3D打印技術(shù)在蝶骨嵴腦膜瘤切除術(shù)中的應用價值*

劉宇清 何炳蔚 黃繩躍 楊智坤 莊江惠 陳明武 陳壽 廖正儉

·術(shù)式交流·

3D打印技術(shù)在蝶骨嵴腦膜瘤切除術(shù)中的應用價值*

劉宇清①何炳蔚②黃繩躍①楊智坤②莊江惠②陳明武①陳壽②廖正儉①

目的：研究3D打印技術(shù)在蝶骨嵴腦膜瘤手術(shù)中的應用價值。方法：選取福建省立醫(yī)院2016年9月至2016年12月經(jīng)頭顱MRI及螺旋CT掃描發(fā)現(xiàn)的蝶骨嵴腦膜瘤患者5例，利用顱腦螺旋CT增強掃描的DICOM圖像，針對顱骨、血管及腫瘤，分別進行數(shù)據(jù)信息的提取和重建，并在同一坐標系下實現(xiàn)裝配融合，建立三維復合虛擬模型，再經(jīng)3D打印技術(shù)制作出3D實體模型，于術(shù)前、術(shù)中參考。結(jié)果：成功重建5例患者的蝶骨嵴腦膜瘤三維復合虛擬模型，并制作出實體解剖模型，模型清晰顯示顱骨、腫瘤及其與毗鄰血管的位置關(guān)系，將其應用于術(shù)前規(guī)劃與術(shù)中參考，5例患者手術(shù)均獲得成功。結(jié)論：基于3D打印技術(shù)的蝶骨嵴腦膜瘤三維復合虛擬模型及其實體解剖模型在優(yōu)化手術(shù)預案、提高腫瘤切除率、減少手術(shù)損傷等方面具有重要意義。

蝶骨嵴腦膜瘤 3D打印技術(shù) 三維虛擬模型 實體模型

蝶骨嵴腦膜瘤為良性腫瘤，起源于蝶骨大、小翼，內(nèi)始自前床突，外抵翼點，發(fā)生率占腦膜瘤的13%～19%，是顱內(nèi)腦膜瘤的常見類型［1］。由于腫瘤位置深，周圍解剖復雜，且與顱神經(jīng)、海綿竇、頸內(nèi)動脈及其分支關(guān)系密切，其手術(shù)風險較大，并發(fā)癥較多，致死率、致殘率均較高，一直是神經(jīng)外科手術(shù)難點之一［2］。術(shù)前如能制作出患者蝶骨嵴腦膜瘤區(qū)域的顱腦三維虛擬模型及等比例的實體解剖模型，使術(shù)者對腫瘤及其周圍解剖結(jié)構(gòu)有詳細直觀的了解，并應用于個性化的術(shù)前方案制定及術(shù)中參考，將極大提高手術(shù)的安全性及成功率。近年來，隨著醫(yī)學影像學技術(shù)與3D打印技術(shù)的發(fā)展，使這一目標的實現(xiàn)成為可能。本研究通過3D打印技術(shù)制作蝶骨嵴腦膜瘤的三維虛擬模型及其實體解剖模型，應用于術(shù)前規(guī)劃及術(shù)中參考，均取得良好效果。

1 材料與方法

1.1 病例資料

收集福建省立醫(yī)院2016年9月至2016年12月經(jīng)頭顱MRI及螺旋CT掃描發(fā)現(xiàn)的蝶骨嵴腦膜瘤患者5例。其中男性3例，女性2例；年齡為45～71歲，平均年齡為（54.0±4.2）歲；內(nèi)側(cè)型2例，外側(cè)性3例，所有腦膜瘤直徑均＞3 cm；主要癥狀有頭痛、視力下降、癲癇等。擬行蝶骨嵴腦膜瘤切除術(shù)。

1.2 方法

根據(jù)患者螺旋CT增強掃描的原始數(shù)據(jù)構(gòu)建蝶骨嵴腦膜瘤三維虛擬模型，再結(jié)合3D打印技術(shù)，將該虛擬模型實體化，制作出實體解剖模型，于術(shù)前、術(shù)中參考。

1.2.1 蝶骨嵴腦膜瘤虛擬模型的建立 將患者顱腦螺旋CT增強掃描圖像（掃描層厚0.6 mm），以DICOM格式輸出（圖1）；將此原始數(shù)據(jù)導入Mimics 15.0（購自比利時Materialise公司）軟件，采用動態(tài)自適應生長的分割方法，針對不同組織灰度值的差異，取不同閾值分割出顱骨、血管、腫瘤等圖像，分別進行三維虛擬模型重建和優(yōu)化，濾除無關(guān)組織圖像；將獲得的三維圖像導入3-matic7.0（購自比利時Materialise公司）軟件中，在同一坐標系下將顱骨、血管、腫瘤配準融合（圖2）。重建后的三維復合虛擬模型能清楚顯示顱骨、血管、腫瘤三者的立體位置關(guān)系（圖3）。

圖1 蝶骨嵴腦膜瘤患者顱腦螺旋CT增強掃描圖像（綠色為腫瘤）Figure 1 Cerebral helical CT enhanced scan images of the patients with sphenoid ridge meningioma(green areas represent tumors)

圖2 重建的腫瘤、血管、顱骨三維虛擬模型Figure 2 3D virtual models of the reconstructed tumor,blood vessels,and skull

圖3 顱骨、血管、腫瘤3D打印實體解剖模型Figure 3 3D-printed entity anatomy model of the skull,blood vessels,and tumor

1.2.2 蝶骨嵴腦膜瘤實體模型的制作 將三維復合模擬模型圖像保存為3D打印機能識別的文件格式（STL），導入3D打印機（Objet350 Connex3，購自美國Stratasys公司）的前端軟件，通過光固化技術(shù)，使三維虛擬模型實體化，制作出近真實等比例的蝶骨嵴腦膜瘤實體解剖模型。該模型可清晰顯示腫瘤位置、大小、形狀、附著部位，以及與蝶骨嵴、眼眶、頸內(nèi)動脈、大腦中動脈、大腦前動脈、海綿竇等結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，骨質(zhì)破壞或增生情況。

1.3 蝶骨嵴腦膜瘤模型構(gòu)建及手術(shù)成功標準

模型構(gòu)建成功的標準：將3D打印的實體解剖模型與術(shù)中所見比較，模型顯示的腫瘤、顱骨、血管與術(shù)中所見完全一致為構(gòu)建成功。手術(shù)成功標準：手術(shù)過程順利，腫瘤達到SimpsonⅡ級以上切除，無嚴重并發(fā)癥。

2 結(jié)果

5例患者均成功重建蝶骨嵴腦膜瘤的三維虛擬模型并制作出實體解剖模型。依據(jù)此模型，術(shù)前詳細了解腫瘤與顱骨及相鄰血管的三維位置關(guān)系，制定出個性化術(shù)前方案；術(shù)中參照實體模型，確定手術(shù)方式及入路，準確避開、保護重要血管。5例患者腫瘤均達到SimpsonⅡ級以上切除，術(shù)后無偏癱、顱內(nèi)感染、腦水腫加重等并發(fā)癥，手術(shù)均獲得成功。

3 討論

蝶骨嵴腦膜瘤生長緩慢，按照生發(fā)部位，將其簡單分為內(nèi)側(cè)型及外側(cè)型［3］。內(nèi)側(cè)型位于前中顱窩交界區(qū)，毗鄰中線，早期可出現(xiàn)神經(jīng)受壓表現(xiàn)如視力下降等；外側(cè)型發(fā)病初期癥狀常不明顯，待發(fā)現(xiàn)時腫瘤體積已較大。腫瘤一般由頸內(nèi)、外動脈的分支雙重供血，血供豐富，常可侵及眶上裂、海綿竇并包繞頸內(nèi)動脈、大腦中動脈、視神經(jīng)，并破壞顱骨［4］。由于腫瘤位置深，加之周圍解剖結(jié)構(gòu)因腫瘤生長而更加復雜，致使術(shù)中暴露及操作困難，早期報道的全切率僅為23%～25%，死亡率為15%～43%［5］。隨著顯微神經(jīng)外科技術(shù)的廣泛應用，蝶骨嵴腦膜瘤手術(shù)效果較以往有很大進步，腫瘤全切率也提高至59%～87%［6］，但仍難以令人滿意。因此，如何達到蝶骨嵴腦膜瘤全切并最大程度降低手術(shù)風險一直備受神經(jīng)外科領(lǐng)域關(guān)注。而術(shù)前詳細掌握腫瘤及其與周圍顱骨血管的關(guān)系、骨質(zhì)破壞或增生情況等信息對完全切除腫瘤、降低術(shù)中腦損傷、減少術(shù)后并發(fā)癥具有重要意義。

目前，蝶骨嵴腦膜瘤術(shù)前檢查一般是CT、MRI聯(lián)合應用，這樣可以使蝶骨嵴腦膜瘤定性、定位診斷的準確率提高至90%以上，必要時還需行磁共振血管成像（MRA）、CT血管造影（CTA）及全腦數(shù)字減影血管造影（DSA）檢查［7］。MRA、CTA、DSA可顯示腫瘤血供及與周圍血管的關(guān)系，對手術(shù)幫助較大，但上述技術(shù)均以二維的方式處理復雜的三維影像，均為各自單獨呈現(xiàn)，無法同時體現(xiàn)腫瘤及其供血動脈與引流靜脈和周圍組織結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，這需要術(shù)者對其進行空間想象，此過程的解讀偏差會影響手術(shù)預案的制定。若判斷失誤或操作不當，直接導致術(shù)中損傷加重，極大降低手術(shù)預期效果，給患者帶來難以挽回的損害甚至危及生命。因此，尋找一種能夠直觀表達腫瘤及其周邊關(guān)系的方法顯得日益重要。

1984年，Slavash等［8］首次利用計算機建模并打印出三維實體模型，標志著3D打印技術(shù)的誕生。3D打印是一種由計算機輔助設計數(shù)據(jù)及成型設備組成，將成型材料以“分層制造，逐層疊加”的原理，快速制造所需物件三維實體的一種分層制造技術(shù)［9］。近年來，該技術(shù)已在骨科、頜面外科、整形外科等領(lǐng)域應用［10］，但目前在神經(jīng)外科還處于初步嘗試階段。本研究將3D打印技術(shù)與神經(jīng)外科相結(jié)合，將患者顱腦CT增強圖像經(jīng)計算機處理，由3D打印機制作出近真實的蝶骨嵴腦膜瘤實體解剖模型，完成從虛擬圖像到實體模型的轉(zhuǎn)換，彌補了二維圖像立體感差、細節(jié)不清晰等缺陷［11］。三維虛擬模型及其實體解剖模型能清晰顯示患者顱內(nèi)的真實情況，對于個性化手術(shù)方案的制定及實施提供了極大的幫助。

3.1 三維模型能顯示蝶骨嵴腦膜瘤及毗鄰血管關(guān)系

顱底解剖結(jié)構(gòu)復雜，重要神經(jīng)血管多，腫瘤發(fā)現(xiàn)時往往體積較大，與周圍血管關(guān)系密切，部分重要血管如頸內(nèi)動脈、大腦中動脈等受腫瘤推擠而偏離正常位置，甚至被腫瘤包裹。有報道表明，腫瘤對頸內(nèi)動脈及其主要分支的推擠、黏連和包裹是影響手術(shù)全切率的最主要原因［12］。因此，完善的術(shù)前檢查不僅需要了解腫瘤形態(tài)、大小、位置等信息，還應重點了解腫瘤血供及毗鄰血管的解剖關(guān)系。Abdel-Aziz等［13］將腫瘤與頸內(nèi)動脈的關(guān)系分為：1）HG 0級：腫瘤僅接觸或稍推移頸內(nèi)動脈，沒有包繞；2）HG 1級：腫瘤部分包繞頸內(nèi)動脈；3）HG 2級：腫瘤全部包繞頸內(nèi)動脈，但頸內(nèi)動脈沒有狹窄；4）HG 3級：腫瘤全部包繞頸內(nèi)動脈，頸內(nèi)動脈有狹窄；5）HG 4級：腫瘤全部包繞頸內(nèi)動脈并使其閉塞。三維虛擬模型及其實體解剖模型能直觀顯示腫瘤與周圍血管真實的三維空間關(guān)系，尤其是腫瘤與頸內(nèi)動脈及其主要分支大腦中動脈、大腦前動脈等重要血管的關(guān)系，提供較為準確的腫瘤與頸內(nèi)動脈關(guān)系分級。通過研究、參考模型，手術(shù)操作時能有預見性地保護、避開重要血管，減少手術(shù)暴露時間，降低手術(shù)出血量。

3.2 三維模型能顯示蝶骨嵴腦膜瘤與海綿竇的關(guān)系

內(nèi)側(cè)型蝶骨嵴腦膜瘤位于前中顱窩交界區(qū)，易侵襲鞍旁海綿竇。由于海綿竇區(qū)解剖極其復雜，功能十分重要，對于侵犯海綿竇內(nèi)的腫瘤，是否積極予以切除目前尚無統(tǒng)一共識。有學者主張盡量全切除以減少腫瘤復發(fā)，但Kotapka等［14］研究發(fā)現(xiàn)有42%包裹血管腫瘤其腫瘤細胞已經(jīng)侵犯肌層，真正意義上的全切除很難做到，而全切可能損傷海綿竇內(nèi)神經(jīng)及頸內(nèi)動脈，嚴重影響患者生存質(zhì)量，甚至導致災難性的后果。三維虛擬模型及其實體解剖模型能顯示腫瘤侵襲海綿竇的情況，對于術(shù)中是否打開海綿竇處理竇內(nèi)腫瘤組織有重要的參考意義。

3.3 三維模型為蝶骨嵴腦膜瘤手術(shù)提供個性化參考

手術(shù)方式和入路的選擇是蝶骨嵴腦膜瘤手術(shù)成敗的關(guān)鍵，目前國內(nèi)學者多數(shù)根據(jù)腫瘤的位置、大小、生長方向、附著部位及骨質(zhì)破壞情況采用低位額顳入路（翼點入路）或改良翼點入路［15］。三維虛擬模型及其實體模型可完整顯示腫瘤及其周圍結(jié)構(gòu)的三維信息。據(jù)此，術(shù)前應認真觀察腫瘤的空間位置、形態(tài)、附著部位，測量腫瘤至腦皮層和顱底骨質(zhì)之間的距離及角度，通過動態(tài)旋轉(zhuǎn)模型，探討不同手術(shù)入路可觀察到的顱內(nèi)結(jié)構(gòu)，比較不同術(shù)式及入路的優(yōu)缺點，從而確定最佳的個性化術(shù)式與入路。術(shù)中參照模型選擇最佳頭位及手術(shù)切口，制作合適的游離骨瓣，達到腫瘤的最佳暴露，減少腦組織牽拉與破壞，最大程度降低手術(shù)對患者的損傷。

此外，蝶骨嵴腦膜瘤的實體模型在神經(jīng)外科臨床教學中有很好的應用前景。由于蝶骨嵴腦膜瘤手術(shù)復雜，危險性大，年輕醫(yī)師無法獨立完成，手術(shù)操作培訓相對困難，因此對其解剖關(guān)系及手術(shù)要點無法準確理解把握。3D打印實體解剖模型很好的解決了這一問題，年輕醫(yī)師可以結(jié)合顱腦CT及MRI影像全方位觀察模型，培養(yǎng)立體空間構(gòu)像能力，準確掌握實際解剖關(guān)系，了解各種手術(shù)入路的利弊，極大地促進了年輕醫(yī)生的成長［16］。

本研究制作5例患者的蝶骨嵴腦膜瘤三維虛擬模型及其實體解剖模型，通過對模型的觀察與研究，術(shù)前能夠準確了解腫瘤、顱底及鄰近結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，針對性地分析手術(shù)中可能遇到的問題及需采取的應對措施，制定個性化最優(yōu)入路及術(shù)式，手術(shù)時對照、參考模型，做到準確預判，極大提高術(shù)者信心。5例患者腫瘤均達到SimpsonⅡ級以上切除，術(shù)后恢復良好。

綜上所述，基于3D打印技術(shù)制作的三維虛擬模型及其實體解剖模型對臨床手術(shù)的順利實施有極大地幫助。但本研究僅為3D打印技術(shù)在蝶骨嵴腦膜瘤切除術(shù)中的初步探索，仍需更多的臨床病例進行經(jīng)驗總結(jié)。同時，受限于CT圖像分辨率，導致直徑較小的血管及顱神經(jīng)難以重建并制作。因此，醫(yī)學模型制作工藝的精細化是未來研究的重點方向。

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Application value of 3D printing technology in the surgery of sphenoid ridge meningioma

Yuqing LIU1,Bingwei HE2,Shengyue HUANG1,Zhikun YANG2,Jianghui ZHUANG2,Mingwu CHEN1,Shou CHEN2,Zhengjian LIAO1

1Department of Neurosurgery,Fujian Provincial Hospital,Provincial Clinical Medical College of Fujian Medical University,Fuzhou 350001,China;2School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China

Shengyue HUANG;E-mail:huangshengyue@126.com

Objective:To investigate the value of 3D printing technology in sphenoid ridge meningioma dissection.Methods:By using craniocerebral spiral enhanced CT scan DICOM images,the skull,vessels,and tumor were extracted,reconstructed,and assembled and integrated in the same coordinate system.Then,we constructed a 3D virtual model and a 3D-printed entity model,which was applied for preoperation and postoperation.Results:Virtual models of the brains of five patients were reconstructed successfully and 3D entity models were produced.The models expressed the relationship among tumors,adjacent blood vessels,and the important position of the nerve tissue.Then,the models were applied to the reference before surgery planning and after surgery.Five cases were successfully performed.Conclusion:The use of the entity model of sphenoid ridge meningioma is important in optimizing operation plans,improving tumor resection,and reducing intraoperative bleeding.

sphenoid ridge meningioma,3D printing technology,virtual model,entity model

10.3969/j.issn.1000-8179.2017.22.439

①福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科（福州市350001）；②福州大學機械工程及自動化學院

*本文課題受福建省自然科學基金項目（編號：2015J01421）、福建醫(yī)科大學教育教學改革研究項目（編號：J17011）和福建省醫(yī)學創(chuàng)新課題（編號：2017-CX-14）資助

黃繩躍 huangshengyue@126.com

This work was supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province of China(No.2015J01421),Funded Project of Reform and Research on Education and Teaching of Fujian Medical University(No.J17011),and Medical Innovation Project of Science&Research Personnel Training Program on Health and Family Planning of Fujian Province(No.2017-CX-14)

（2017-04-14收稿）

（2017-11-13修回）

劉宇清 專業(yè)方向為腦腫瘤、腦血管病、腦外傷的治療，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的應用等。

E-mail：2291510908@qq.com