3D打印技術(shù)在顱內(nèi)動靜脈畸形個體化治療中的初步應(yīng)用體會

洪文瑤 劉宇清* 黃繩躍 何炳蔚 莊江惠 廖正儉 潘儒君

(1福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科，福建 福州 350001; 2福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

3D打印技術(shù)通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料，最后生成三維實體，是近年來迅猛發(fā)展的一項新技術(shù)[1]。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和材料工程的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)開始應(yīng)用到醫(yī)療實踐中。本研究通過應(yīng)用3D打印技術(shù)制作顱內(nèi)動靜脈畸形(arteriovenous malformations, AVM) 的實體模型，加強與患者溝通及指導(dǎo)AVM治療，現(xiàn)介紹如下。

一、對象與方法

1.對象：選取2016 年2月至5月于福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科進(jìn)行治療的AVM 患者3例。其中男2例，女1例；平均年齡25歲。臨床表現(xiàn)：3例均有頭痛、嘔吐癥狀，2例合并嗜睡。Spetzler-Martin分級：Ⅰ級1例，Ⅲ級1例，IV級1例；畸形血管團(tuán)位于左側(cè)額葉1例，右顳葉1例，左側(cè)丘腦1例。

2.影像學(xué)檢查：所有病例入院時均行顱腦CT血管成像(CT angiography, CTA)，采集其影像數(shù)據(jù)，重建顱內(nèi)AVM三維虛擬模型。具體步驟如下：首先，利用顱腦血管成像CTA掃描(層間距0.6 mm)原始數(shù)據(jù)，以DICOM格式輸出。然后，將此原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 15.0軟件，采用動態(tài)自適應(yīng)區(qū)域生長的分割方法，根據(jù)顱骨和血管的灰度值差異，取不同閾值分割出目標(biāo)區(qū)域圖像，重建三維虛擬模型。最后，對三維頭顱虛擬模型進(jìn)行優(yōu)化處理，根據(jù)原始CT坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)行配準(zhǔn)融合，獲得同一坐標(biāo)系下顱骨和血管的三維復(fù)合虛擬模型。

3.3D打印顱內(nèi)AVM三維實體模型及其應(yīng)用：將三維復(fù)合虛擬模型保存為STL格式的文件，并導(dǎo)入3D打印機(Objet350 Connex3，Stratasys 公司，美國)的前端處理軟件，采用光固化成型技術(shù)，將三維重建的虛擬可視化模型按照1 ∶1比例進(jìn)行實體化，最終打印出實體模型。將實體模型向患者及家屬展示，與其充分溝通。研究模型所顯示的AVM特征，制定個性化治療方案。

4.隨訪：門診隨訪，隨訪時間平均約9個月，每3～6個月復(fù)查顱腦CTA檢查。

二、結(jié)果

1.3D打印的實體模型效果：應(yīng)用3D打印技術(shù)成功打印出3 例顱內(nèi)AVM 的實體等比例模型，根據(jù)建模的原始數(shù)據(jù)及需求不同可獲取不同顯示內(nèi)容的顱腦AVM 畸形模型(圖1)，能清晰地顯示AVM的部位、大小、供血動脈、引流靜脈、及其空間結(jié)構(gòu)位置關(guān)系。

2.實體模型臨床應(yīng)用效果：根據(jù)該模型，可鮮明、客觀地向患者及其家屬介紹病變及其治療方案。3例患者分別伽馬刀治療、手術(shù)切除與保守治療。隨訪期間3例患者均無再次出血。其中，1例伽馬刀術(shù)后1年復(fù)查見畸形血管團(tuán)明顯縮小；1例切除AVM術(shù)中，應(yīng)用實體模型輔助術(shù)者準(zhǔn)確定位病灶及其供血動脈和引流靜脈，從而順利切除病灶，術(shù)后無再出血、腦梗塞等并發(fā)癥，6個月后復(fù)查CTA顯示未見病灶殘留或復(fù)發(fā)。

圖1 顱腦AVM三維實體模型

A為畸形血管團(tuán)，其中黑色箭頭為供血動脈，白色箭頭為AVM引流靜脈

三、討論

近年來，顱腦CTA已廣泛應(yīng)用于臨床，將成像的原始數(shù)據(jù)通過計算機進(jìn)行三維虛擬模型的重建和融合，可直觀顯示AVM病灶，這是國內(nèi)排查顱內(nèi)血管病的首選檢查方法之一[2-3]。3D打印是在計算機創(chuàng)建三維虛擬模型的基礎(chǔ)上，對材料進(jìn)行分層“打印”疊加，最終整體成形的一種快速成型技術(shù)[4]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要用于醫(yī)學(xué)模型制造、個性化醫(yī)療器械制作和人工組織器官代替品制作等[5-6]。將患者CTA原始數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理并制作出AVM三維實體模型，實現(xiàn)了從二維影像到虛擬三維影像，再到真實三維實體模型的跨越性飛躍，其逼真直觀的視覺效果使得AVM 患者實現(xiàn)個體化診療成為可能。本研究采用3D打印技術(shù)重建顱內(nèi)AVM實體模型，均可清晰地顯示AVM的部位、大小、供血動脈、引流靜脈、及其空間結(jié)構(gòu)位置關(guān)系。根據(jù)模型進(jìn)行關(guān)于疾病宣教、治療決策等方面的醫(yī)患溝通取得了良好的效果。

顱內(nèi)動靜脈畸形的治療手段，主要有開顱手術(shù)切除[7]、血管內(nèi)介入、立體定向放射治療等。如何選擇最佳個體化治療方案不僅需要主管醫(yī)師充分了解各種治療手段，還需要結(jié)合患者的具體情況，考慮患者的價值和愿望，制定出最合理的治療決策。因此，進(jìn)行有效的醫(yī)患溝通，讓患者充分認(rèn)識自身疾病，是進(jìn)行個體化治療的必要條件，也是獲得患者良好的就醫(yī)依從性以及提高治療效果滿意度的重要因素。在以前，我們只能通過影像圖片、手繪簡易示意圖對患者進(jìn)行宣教、說明，加上患者本身醫(yī)學(xué)知識不足，溝通效果并不理想。絕大多數(shù)患者僅能被動的簡單接受結(jié)果，而不是理解，這是造成醫(yī)患糾紛的一個重要因素。有研究顯示[8]，AVM的3D實體模型可以顯著節(jié)省術(shù)前與患者及其家屬談話時間，提高談話效率，并且可以提高在醫(yī)患溝通中患者及家屬的滿意程度。3D打印AVM模型可以為患者提供視覺和觸覺上的直觀感受，按照個體真實的實體模型進(jìn)行宣教，有效加深其對治療方案利弊的理解，有助于提高醫(yī)患溝通的效果，建立良好的醫(yī)患關(guān)系，從而制定出更加個性化的治療方案。本文3例患者均能夠充分了解自身疾病，并作出符合個體需求的治療方案，在隨訪過程中對治療過程與效果均滿意。因此，利用3D打印技術(shù)制作AVM畸形血管團(tuán)的三維實體模型，在進(jìn)行醫(yī)患溝通中，將有利于改善醫(yī)患關(guān)系，減少醫(yī)療糾紛，在醫(yī)患共同解除疾病的過程中起到非常重要的輔助作用。

此外，3D打印AVM模型還對病灶切除手術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。在術(shù)中，準(zhǔn)確定位AVM病灶及辨認(rèn)其供血動脈與引流靜脈是規(guī)劃最佳手術(shù)路徑的基礎(chǔ)，更是避免正常血管以及減少腦組織損傷的保障。由于AVM 本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往醫(yī)師對疾病的了解僅限于對二維圖片的解讀，即使是3D圖像的旋轉(zhuǎn)，也是多幅二維圖像的連續(xù)播放而已。由于血管間的重疊，無法分辨其真實的空間結(jié)構(gòu)。因此，簡單根據(jù)影像圖片難以準(zhǔn)確辨認(rèn)及定位AVM病灶及其供血動脈等結(jié)構(gòu)。近年來，隨著神經(jīng)導(dǎo)航儀的應(yīng)用，術(shù)中血管定位的問題已得到初步解決，但由于該設(shè)備價格昂貴、操作復(fù)雜，在我國許多醫(yī)院尚未廣泛推廣。利用3D打印技術(shù)制作實體模型可以直觀觀察及分析AVM的位置、大小、供血動脈、引流靜脈、及其空間結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，有助于AVM病灶的精準(zhǔn)定位，選擇最佳手術(shù)路徑。本文1例患者利用3D打印模型實時指導(dǎo)術(shù)者準(zhǔn)確辨認(rèn)AVM供血動脈和引流靜脈，不僅順利完整切除病灶，而且減少了腦組織和血管的損傷。

綜上所述，3D打印模型有助于促進(jìn)醫(yī)患溝通，指導(dǎo)個體化治療。但目前制約3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用存在以下因素：①影像設(shè)備的清晰度和分辨率，直接影響圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而影響圖像切割和融合的效果，制約著3D打印模型的逼真性；②制作模型面臨多方面的挑戰(zhàn)，如成本較高、精細(xì)程度(如對畸形團(tuán)內(nèi)結(jié)構(gòu)的顯示欠清晰) 等[9-10]?，F(xiàn)階段該技術(shù)處于初步臨床應(yīng)用階段，尚需積累更多的病例，以取得更好的臨床效果與經(jīng)驗。隨著3D打印設(shè)備及材料的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)將更加廣泛的應(yīng)用于臨床，成為醫(yī)療過程實現(xiàn)個體化治療必不可少的一種重要輔助工具。

參考文獻(xiàn)

1CHANG J B, SMALL K H, CHOI M, et al. Three-dimensional surface imaging in plastic surgery: foundation, practical applications, and beyond [J]. Plast Reconstr Surg, 2015, 135(5): 1295-1304.

2SCHWARTZ A, MONEY K, SPANGEHL M, et al. Office-based rapid prototyping in orthopedic surgery: a novel panning technique and review of the literature [J]. Am J Orthop (Belle Mead NJ), 2015, 44(1): 19-25.

3BRAKSICK S A, FUGATE J E. Management of brain arteriovenous malformations [J]. Curr Treat Options Neurol, 2015, 17(7): 358.

4HESPEL A M, WILHITE R, HUDSON J. Invited review applications for 3D printers in veterinary medicine [J]. Vet Radiol Ultrasound, 2014, 55(4): 347-358.

5OU K L, HOSSEINKHANI H. Development of 3D in vitro technology for medical applications [J]. Int J Mol Sci, 2014, 15(10): 17938-17962.

6PATRA S, YOUNG V. A review of 3D printing techniques and the future in biofabrication of bioprinted tissue [J]. Cell Biochem Biophys, 2016, 74 (2): 93-98.

7王和功, 鄭華煜, 楊慧東, 等. 出血性動靜脈畸形的顯微外科治療體會 [J]. 中華神經(jīng)外科疾病研究雜志, 2017, 16(2): 163-164.

8陳光忠, 李鑒軼, 秦琨, 等. 3D打印技術(shù)在顱內(nèi)動靜脈畸形血管內(nèi)介入治療中的初步應(yīng)用 [J]. 中國腦血管病雜志, 2016, 13(1): 25-28.

9RENGIER F, MEHNDIRATTA A, VONTENGG-KOBLIGK H, et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications [J]. Int J Comput Assist Radiol Surg, 2010, 5(4): 335-341.

10DARWOOD A, COLLIER J, JOSHI N, et al. Rethinking 3D printing: a novel approach to guided facial contouring [J]. J Craniomaxillofac Surg, 2015, 43(7): 1256-1260.