため、材料の性質や由来と生物学的特性との関係について詳細な研究が必要です。現在、研究のホットスポットの一つであるポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、脊椎手術、脳神経外科、顎顔面外科の分野で応用されており、優れた物理的、化学的、生物学的特性を示しています。 PEEK 複合材料は骨誘導性と抗菌性に優れています。 PEEK ベースの材料は、骨や軟骨の置換、その他の特殊分野でのさらなる使用に向けて開発されています。現代医学と美容の急速な発展に伴い、外科医は人体の欠陥の再建と美しさを完成させるために、科学的かつ技術的な手段を利用することがますます求められています。頭蓋骨に大きな欠損がある患者や、額、眉の輪郭、頬骨弓などの顔面器官に欠損がある患者の場合、従来の材料を使用した外科的修復では、左右非対称が起こりやすく、患者の対人関係や社会的交流に深刻な影響を及ぼす可能性があります。 3D プリントは頭蓋骨の欠損を修復するだけでなく、患者の術後の美観も向上させます。

3Dプリント技術の発達により、頭蓋骨の再建のためにカスタマイズされた3次元チタンベース複合材料を移植することが可能になりました。メンデスら[5]は3Dプリント技術を使用して頭蓋骨欠損を修復しました。手術中、インプラントは互いに完全に一致し、頭蓋骨欠損の再建における3次元チタンベース複合インプラントの利点を十分に実証しました。

2. 中枢神経系の3Dプリントとin vitroシミュレーションシステム

脳神経外科における 3D プリント技術の最も有望な応用例の 1 つは、体外医療モデルです。従来のモデルとは異なり、3D プリントモデルでは、さまざまな生体細胞、特殊な生物学的材料、ゲルなどの混合材料を選択して、高度なシミュレーションを実現できます。臨床脳神経外科の学習曲線が比較的急峻であることはよく知られており、医師のスキルを向上させるために使用できる完全な体外医療シミュレーションシステムは、我が国の医療レベルを大幅に向上させるでしょう。例えば、脳神経外科手術では外脳室ドレナージ（EVD）が最も一般的な手術ですが、初心者にとっては穿刺角度を正確に把握することが難しく、複数回の穿刺が必要となるため、合併症が起こりやすいという問題があります。

3D プリント技術は、高度なデジタルシミュレーションプログラムと再利用可能な材料という特徴を備えており、大きな優位性を示し、上記の問題をうまく解決できます。米国ミシガン大学のタイ氏らは、3Dプリント技術を用いて、広く認知されているEVDを模擬した訓練システムを開発しました。頭蓋骨と脳の機能領域の分割、腫瘍の血液供給源、骨移植領域の決定など、術前の手術計画を策定するために 3D プリント技術を使用すると、より効果的で安全かつ正確な外科手術が可能になり、リスクを回避できます。 3D プリントは、手術モデルを作成するためのより包括的で費用対効果の高いアプローチを提供し、さまざまな頭蓋顎顔面およびその他の再建手術における術中の安全性、手術の精度、および全体的な術後結果を向上させることができます。中枢神経系の in vitro シミュレーションシステムにおける 3D プリントの応用について、以下の観点から説明します。

1. 頭蓋内動脈瘤の治療における3Dプリントの応用：
現在、頭蓋内動脈瘤の治療法は数多くありますが、治療法を選択する基準は依然として患者の利益が中心となっています。脳神経外科医は、手術前に頭蓋内動脈瘤の患者の状態を判断するためにCTやMRIを使用します。例えば、脳槽CTを使用して視交叉前の空間の大きさと動脈瘤との関係を把握したり、MRI画像で視神経の長さ、視交叉の位置、ずれの有無、海綿静脈洞領域の硬膜輪に基づいて、トルコ鞍領域の複数の動脈瘤の関係を分析したりします。しかし、これらの評価は2次元画像に基づいており、さまざまなパラメータ間の干渉があるため、状態を正確に分析することは困難です。 3次元画像を統合することでこの問題は解決されます。

3D プリントされた頭蓋内動脈瘤モデルは空間的に直感的であるため、術前手術の正確な設計に非常に役立ちます。このモデルは、脳神経外科医に、より多くの治療計画と代替オプション、および手術を練習するためのプラットフォームを提供します。 Ryan らは、3D プリントと関連技術を使用して頭蓋内動脈瘤モデルを再構築しました。 Thawani らは、3D プリント技術を使用して頭蓋内動脈瘤クリッピングのモデルを開発しました。この研究は、3D プリントシミュレーションによって、手術中の頭蓋内動脈瘤患者の安全性をより確実に確保できることを完全に実証しています。頭蓋内動脈瘤モデルの頭蓋骨と血管樹は、非常にリアルなシミュレーションと触覚特性を備えています。このモデルは手術空間を明確に表示できるため、術前シミュレーション、術中手術、初心者が動脈瘤クリッピング手術を練習するための優れたプラットフォームを提供します。 3D プリントされた頭蓋内動脈瘤は、損傷することなく 20 回繰り返してクランプすることができます。 3D プリントはダイナミックな学習環境を提供し、医師に外科手術のトレーニングと準備の機会をより多く提供します。

2. 中枢神経系腫瘍の評価における3Dプリントの応用：
国際がん登録協会が2009年に発表したデータによると、脳および中枢神経系の原発性悪性腫瘍の世界的発生率は、体全体の腫瘍の1.4％、全身の悪性腫瘍による死亡の2.4％を占めており、依然として全体的に増加傾向にあります。 2012年に発表された「中国がん登録年次報告」によると、全身の悪性腫瘍による死亡者数のうち、脳と中枢神経系の悪性腫瘍は9位にランクされています。頭蓋内腫瘍の外科的治療の理想的な結果は、脳の本来の機能を損なわずに腫瘍を完全に除去すること、あるいは腫瘍の圧迫や脳浮腫が脳機能に及ぼす影響を修復することです。そのためには、手術中に神経、血管、機能領域への損傷を効果的に回避できることが必要です。 3次元画像の統合により、CT画像やMRI画像を使用して複雑な機能領域の手術問題を評価する現在の状況が変わり、2次元画像とさまざまなパラメータ間の干渉によって発生する問題が解決され、機能領域の境界が正確に分割されます。

頭蓋骨、血管、腫瘍、視神経などのさまざまな組織のグレースケールなどのパラメータに基づいて、3D 印刷ソフトウェアを使用して、さまざまな色と素材で病変の物理モデルを視覚化して印刷し、外科医が病変周辺の状況を完全に理解して、外科的治療計画をさらに策定できるようにします。頭蓋内腫瘍、血管、神経伝導束をシミュレートしたデジタル画像を融合して作成された3Dプリントモデルは、腫瘍と伝導束の空間関係を明確に示し、手術をガイドして手術リスクを軽減するとともに、手術スキルを向上させ、外科医の自信を高め、手術時間を短縮します。 Spottiswoode 氏は、脳表面に対する重要な領域と腫瘍の位置、それらの特徴、および重要な隣接構造を平均誤差 0.5 mm 未満で示す 3D プリントモデルを作成しました。この研究は、3D 脳モデルが頭蓋骨、血管、神経伝導束、脳組織構造の構築において忠実度が高いことを示しています。 Vakhariaらは、CTおよびMRIスキャン測定を通じて多数の解剖学的データを取得し、3Dプリントを使用して、最大0.254 mmの解像度で頭蓋底の3次元モデルを作成しました。これは、壁骨の忠実度と術中手術の要件をはるかに満たすことができます。 3D プリントされた頭蓋骨によって提供される情報量は、実際の生理学的および病理学的解剖と一致しており、その高い忠実度が十分に実証されています。

3. 神経内視鏡検査および生検技術における3Dプリントの応用：
神経内視鏡技術は、1910年以来100年以上にわたり脳神経外科疾患の診断と治療に使用され、現在では低侵襲脳神経外科の分野では欠かせない治療法となっています。神経内視鏡技術はここ30年ほどで急速に発展してきましたが、従来の脳神経外科手術とは技術が異なり、脳室内内視鏡技術には一定の難しさがあります。患者の画像データに基づいて、3Dプリント技術を使用して病変構造の解剖モデルが作成され、手術アプローチと有効性の術前評価に役立つだけでなく、若い医師に学習プラットフォームを提供します。現在、閉塞性水頭症の治療法としては、神経内視鏡による第三脳室造設術が好まれるようになっています。 Waran らは、3D 技術を使用して、松果体腫瘍の患者の画像データに基づいて水頭症のトレーニングモデルを印刷しました。適切な張力で脳室系に液体を充填するこのモデルは、神経内視鏡による第三脳室造設術や脳室穿刺の各ステップの定性評価に使用されており、使いやすさと実用性に優れています。内視鏡的生検や統合ナビゲーション脳室鏡検査のための 3D プリントモデルの使用は、間違いなく脳神経外科にとって新たな恩恵となるでしょう。

神経内視鏡検査のトレーニングは、依然として長期にわたる段階的なトレーニングプロセスです。 3D プリントモデルは手順のリアルなシミュレーションを提供し、内視鏡検査を安全かつ効果的で標準化された方法で教えることを可能にします。現在、手術の価値をさらに評価するために定位的術前生検を受ける頭蓋内腫瘍の高齢患者の数は年々増加していますが、腫瘍周囲の術後出血や遅発性出血などの合併症が依然としてこの手術の最大のボトルネックとなっています。 3D プリンティングは効果的なソリューションとして、将来の精密医療治療に大きく貢献するでしょう。

4. 脊椎手術における3Dプリントの応用：
脳神経外科疾患の一つである脊髄腫瘍の発生率および発見率は年々増加しています。脊髄腫瘍の場合、手術は現在でも主に後方アプローチで行われており、その際、棘突起と椎板を噛み切り、靭帯と周囲の軟部組織を除去する必要があります。特に、多節の複雑な腫瘍や脊椎の変形がある患者の場合、手術中に骨が破壊されると、手術後の脊椎の安定性が低下する可能性があります。 3D プリント技術は、内部固定ガイドをカスタマイズし、髄質釘の直径と長さを決定するだけでなく、患者の特定の状態に応じて手術後に個別の矯正器具をカスタマイズすることもできます。脊椎椎弓根は髄釘の挿入経路であり、脊髄、神経根、動脈などの重要な構造に隣接しています。挿入位置や角度がずれると、周囲の重要な構造を損傷するだけでなく、内固定システムの強度も低下し、手術中の大量出血、術後片麻痺、内固定の緩みなどの一連の合併症を引き起こします。

現在、脊椎の3Dプリント技術は比較的成熟しており、脊椎変形などの複雑な疾患に関する報告も数多くある[26,27,28]。一部の学者は、3Dプリント技術を使用して脊椎の3次元モデルを再構築し、術中の釘の経路を設計し、釘の経路ガイドを開発することで、釘の配置の位置、方向、角度を正確に把握し、術中の操作を容易にできると考えています。 Yin Yiheng氏と他の研究者は、3Dプリント技術を使用して、さまざまな色の骨構造と椎骨動脈を備えた頭蓋底陥入と環軸椎脱臼の術前モデルを作成しました。彼らはネジの挿入方法を研究し、実行可能なオプションと理想的な挿入ポイントを探り、重要な周囲の構造への損傷を回避しました。

術後の追跡調査の結果、3Dプリントモデルは骨構造の異常と椎骨動脈の経路に関する情報を十分に提供できることが示され、手術戦略の策定とスクリュー経路の設計に役立ち、椎骨動脈と脊髄の損傷を回避できます。この技術は推進されてきた。 MaoらとYangらは、手術前に複雑な重度の脊椎変形を持つ患者のコンピューター設計の3Dモデルを使用して、実際の手術プロセスをガイドしました。手術後、側弯角度は大幅に改善され、重度の脊髄や大血管の損傷などの合併症は発生しませんでした。 3Dプリント骨（頸椎椎体間固定装置、人工椎骨）は臨床段階に入っているが、経済的な手頃な価格と普及の問題はまだ解決する必要がある。 3Dプリント支援治療は精密医療の発展を促進することができます。脊椎手術では、術中の位置決めが正確かつ迅速で、患者の体位の影響が少なく、ネジの配置精度が高く、軟部組織の切開が少ないなどの利点があり、ほとんどの臨床医に認められています。

3. 3D プリントと神経組織および臓器<br /> 人間の臓器は、上皮組織、筋肉組織、神経組織、結合組織で構成されています。組織学の発展は、生理学や病理学の発展を大きく促進しただけでなく、身体の巨視的構造と微視的構造の相互変換に関する研究の基礎を築きました。組織および臓器の印刷では、コンピューター支援により細胞をモジュールとして生体材料にロードし、さらに機能的な臓器に組み立てます。細胞の搭載は達成されましたが、機能特性を付与するには、細胞技術（幹細胞技術と機能細胞の臨床応用を含む）、バイオ製造技術（機能性生体材料と組み合わせた細胞を含む）、および生体内統合技術（免疫拒絶、細胞統合、統合後の構造的および機能的完全性を含む）という3つの大きな技術的課題が依然として残っています。機能的な臓器の実現は幹細胞技術に大きく依存しています。幹細胞は特定の融合技術によって臓器特有の細胞に分化し、標的臓器を完成させることができますが、標的臓器を必要な特定の表現型と一致させ、移植後の拒絶反応を軽減するには、制御可能な誘導分化プロセスが依然として必要です。統合技術のもう一つの重要なポイントは、血管ネットワークの統合です。血管新生がなければ、三次元的に人工的に作られた組織や臓器は十分な栄養を得ることができず、ガス交換や老廃物の排泄ができず、成熟した機能を発揮することができません。

さらに、印刷プロセス中のせん断力によって引き起こされる細胞と DNA の損傷の問題に対処するために、現在研究中のマイクロ流体チャネルは人体の環境をシミュレートして灌流を促進し、それによって細胞の活力を高めることができます。バイオファブリケーションの分野におけるハイドロゲル製剤も、3D 臓器印刷のさらなる発展を促進しています。 2006年、Bolandら[30]はウシの血管内皮細胞とアルギン酸ハイドロゲルを同時に印刷し、特定の生物学的活性を持つ微小血管構造を形成し、将来の研究のための確かな基礎を築きました。 Rosenzweig らは、誘導軟骨幹細胞と髄核（骨髄）細胞を使用して、3D プリントされたアクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体とポリ乳酸の足場上に大量のプロテオグリカンと II 型コラーゲンを調製しました。

この研究では、3D プリントされた組織足場構造が自然な組織構造の組み合わせをよく模倣し、細胞の這い回りによる修復を誘発できることが示されました。現在、細胞を人工合成足場上に層状に積み込み、その後、秩序だった細胞の成長と組織間の融合を誘導して臓器の複製を完了するという点で、ある程度の成功を収めています。しかし、既存のスキャフォールドのほとんどは、細胞の成長を意図的に誘導および制御して、理想的なマイクロアーキテクチャとマクロ組織構造を実現することはできません。現在開発中の臓器チッププロジェクトでは、生体組織を使用して人間の臓器の構造を模倣し、血液脳関門、肺、腸のモデル化に成功しています。これらのシステムは、最終的には人間の臓器や病気のメカニズムをより深く理解し、損傷した臓器や病気の臓器を置き換えて、個別化医療の実現に役立てることができます。ニューロンは長い間再生不可能だと考えられてきたが、研究者らはニューロンの再生を促す効果的な方法を発見した。この研究がうまく臨床に進めば、毎年20万人の患者を助けることができると期待されています。 3D プリント技術はさまざまな医療分野で大きな可能性を秘めていますが、実際の臨床応用にはまだ長い探究のプロセスが必要です。

4. 3Dプリンティングの発展展望
新興技術としての 3D プリンティングは、患者の特定の状態を直接再現する独自の手段を提供します。ビッグデータによると、現在のモデルの使用状況は、患者の認識 (85.00%)、教育 (94.44%)、学習 (100.00%)、外科トレーニング (95.00%)、術前計画 (95.00%) でした。近い将来、3D プリントは人間の臓器や組織の移植に使用されるようになるかもしれません。 3D プリンティングは現在、優れた応用の見通しを示していますが、このビジョンを実現するには、3D プリンティングプロセスにおけるさまざまな問題を克服する必要があります。

編集者: Antarctic Bear 著者: Guo Dongliang、Wei Yao、Guo Jianzhong

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