3D打印技術(shù)在顱內(nèi)動脈瘤開顱夾閉手術(shù)中的應(yīng)用

康慧斌，黃 慶，張洪兵，王 剛，胡艷龍，楊 俊，王 森，侯 哲

（首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院神經(jīng)外科，北京101149）

3D打印技術(shù)在顱內(nèi)動脈瘤開顱夾閉手術(shù)中的應(yīng)用

康慧斌，黃 慶，張洪兵，王 剛，胡艷龍，楊 俊，王 森，侯 哲

（首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院神經(jīng)外科，北京101149）

0 引言

神經(jīng)外科手術(shù)的精準(zhǔn)度對于患者預(yù)后有著重要的影響，過去的十年，神經(jīng)外科手術(shù)的定位和手術(shù)方式的選擇主要依靠神經(jīng)影像學(xué)，通過對患者腦病變區(qū)域的薄層掃描呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上以供術(shù)者診斷和定位［1］．盡管隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)的進(jìn)步，疾病的定位越來越精確，但是單純的影像圖像無法供術(shù)者進(jìn)行全方位的觀摩以及手術(shù)的模擬操作，術(shù)時(shí)只能參考打印的二維影像片，這對神經(jīng)外科醫(yī)師的記憶力和空間想象能力要求極高．隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，這種單純依靠神經(jīng)影像定位診斷的模式將發(fā)生變化，通過對患者顱腦影像學(xué)信息的提取，運(yùn)用快速打印技術(shù)可以打印出1∶1的患者顱腦病變模型，真實(shí)還原患者的實(shí)體顱腦信息，這種3D模型既可以供術(shù)者觀摩診斷，又可以模擬手術(shù)入路操作；不僅可以提高手術(shù)的精準(zhǔn)度，減少手術(shù)時(shí)間和腦組織損傷，而且可以代替活體尸頭標(biāo)本充當(dāng)教學(xué)模具，大大節(jié)省了醫(yī)療資源和醫(yī)療教育成本．目前，3D技術(shù)已廣泛應(yīng)用到骨科和口腔等手術(shù)及臨床教學(xué)中［2－9］．關(guān)于腦血管病手術(shù)尤其顱內(nèi)動脈瘤開顱手術(shù)的應(yīng)用國內(nèi)尚報(bào)道較少．本研究應(yīng)用3D打印技術(shù)制作顱內(nèi)動脈瘤模型，指導(dǎo)術(shù)前手術(shù)方案的制定和模擬動脈瘤夾閉．

1 資料和方法

1．1 一般資料 收集 2016－01／2016－12 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院神經(jīng)外科16例顱內(nèi)動脈瘤患者的臨床影像學(xué)資料，利用3D打印技術(shù)，對16例顱內(nèi)動脈瘤患者建立三維顱腦實(shí)體模型，進(jìn)行術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)及手術(shù)模擬，其中包括左側(cè)后交通動脈瘤6例，前交通動脈瘤5例，頸內(nèi)動脈眼動脈段動脈瘤2例，大腦中動脈瘤3例．

1．2 3D 顱內(nèi)動脈瘤模型的制作 1．3D-CTA（computed tomographic angiography，計(jì)算機(jī)斷層攝影血管造影術(shù)）檢查方法及數(shù)據(jù)采集．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．采用Missouri CT專用高壓注射器、20 G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(shí)間點(diǎn)，參照時(shí)間密度曲線得出達(dá)峰時(shí)間，以2 s經(jīng)驗(yàn)值作為正式增強(qiáng)掃描時(shí)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，增強(qiáng)掃描影像數(shù)據(jù)．原始影像學(xué)數(shù)據(jù)上傳至電子計(jì)算機(jī)工作站，經(jīng)多種精細(xì)化處理并結(jié)合3D打印機(jī)輸出顱內(nèi)動脈瘤血管三維復(fù)合體模型．

2．3D-CTA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及模型打?。跋駡D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(shí)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(jìn)行三維計(jì)算（圖1），3D打印機(jī)輸出顱內(nèi)動脈瘤血管三維復(fù)合固體模型，從而最終打印制造出1∶1等大的、高度仿真的患者顱內(nèi)動脈瘤實(shí)體模型．

圖1 示意圖

1．3 3D顱內(nèi)動脈瘤模型的應(yīng)用 將3D顱內(nèi)動脈瘤模型與術(shù)中所見進(jìn)行比對，檢查模型的精確性，應(yīng)用3D動脈瘤模型研究模型所示的動脈瘤特征，制定術(shù)中依據(jù)模型選擇最佳體位及手術(shù)入路，既可以使動脈瘤頸得到最佳暴露，又可以最大程度地減少對周圍腦組織的損傷，并將模型與手術(shù)體位角度擺放一致，使術(shù)者對動脈瘤頸部及周邊血管的相互關(guān)系一目了然．通過實(shí)際模擬開顱、動脈瘤夾閉等操作，選擇最合適的動脈瘤夾，演練從不同手術(shù)視角進(jìn)行夾閉，從而確定瘤頸夾閉最穩(wěn)妥、快速的夾閉入路．

2 結(jié)果

16例3D打印顱內(nèi)動脈瘤實(shí)體解剖模型的部位、大小、形態(tài)、朝向、瘤頸寬度以及動脈瘤與周圍重要解剖標(biāo)志位置與術(shù)中所見完全一致．患者手術(shù)過程均與術(shù)前設(shè)計(jì)一致，神經(jīng)功能保留良好，16例動脈瘤完全夾閉，所采用的動脈瘤夾及夾閉視角與術(shù)前選擇相同．動脈瘤夾到位更加準(zhǔn)確，調(diào)整次數(shù)更少，縮短了手術(shù)時(shí)間，周圍結(jié)構(gòu)組織損傷更小，16例患者術(shù)后均恢復(fù)良好，無術(shù)后并發(fā)癥及感染．通過分別對3D打印的動脈瘤模型與CT數(shù)據(jù)的測量發(fā)現(xiàn)一致性高達(dá)98．76%，證明了利用3D打印模型將病變實(shí)體化的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)術(shù)前手術(shù)方案的制定和模擬動脈瘤夾閉．

典型病例：患者，男，41歲，因“突發(fā)劇烈頭痛1．5 h”入院．入院時(shí)神清清醒、精神萎靡、呼喚睜眼、雙側(cè)瞳孔等大等圓，直徑3 mm，對光反射靈敏，頸抵抗陽性，四肢肌張力略增高，四肢肌力Ⅴ級．急查頭顱CT提示：蛛網(wǎng)膜下腔出血（圖2A）．行頭顱CTA檢查提示：左側(cè)大腦中動脈瘤（圖2B），結(jié)合出血形態(tài)，考慮為責(zé)任病灶．需手術(shù)治療以避免動脈瘤再次破裂出血危及生命，但患者既往換瓣術(shù)后長期口服華法令，同時(shí)有乙肝大三陽疾病史，此次入院后肝酶異常增高，待完善心外科及肝病科?？茣\及治療后，擇期手術(shù)．同時(shí)利用3D-CTA原始數(shù)據(jù)制作顱內(nèi)動脈瘤實(shí)體解剖模型，模型中大腦中動脈瘤及周圍血管結(jié)構(gòu)清晰可見，左側(cè)大腦中動脈供血，動脈瘤頂部朝左上方．根據(jù)3D模型手術(shù)模擬設(shè)計(jì)選擇左側(cè)額顳翼點(diǎn)入路大腦中動脈瘤夾閉術(shù)以及FT752T動脈瘤夾，術(shù)中所見動脈瘤大小、部位、和周圍組織的解剖關(guān)系與模型完全一致，動脈瘤夾選擇合適，一次性到位，夾閉滿意，手術(shù)順利，術(shù)后第1日復(fù)查頭顱復(fù)查頭顱CT顯示術(shù)區(qū)無明顯出血（圖2C），術(shù)后第6日復(fù)查CTA提示左側(cè)大腦中動脈瘤完全夾閉（圖2D）．術(shù)后無并發(fā)癥及感染發(fā)生．3D打印實(shí)體模型見圖2E．術(shù)前利用3D打印實(shí)體模型模擬手術(shù)夾閉動脈瘤操作見圖3．

圖2 3D打印的動脈瘤模型與CT影像學(xué)信息對比

3 討論

顱內(nèi)動脈瘤是神經(jīng)外科常見的腦血管疾病之一，其首次破裂出血后致殘率和致死率均高達(dá)1／3［10－13］，動脈瘤夾閉是防止其再次破裂出血最為有效的手術(shù)方式之一．在顱內(nèi)動脈瘤開顱夾閉術(shù)中準(zhǔn)確理解局部解刨結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，提高手術(shù)的精準(zhǔn)性可以減少周圍腦組織損傷以及降低術(shù)后并發(fā)癥．神經(jīng)外科醫(yī)師在夾閉動脈瘤前必須對動脈瘤周圍的動脈、顱骨、腦神經(jīng)、腦組織有清醒的認(rèn)識，對手術(shù)視角外隱藏的結(jié)構(gòu)有充分的認(rèn)識，要作到這一點(diǎn)，術(shù)前一定要作好充分的評估和設(shè)計(jì)．過去十年中，神經(jīng)外科醫(yī)師主要依靠神經(jīng)影像學(xué)的輔助來進(jìn)行術(shù)前診斷、定位和手術(shù)入路的設(shè)計(jì)［1］．盡管計(jì)算機(jī)能夠從連續(xù)的二維圖片中重建的三維圖片能更加清晰地顯示出病變的總體結(jié)構(gòu)和方向變化，但該三維影像是通過二維電腦屏幕顯示的，因此對動脈瘤真實(shí)的深度和位置關(guān)系反映依然有很大的障礙，術(shù)中只能結(jié)合透視和造影以及術(shù)前的影像資料進(jìn)行判斷和操作［14－17］，并且術(shù)者個(gè)人對影像資料的理解可能存在偏差，極小的偏差在術(shù)中可能造成極大影響，由于術(shù)中動脈瘤暴露空間有限，特別是手術(shù)時(shí)患者頭位變化，導(dǎo)致術(shù)前預(yù)案與術(shù)中實(shí)際操作存在無法避免的偏差，尤其在處理解剖復(fù)雜的病例時(shí)，缺少實(shí)物模型參照難以準(zhǔn)確定位顱內(nèi)動脈瘤及周邊重要血管，術(shù)中可能需要多次調(diào)整瘤夾的位置與角度，若操作不當(dāng)極易引起動脈瘤術(shù)中破裂或誤夾正常血管，從而造成嚴(yán)重后果．因此術(shù)者需要很豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)才能較好地理解其空間結(jié)構(gòu)．能夠反映顱內(nèi)動脈瘤真實(shí)解剖學(xué)特點(diǎn)的實(shí)物模型將會使術(shù)者對病變有更為精確和直觀的認(rèn)知，通過三維影像轉(zhuǎn)換為真實(shí)的同比例的實(shí)物模型，術(shù)者能夠獲得類似于開放手術(shù)的操作感受［16－18］．

近些年3D 打印技術(shù)迅速發(fā)展［19－22］，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到骨科和口腔等手術(shù)及臨床教學(xué)中［2－7］．運(yùn)用3D打印技術(shù)對患者顱腦3D-CTA信息進(jìn)行提取，通過快速打印技術(shù)打印出同比例的患者顱內(nèi)動脈瘤模型．這種實(shí)物模型可以供術(shù)者全方位的觀摩測量，更好地理解動脈瘤周圍血管神經(jīng)及腦組織等重要結(jié)構(gòu)，在動脈瘤夾閉術(shù)中，合適的動脈瘤夾的選擇對動脈瘤瘤頸夾閉尤為重要，術(shù)前通過對3D模型的模擬夾閉可以幫助選擇型號最為合適的動脈瘤夾，從而減少了術(shù)中動脈瘤夾的調(diào)整，有效避免了夾閉不全或載瘤動脈扭曲等情況的發(fā)生［23］．本研究中供應(yīng)用3D技術(shù)打印16例顱內(nèi)動脈瘤模型，其中左側(cè)后交通動脈瘤6例，前交通動脈瘤5例，頸內(nèi)動脈眼動脈段動脈瘤2例，大腦中動脈瘤3例，術(shù)前手術(shù)醫(yī)師及助手通過對3D顱內(nèi)動脈瘤模型的觀摩測量，確定最為合適的手術(shù)入路，并通過模型模擬動脈瘤夾閉等操作來選擇合適的動脈瘤夾和手術(shù)視角，結(jié)果發(fā)現(xiàn)16例顱內(nèi)動脈瘤患者的3D打印實(shí)體解剖模型的部位、大小、形態(tài)、朝向、瘤頸寬度以及動脈瘤與周圍重要解剖標(biāo)志位置與術(shù)中所見完全一致．10例患者手術(shù)入路過程均與術(shù)前設(shè)計(jì)一致，16例動脈瘤完全夾閉，所采用的動脈瘤夾及夾閉視角與術(shù)前模擬操作時(shí)選擇相同．動脈瘤夾到位更加準(zhǔn)確，調(diào)整次數(shù)更少，與常規(guī)無3D模型指導(dǎo)的動脈瘤開顱手術(shù)相比手術(shù)時(shí)間更短，周圍結(jié)構(gòu)組織損傷更小，16例患者術(shù)后均恢復(fù)良好，無術(shù)后并發(fā)癥及感染的發(fā)生．因此，本研究的結(jié)果表明3D打印技術(shù)對于顱內(nèi)動脈瘤開顱夾閉手術(shù)有更好地術(shù)前指導(dǎo)作用，可以幫助術(shù)者更好地理解動脈瘤周圍解剖，在很大程度上提高了動脈瘤開路手術(shù)的精準(zhǔn)度，降低了腦組織的損傷．

目前，3D打印技術(shù)仍存在著一些不足之處：①無法完全再現(xiàn)完整的腦組織結(jié)構(gòu)，較為精細(xì)的小穿支血管及神經(jīng)目前無法打?。谀X膜、蛛網(wǎng)膜等菲薄的腦組織結(jié)構(gòu)仍無法通過3D打印實(shí)現(xiàn)［24］．相信隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，打印出的模型會越來越精細(xì)，動脈瘤模型的質(zhì)量會越來越優(yōu)化，從而更好地發(fā)揮其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是腦血管疾病研究中的應(yīng)用價(jià)值．

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Application of three-dimensionalprinting technology during clipping of intracranial aneurysm

KANG Hui-Bin， HUANG Qing， ZHANG Hong-Bing， WANG Gang， HU Yan-Long， YANG Jun， WANG Sen， HOU Zhe
Department of Neurosurgery， Beijing Luhe Hospital， Capital Medical University， Beijing 101149， China

AIM：To establish intracranial aneurysm model by applying three-dimensionalprinting technology， guide the formulation of surgical procedures and simulate aneurysm surgical clipping before surgery．METHODS：The CTA （computed tomographic angiography） imaging data of 10 patients with intracranial aneurysms were extracted and rebuilded through computer software．Intracranial aneurysm model were obtained by three-dimensional printing according to 1 ∶1．Intracranial aneurysm model was used to guide the formulation of surgical procedures，and simulate aneurysm surgical clipping．RESULTS：Based on the observation and simulation of intracranial aneurysm model printed by three-dimensional printing technology before surgery，intraoperative aneurysm were more fully exposed，the place of aneurysm clipping was more accurate，surrounding structures were less damaged， and the operation time was reduced．CONCLUSION：Three-dimensional printing technology can reduc the choice problem on aneurysm clip and regulating times，help the surgeon to better understand the anatomy around an aneurysm，greatly improve the accuracy of aneurysm surgical clipping and reduce the brain tissues'damage．

intracranial aneurysm； three-dimensional printing；surgical clipping

目的：應(yīng)用3D打印技術(shù)制作顱內(nèi)動脈瘤模型，指導(dǎo)術(shù)前手術(shù)方案的制定和模擬動脈瘤夾閉．方法：收集16例顱內(nèi)動脈瘤患者的CTA影像學(xué)資料，通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)字化數(shù)據(jù)提取和重建，并按1∶1比例進(jìn)行3D打印，獲得動脈瘤實(shí)體模型，應(yīng)用顱內(nèi)動脈瘤模型指導(dǎo)開顱入路手術(shù)方案制定及模擬動脈瘤夾閉．結(jié)果：通過對3D打印動脈瘤模型的術(shù)前觀摩和手術(shù)模擬，術(shù)中動脈瘤暴露得更加充分，動脈瘤夾到位更加準(zhǔn)確，周圍結(jié)構(gòu)組織損傷更小，縮短了手術(shù)時(shí)間．結(jié)論：3D打印技術(shù)減少了動脈瘤夾的選擇及調(diào)整次數(shù)，縮短了手術(shù)時(shí)間，在一定程度上提高了顱內(nèi)動脈瘤開顱夾閉的精準(zhǔn)度，降低了腦組織的損傷．

顱內(nèi)動脈瘤；3D打印；開顱夾閉

739．41

A

2095-6894（2017）12-26-04

2017－05－11；接受日期：2017－05－26

首都臨床特色應(yīng)用與成果推廣項(xiàng)目（Z171100001017044）；通州區(qū)衛(wèi)生發(fā)展科研專項(xiàng)重點(diǎn)課題（TWKY-2016-ZD-01-10）；通州區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)專項(xiàng)（KJ2016-CX037-12）

康慧斌．E-mail：kanghuibindoctor＠ 163．com

黃 慶．博士，主任醫(yī)師，副教授，碩士生導(dǎo)師．E-mail：doctor＿h(yuǎn)uang＠ 163．com