基于CTA的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型的建立及應(yīng)用

楊楓+劉剛+呂華新+柯尊良+胡煒

摘 要 目的：探討3D-CTA動脈瘤實體模型對顱內(nèi)動脈瘤診斷和手術(shù)指導(dǎo)作用。方法：選取我院2011年1月至2014年1月期間經(jīng)頭顱CT血管造影（CT angiography，CTA）證實的顱內(nèi)動脈瘤20例（大腦中動脈瘤，大腦前交通動脈瘤，大腦后交通動脈瘤和基底動脈瘤各5例），全部患者采用3D打印技術(shù)構(gòu)建3D-CTA顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型，并與術(shù)前非三維空間的CTA檢查結(jié)果進行比較分析。結(jié)果：3D-CTA與CTA測量值之間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），三維復(fù)合體數(shù)據(jù)模型結(jié)果顯示血流速度、動脈瘤內(nèi)動壓、血管壁面切應(yīng)力由大至小為動脈流入道>動脈流出道>動脈瘤體部>動脈瘤頂端，比較差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），經(jīng)Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：血流速度與動脈瘤內(nèi)動壓具有明顯正相關(guān)（r=0.956，P<0.05），血流速度與血管壁面切應(yīng)力具有明顯正相關(guān)（r=0.964，P<0.05）。結(jié)論：CTA的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型對顱內(nèi)動脈瘤診斷和模擬手術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 顱內(nèi)動脈瘤 CT血管造影 復(fù)合體 三維模型

中圖分類號：R651.11 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1006-1533（2014）19-0053-04

Establishment of three-dimensional model

of complex intracranial aneurysm based on CTA and its application*

YANG Feng1**， LIU Gang1， LV Huaxin2， KE Zunliang1， HU Wei 1

（1. Department of Neurosurgery， The First Peoples Hospital of Jiujiang City， Jiangxi 332000， China；

2. Department of Cerebral Surgery， Peoples Hospital of Xingzi County， Jiangxi 332800， China）

ABSTRACT Objective： To investigate the guiding role of 3D-CTA aneurysm model in the diagnosis and surgery of intracranial aneurysms. Methods： Twenty patients with intracranial aneurysms confirmed by skull CT angiography （CTA）， including the middle cerebral artery aneurysm， brain aneurysm anterior communicating artery aneurysm， posterior communication artery and basilar artery aneurysm with 5 cases each， were selected as subjects， who were hospitalized from January 2011 to January 2014 in our hospital. Three-dimensional models of 3D-CTA intracranial aneurysm complex were constructed for all of the patients by using 3D printing technology， which were compared with preoperative non-3D CTA examination results. Results： There were no significant differences between the 3D-CTA and CTA measurements （P>0.05）， and the data of three dimensional complex models showed that the velocity of blood flow inside the aneurysm， the dynamic pressure and the shear stress of vascular wall were ranged as follows： the inflow tract>arterial outflow tract>aneurysm body>the top of aneurysm. Their differences were statistically significant （P<0.05）. The correlation analysis of Pearson showed that the velocity of blood flow and the dynamic pressure inside the aneurysm had a significant positive correlation （r=0.956， P<0.05）， and the velocity of blood flow and the shear stress of vessel wall had an obvious positive correlation as well （r=0.964， P<0.05）. Conclusion： The three-dimensional model of complex intracranial aneurysm based on CTA has an important application value in the diagnosis and simulation surgery of intracranial aneurysms.

KEY WORDS intracranial aneurysms； CT angiography； complex； 3D model

顱內(nèi)動脈瘤（intracranial aneurysm，IAN）是指顱內(nèi)動脈血管壁囊性膨出性病變，是導(dǎo)致自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血（spontaneous subarachnoid hemorrhage，SAH）的主要原因。三維CT血管造影（three dimension CT angiography，3D-CTA）是新型影像學(xué)診斷方法，兼容螺旋CT和數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）兩者具備的快速、無創(chuàng)、診斷高準(zhǔn)確度的優(yōu)點。在外周靜脈造影劑輔助下采用頭顱連續(xù)薄層螺旋CT掃描，并在電子計算機工作站構(gòu)建顱骨解剖結(jié)構(gòu)和顱內(nèi)血管的三維復(fù)合體模型，在顱內(nèi)動脈瘤的診斷中具有重要的價值[1-2]。本研究收集我院2011年1月至2014年1月期間顱內(nèi)動脈瘤CTA影像數(shù)據(jù)，采用Mimics 16軟件精細(xì)化處理和3D打印技術(shù)，成功構(gòu)建顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型。顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型有助于術(shù)前明確動脈瘤部位、形態(tài)、方向和與載瘤動脈關(guān)系及術(shù)中注意事項等方面，提高手術(shù)成功率，探討3D-CTA動脈瘤復(fù)合體模型對顱內(nèi)動脈瘤診斷和手術(shù)指導(dǎo)中的作用，現(xiàn)報道如下。

資料與方法

臨床資料

選取我院2011年1月至2014年1月期間經(jīng)頭顱CT血管造影（CT angiography，CTA）證實的顱內(nèi)動脈瘤20例，其中大腦中動脈瘤，大腦前交通動脈瘤，大腦后交通動脈瘤和基底動脈瘤各5例。

檢查方法

①檢查前，在操作者與患者溝通良好的前提下采用頭托和膠帶將頭部固定，采用GE 64排Light speed V CT儀器行峰值法容積掃描，掃描前設(shè)置參數(shù)：層厚0.625 mm，間距0.625 mm，120 kV，200 mAs，視野220 mm，矩陣512×512，從足側(cè)向頭側(cè)掃描顱底至顱頂，數(shù)據(jù)采集成功后測定峰值。②采用Missouri CT專用高壓注射器、20G套管針經(jīng)外周左肘正中靜脈注射入非離子造影劑（碘海醇350）15 ml +生理鹽水10 ml，注射速度：4.5 ml/s，選取C3～C4作為監(jiān)測時間點，參照時間密度曲線得出達峰時間，以2 s經(jīng)驗值作為正式增強掃描時間，采用相同注射速度于右肘正中靜脈注射入對比劑65 ml+生理鹽水20 ml，采用飛利浦 128排I CT平掃影像數(shù)據(jù)和增強掃描影像數(shù)據(jù)。原始影像學(xué)數(shù)據(jù)上傳至電子計算機工作站，經(jīng)多種精細(xì)化處理并結(jié)合3D打印機輸出顱內(nèi)動脈瘤血管三維復(fù)合體模型。

3D打印機打印模型方法

影像圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，采用閾值法（threshold value），選取顱內(nèi)動脈瘤CTA血管閾值，同時采用Calculate 3D 工具構(gòu)建顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型，采用Mimics Cut with polyplane 工具預(yù)處理顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型，導(dǎo)出STL格式，去除動脈細(xì)小分支，影像圖像進行三維計算，獲取動脈瘤面網(wǎng)優(yōu)化模型，生成流體網(wǎng)格和固體網(wǎng)格（圖1），參數(shù)設(shè)置后采用ANSYS+CFX固體和流體耦合計算，3D打印機輸出顱內(nèi)動脈瘤血管三維復(fù)合固體模型和流體模型。

血流動力學(xué)參數(shù)測量方法

采用Fluent軟件，導(dǎo)入三維網(wǎng)格文件，自定義條件，將近心端邊界作為壓力入口，動脈瘤兩個出口作為壓力出口，并采用多功能生理監(jiān)測儀器測量血壓波形曲線，選取動脈瘤壁感興趣區(qū)域作為觀察點，F(xiàn)luent軟件計算動脈流入道、動脈流出道、動脈瘤體部及其頂部各部位的血流速度、動脈瘤內(nèi)動壓和血管壁面切應(yīng)力數(shù)值并保存不同時刻各種參數(shù)的圖片（圖2～4）。

統(tǒng)計學(xué)處理

本研究數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行分析，兩組間的計量資料采用t檢驗，采用（±s）表示，采用Pearson相關(guān)性分析血流速度與動脈瘤內(nèi)動壓、血管壁面切應(yīng)力的關(guān)系，P<0.05提示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié)果

3D-CTA與CTA測量值的比較

3D-CTA與CTA測量值之間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05，表1）。

基于3D CTA的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型形態(tài)測量資料

三維復(fù)合體數(shù)據(jù)模型結(jié)果顯示動脈瘤血流動力學(xué)參數(shù)，其中血流速度由大至小為動脈流入道>動脈流出道>動脈瘤體部>動脈瘤頂端，比較差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），且動脈流入道的動脈瘤內(nèi)動壓明顯高于動脈流出道、動脈瘤體部和動脈瘤頂端，比較差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），動脈流入道的血管壁面切應(yīng)力明顯高于動脈流出道、動脈瘤體部和動脈瘤頂端，比較差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05，表2）。

血流速度與動脈瘤內(nèi)動壓、血管壁面切應(yīng)力的關(guān)系

經(jīng)Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：血流速度與動脈瘤內(nèi)動壓具有明顯正相關(guān)（r=0.956，P<0.05），血流速度與血管壁面切應(yīng)力具有明顯正相關(guān)（r=0.964，P<0.05）。

討論

基于3D-CTA的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型對大于3 mm顱內(nèi)動脈瘤提供明確診斷，同時對于小于3 mm顱內(nèi)動脈瘤提供診斷依據(jù)，其意義為：①通過電子計算機工作占三維成像技術(shù)，多方向、多角度旋轉(zhuǎn)，具有直觀大腦顱內(nèi)動脈全貌、動脈瘤特征及其毗鄰周圍血管及骨性結(jié)構(gòu)關(guān)系，為顱內(nèi)動脈瘤的臨床診斷和形態(tài)病理學(xué)診斷提供依據(jù)[3-4]；②通過3D-CTA的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型充分了解并掌握顱內(nèi)動脈瘤患者的解剖學(xué)特點，評估手術(shù)過程中重要血管、神經(jīng)、動脈瘤體朝向、瘤頸分離操作的關(guān)鍵，充分避免動脈瘤破裂出血[5]，為正式手術(shù)治療過程中的不必要解剖顯露，減少手術(shù)創(chuàng)傷，并在掌握手術(shù)關(guān)鍵點和注意事項的前提下降低動脈瘤破裂出血發(fā)生的風(fēng)險。

根據(jù)顱內(nèi)血管CTA數(shù)據(jù)結(jié)合3D打印技術(shù)構(gòu)建的顱骨及顱內(nèi)動脈瘤三維復(fù)合體模型，臨床手術(shù)醫(yī)師采取手術(shù)干預(yù)設(shè)計，但關(guān)于3D打印技術(shù)輔助顱內(nèi)動脈瘤手術(shù)的文獻報道甚少。為提高手術(shù)精準(zhǔn)度，經(jīng)Mimics軟件精細(xì)化處理將顱內(nèi)動脈瘤CTA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成精確化空間數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建三維復(fù)合體模型。三維復(fù)合體模型將顱底血管、神經(jīng)、周圍組織等組織區(qū)分清楚，結(jié)合3D打印技術(shù)精準(zhǔn)打印形成三維復(fù)合體模型，動脈瘤模型邊界清晰，可清晰直觀顱內(nèi)動脈瘤位置、方向，周圍血管，為手術(shù)設(shè)計提供正確合理的指導(dǎo)。本研究結(jié)果顯示動脈瘤 CTA表現(xiàn)與動脈瘤實體模型非常吻合，3D-CTA與CTA測量值之間比較差異無顯著性。通過分析3D-CTA的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型血流動力學(xué)參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明動脈流入道血流速度、動脈瘤內(nèi)動壓、血管壁面切應(yīng)力最大，而動脈瘤頂端上述血流動力學(xué)參數(shù)最小，參照血流動力學(xué)改變情況，并結(jié)合手術(shù)治療原則和術(shù)中注意事項，為手術(shù)治療提供指導(dǎo)[6-7]。另一方面，根據(jù)三維復(fù)合體模型提供的動脈瘤區(qū)骨性標(biāo)志，降低非模擬手術(shù)過程中載瘤動脈和動脈瘤的尋找時間。模擬手術(shù)過程中對寬頸、分葉狀或鹿角狀動脈瘤，載瘤動脈擴張構(gòu)成瘤頸體一部分，或一部分穿支動脈和分支動脈從瘤體發(fā)出的復(fù)雜動脈瘤，選擇放置合適動脈瘤夾，要注意分支動脈及載瘤動脈通暢，為非模擬手術(shù)提供經(jīng)驗，提高患者的手術(shù)成功率，降低術(shù)中動脈瘤破裂出血等并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險[8]。但是，3D-CTA格式的三維模型尚存在不足之處，相信隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，可建立對接良好的真正意義上的顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型。

綜上所述，3D打印技術(shù)在臨床診療中具有廣闊的應(yīng)用前景，顱內(nèi)動脈瘤復(fù)合體三維模型的構(gòu)建便于醫(yī)患間溝通，便于直觀教學(xué)，為顱內(nèi)動脈瘤的診斷和手術(shù)提供指導(dǎo)，在提高手術(shù)成功率和降低并發(fā)癥發(fā)生率中具有重要的意義。

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（收稿日期：2014-07-02）