個案報道：基于3D打印技術(shù)的乳腺腫瘤精準手術(shù)治療2例

孫 濤，張鶴達，李 建，唐金海

作者單位： 210029 江蘇 南京，南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院 放射科(孫 濤)； 210029 江蘇 南京，南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院 普外科(張鶴達，唐金海)； 210009 江蘇 南京，江蘇省腫瘤醫(yī)院 普外科(李 建)

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論 著

個案報道：基于3D打印技術(shù)的乳腺腫瘤精準手術(shù)治療2例

孫 濤，張鶴達，李 建，唐金海

目的 探討3D打印技術(shù)在乳腺外科精確手術(shù)治療中的意義。方法 2例女性患者均是經(jīng)查體、B超檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)乳腺有占位性病變，疑為惡性，要求手術(shù)切除。行多排CT胸部平掃、乳腺3.0TMR平掃+增強檢查獲得CT和MRI的DICOM數(shù)據(jù)，輸入計算機進行立體模擬建模，而后打印，據(jù)此精準定位后手術(shù)。結(jié)果 3D重建模型能清晰地顯示乳腺解剖結(jié)構(gòu)、腫瘤所在的三維空間及周圍血供。精準定位后完整切除腫瘤，最大限度地保全腺體組織，手術(shù)時間大為減少。結(jié)論 3D打印技術(shù)應(yīng)用于乳腺腫瘤的手術(shù)治療，能夠清晰顯示出解剖結(jié)構(gòu)，辨識腫瘤毗鄰血管，避免遺漏病灶，更有效地輔助術(shù)前規(guī)劃，對提升乳腺復雜手術(shù)的安全性、加快手術(shù)速度，提高手術(shù)精確性有益，在乳腺外科精確手術(shù)治療方面具有極大的應(yīng)用前景。

3D打印； 精確手術(shù)； 乳腺腫瘤

在世界范圍內(nèi)，乳腺癌都是常見的危及女性生命的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率不僅呈現(xiàn)逐年上升趨勢，而且越來越年輕化，因此保乳手術(shù)及乳房重建將會成為年輕患者最主要的選擇。雖然現(xiàn)在的醫(yī)學檢查比較完善，但是仍不能完全的反應(yīng)腫塊與乳房的真實空間立體表現(xiàn)，比如血流的來源、走向，管徑大小，各穿支間是否還存在交通支，距離乳頭乳暈的空間實際距離等情況，因此無法術(shù)前準確設(shè)計手術(shù)方案。3D打印的問世使攻克這一難題成為可能。3D打印技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)(rapid prototyping，RP)或增材制造技術(shù)(additive manufacturing，AM)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，應(yīng)用粉末狀、液態(tài)塑料或金屬等可黏合材料，通過逐層打印方式來構(gòu)造物理模型的技術(shù)[1-3]。3D打印技術(shù)在國內(nèi)外醫(yī)學領(lǐng)域案例不少，主要應(yīng)用于骨科、頜面整形、肝膽、血管等學科[4-7]，但目前在國際上鮮有將此技術(shù)應(yīng)用于乳腺精確手術(shù)治療方面的報道。本文報道2例3D打印的乳腺模型制作方法、流程、術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)方案制定的臨床應(yīng)用成功案例，供同道們參考與討論。

1 病例資料

病例1：女，60歲，發(fā)現(xiàn)右乳腫塊2月余，居右乳上方，約核桃大小，無疼痛感，乳頭無溢血溢液。于2016-6-28從門診收住入院。腫瘤標記物：癌胚抗原為3.03 ng/ml，糖類抗原125為10.39 U/ml，糖類抗原199為5.38U/ml，糖類抗原153為15.28U/ml，甲胎蛋白2.46 ng/ml。乳腺彩超示：雙側(cè)乳腺腺體增生，右乳低回聲，BI-RADS 4C。胸部CT平掃：右乳偏外側(cè)象限稍致密，右側(cè)腋窩淋巴結(jié)稍腫大，左側(cè)腋窩、縱隔小淋巴結(jié)；兩肺散在斑片條索影，兩下肺明顯，似炎性或陳舊性改變。乳腺MRI：似右乳癌伴右側(cè)腋窩淋巴結(jié)稍腫大；左乳增生性改變。專科檢查：雙乳對稱，雙乳頭齊平；觸及右乳外上象限一片增厚區(qū)，大小約4.3 cm×3.0 cm，增厚區(qū)中可及兩個腫塊，稍大者約2.5 cm×1.0 cm，邊界欠清，質(zhì)硬，活動一般，余乳未及明顯腫塊。雙腋下未觸及明顯腫大淋巴結(jié)。于2016-7-7行乳腺腫瘤精準手術(shù)治療。

病例2：女，26歲，發(fā)現(xiàn)右乳腫塊半年，居右乳上方，無壓痛，無乳頭溢血、溢液。于2016-5-11從門診收住入院。腫瘤標記物：癌胚抗原0.28 ng/ml，甲胎蛋白2.01 ng/ml，糖鏈抗原125為27.42 U/ml，糖鏈抗原199為16.64 U/mL，糖鏈抗原153為4.65 U/ml。乳腺B超：右側(cè)乳腺結(jié)節(jié)，BI-RADS 4B類。乳腺MRI：右乳外上象限類圓形腫塊，BI-RADS 4b，右腋下多發(fā)腫大淋巴結(jié)，BI-RADS 4a。?？撇轶w：雙乳發(fā)育正常，基本對稱，右乳11點方向距乳頭2 cm處可及一3 cm×2 cm腫塊，質(zhì)硬，界不清，可活動，不伴乳頭溢液。于2016-5-25行乳腺腫瘤精準手術(shù)治療。

2 方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

2.1.1 多排CT胸部平掃 采用患者頭先進方式仰臥于檢查床上，雙手高舉抱頭，運用PHILIPS 16排螺旋CT進行掃描，掃描范圍從胸廓入口至肺底。具體參數(shù)：Kv 120，mAs 180，pitch 1.063，準直厚度1.5 mm。掃描過程中患者需要深吸氣屏住。

2.1.2 乳腺3.0T MR平掃加增強掃描 檢查設(shè)備有Siemens Trio Tim 3.0 T超導型磁共振掃描儀、Invivo乳腺專用8通道相控陣線圈，頻率123.2MHz，高壓注射器。采用患者頭先進方式俯臥于乳腺專用8通道相控陣線圈上，雙乳自然懸垂于乳腺線圈的兩個圓孔內(nèi)，橫向光標與乳頭對齊進入磁體中心。依次對雙側(cè)乳腺行軸位T2-tirm、DWI、T1WI動態(tài)增強掃描，矢狀位T2WI脂肪抑制(FS)掃描。

(1)軸位T2-tirm：反轉(zhuǎn)恢復預備脈沖磁化準備的快速自旋回波序列(turbo inversion recovery magnitude)，TR/TE：5 000 ms/61 ms，F(xiàn)OV：340 mm×340 mm，層厚4.0 mm。

(2)軸位彌散加權(quán)成像(diffusion weighted MR imaging，DWI)：單次激發(fā)平面回波序列(single-shot echo planner imaging sequence，SS-EPI)，頻率選擇脂肪抑制技術(shù)，擴散敏感因子(b值)=50 s/mm2和800 s/mm2X、Y、Z 軸3個擴散方向。TR/TE：6 300 ms/88 ms，F(xiàn)OV：340 mm×117 mm，層厚4.0 mm。

(3)軸位T1WI動態(tài)增強掃描(1+5)：快速小角度激發(fā)三維成像序列(3D-FLASH)，加脂肪抑制，TR/TE：4.23 ms/1.57 ms，翻轉(zhuǎn)角為10°，矩陣256×256，F(xiàn)OV：340 mm×340 mm，層厚：0.9 mm，動態(tài)增強掃描注射造影劑前先平掃1次，平掃結(jié)束后靜脈團注造影劑(Gd-GTPA，15 ml，流速3 ml/s)，繼而快速推注20 ml生理鹽水，第23 s開始增強掃描，連續(xù)無間斷掃描5次，采用并行采集，總時間為203 s。

(4)選擇性T2WI脂肪抑制(T2-FS)延遲矢狀位掃描：TR/TE：3 000 ms/72 ms， 矩陣256×256，F(xiàn)OV：180 mm×180 mm。

2.2 3D重建

對獲取的MRI、CT掃描圖像均采用MITK軟件(Medical Imaging ToolKi)處理，MITK是一款開源的醫(yī)用圖像處理軟件，可以直接讀取CT、MRI等設(shè)備采集到的DICOM文件，通過對影像數(shù)據(jù)內(nèi)的興趣區(qū)域進行可視化分割提取，可以計算生成并導出STL格式(STereo Lithography)的三維網(wǎng)格模型，圖1為三維重建處理流程圖。

圖1 三維重建處理流程

由于整個區(qū)域內(nèi)包含有腺體、腫瘤、血管、皮膚、脂肪、胸廓骨骼和胸廓前壁胸肌等多種組織，并且需要使用不同的顏色進行區(qū)分，所以我們使用多分割蒙版方式來創(chuàng)建模型，每種組織對應(yīng)一個分割蒙版，而每個分割蒙版都是由興趣體素構(gòu)成的?；颊叩挠?/p>

像學檢查包含CT和MRI數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)采集時患者的體位有所區(qū)別，所以需要事先使用Point Based Registration功能來將兩組數(shù)據(jù)進行配準。

核磁影像中的腫瘤邊緣清晰、強化明顯，使用Segmentation分割工具欄下的3D Tools中的Threshold閾值工具即可分離出腫瘤(圖2a、2d)。乳腺內(nèi)部的腺體組織同樣有強化，但信號強度比腫瘤組織略低，我們使用3D Tools下的UL Threshold工具來提取腺體(圖2b、2e)。不同于Threshold僅能設(shè)定一個最低值，此工具能同時設(shè)置一個最低值和最高值，信號強度位于設(shè)定值區(qū)間內(nèi)的組織都會被選中。由于乳房的有些皮膚的信號強度和乳腺類似，所以會被選擇進來，此時需要借助2D Tools下的Subtract工具將這部分選擇區(qū)域擦除，最后僅留下腺體區(qū)域即可。皮膚、胸廓骨骼和胸廓前壁胸肌的重建方法與創(chuàng)建乳腺腺體的方法類似，不過為了創(chuàng)建更為平滑的皮膚，我們將皮膚內(nèi)部完全填充為實體。

乳腺周圍的毗鄰血管組織的信號強弱不一，很難使用閾值分割工具來進行選擇，所以我們使用了3D Tools下的Region Growing工具來進行提取(圖2c、2f)。此工具允許操作者選擇影像中的一點，然后所有與該點相連并且灰階值位于設(shè)定偏差范圍內(nèi)的體素都會被提取出來，所以非常適合于創(chuàng)建血管類結(jié)構(gòu)。不過由于有些乳腺組織與血管緊鄰，分割時也會被誤選進來，此時可以使用2D Tools下的多種分割工具擦除這些誤選組織。

圖2 乳腺腫瘤、正常腺體及毗鄰血管組織的分割提取(病例1：A；病例2:B)

當所有組織的分割蒙版都被準確的建立后，其將會作為子對象數(shù)據(jù)自動存儲在影像數(shù)據(jù)下，在選中某個分割蒙版后，可以在右鍵快捷菜單中使用Create Smoothed Polygon創(chuàng)建三維網(wǎng)格模型，創(chuàng)建出來的三維網(wǎng)格模型可以通過Save保存功能將其存儲為單獨的STL模型。由于打算將皮膚做成一個可拆卸的殼裝物體，所以我們將皮膚的STL模型導入到3ds MAX軟件中，使用Shell工具為皮膚創(chuàng)建了一層殼。此外為了減少打印時間并方便于教學講解，我們使用3ds MAX軟件將模型進行了裁剪和切割，并手動添加了一些卡扣結(jié)構(gòu)。

2.3 打印和后處理流程

如圖3，將STL格式數(shù)據(jù)導入至Objet 350 Connex3 3D打印機系統(tǒng)后，操作步驟具體如下：

(1)檢測3D模型是否滿足打印要求；

(2)在模型滿足打印要求的情況下，對模型進行自動切片處理并評估打印耗費的材料；

(3)估算打印時間并開始打??；

(4)去除支撐物。

圖3 打印流程圖

由于血管等組織形態(tài)比較復雜，所以打印時手動添加了一些支撐物。打印完成后取出3D模型，浸泡入水大約30 min后移除支撐物，最后再次用水沖刷掉模型表面的瑣碎支撐，至此即完成3D 乳腺模型打印的整個過程。

打印材料使用多種顏色的樹脂材料，考慮到打印時間和成本，最薄打印層厚設(shè)置為0.2 mm。模型重建和打印花費的總時間大約為22 h。

2.4 手術(shù)

通過3D重建和打印，我們清晰地確認了腫瘤的數(shù)目、大小、空間位置、與乳頭乳暈的空間距離，周圍毗鄰的血管的來源和走向(圖4A)。我們可以看到腫塊位于外上象限，形態(tài)不規(guī)則，范圍較大，大小約92.64 mm×37.38 mm×69.63 mm，占位體積47.01ml，占位體表面積213.20 mm2，乳頭到腫塊的中心距離為57.55 mm,乳頭到腫塊的最近距離為19.33 mm，最遠距離為112.49 mm，在腫塊周圍有較多的血流分支；在大腫塊的外側(cè)有一小腫塊，大小約11.0 mm×8.0 mm，形態(tài)規(guī)則，但血供豐富，兩個腫塊之間有共同的血供。圖4B中腫塊位于乳頭后方，大小約28.0 mm×25.2 mm×21.3 mm，占位體積7.41 ml，占位體表面積19.23 mm2，乳頭到腫塊的中心距離為33.73 mm，乳頭到腫塊的最近距離為22.16 mm，最遠距離為47.22 mm。腫塊上方有2支血管分支經(jīng)過。

根據(jù)3D結(jié)果準確定位。在全麻下取患者右乳外上切口，切開皮下暴露乳腺組織，電刀游離及剖開腺體組織，根據(jù)3D影像，可以清楚的了解腫瘤的血管分支，在血管附近緩慢剝離腺體組織，及時避開主要血管分支，沿腫瘤表面完整切除腫瘤。

圖4 重建設(shè)計圖和打印實物對比(A:病例1；B：病例2)

3 結(jié)果

病例1根據(jù)快速病理結(jié)果(右乳高級別導管內(nèi)癌，是否浸潤等常規(guī))，根據(jù)術(shù)前影像學檢查及與患者的溝通，決定行右乳癌改良根治術(shù)?；颊叱Ｒ?guī)病理：右乳高級別導管內(nèi)癌，伴多小灶微小浸潤，最大直徑約1 mm，是否為微小浸潤或浸潤性導管癌存在爭議；右腋窩(0/15)淋巴結(jié)未見轉(zhuǎn)移癌。免疫組化示：ER(-)，PR(-)，HER-2(3+)，Ki-67(+5%)，CK7(+)。

病例2的快速病理示：右乳梭形細胞瘤，傾向軟組織來源，待常規(guī)及免疫組化進一步明確。常規(guī)病理：腫塊大小3 cm，右乳梭形軟組織腫瘤，考慮(1)結(jié)節(jié)性筋膜炎；(2)肌纖維母細胞瘤，等免疫組化進一步明確。右乳腫瘤細胞：Vimentin(+)，S-100(-)，Desmin(-)，SMA(+)，CD34(-)，ER(-)，PR(-)，Catenin-β(+)，P63(-)，Ki-67(3%+)，CK-pan(-)，CK7(-)。結(jié)合HE切片，本例符合結(jié)節(jié)性筋膜炎。

患者術(shù)后均恢復良好。

4 討論

近幾年來，3D打印技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，主要包括血管外支架植入術(shù)[8]、先天性心臟病三維模型[2]、骨骼假體置換[9-10]等。目前在國際上鮮有將此技術(shù)應(yīng)用于乳腺精確治療方面的報道。目前B超、CT 、MRI等醫(yī)學圖像雖然能很好的顯示腫塊的位置、毗鄰結(jié)構(gòu)，但仍然只是2D平面圖像。3D打印的乳腺腫瘤模型能夠更直觀地顯示解剖結(jié)構(gòu)，克服了原始2D圖像無法隨意融合CT、MRI數(shù)據(jù)的缺點，可以同時清晰地呈現(xiàn)軟組織和骨骼等硬組織。由于3D打印的實體模型可以隨意切換視角進行觀察，方便整個治療團隊觀察和手術(shù)方案討論。此外,對于沒有醫(yī)學知識背景的患者而言，也更加容易進行術(shù)前溝通和手術(shù)方案展示。就本實驗而言，通過3D打印的模型能在手術(shù)前確定腫瘤的位置、大小以及與周圍血管的毗鄰關(guān)系，并且能夠更加精準的測定復雜外形腫瘤的體積和表面積。這對于現(xiàn)在倡導的精準外科具有重要的指導意義，可提高手術(shù)的成功率及減少手術(shù)所需要的時間。

雖然3D打印技術(shù)為醫(yī)學提供了一種新的影像學展示方法和治療手段，但就現(xiàn)階段而言，3D技術(shù)在乳腺領(lǐng)域乃至外科領(lǐng)域的應(yīng)用還存在以下不足：(1)構(gòu)建分割蒙版過程繁瑣。由于軟組織不同于骨骼建模，其信號強弱不等，需要大量的后期人工修補工作，尤其是血管等結(jié)構(gòu)，當造影劑含量較低時，細小的血管分支往往無法重建，血管強化效果較好的數(shù)據(jù)可減少重建所需時間。(2)打印材料昂貴。3D打印材料常用的有塑料類材料和樹脂材料，但隨著技術(shù)的發(fā)展，材料的更新，打印價格也會隨之下降。(3)不同檢查影像數(shù)據(jù)融合困難。由于乳腺屬于軟組織，并且會隨著呼吸運動而上下浮動，這就給圖像融合帶來了一個巨大的難題。此外由于是基于原始醫(yī)學圖像重建而成，所以也會受到運動偽影、掃描時間、圖像信噪比低等因素的影響，對于后期圖像處理建模將會是一個巨大的挑戰(zhàn)。(4)無法清晰顯示真實的乳腺腺體走形和細微的血管結(jié)構(gòu)。但隨著影像學技術(shù)的不斷發(fā)展，這類問題也將會隨之解決。

目前3D打印雖然處于起步階段，但隨著科學的發(fā)展，醫(yī)療的精確，患者的需求，未來3D打印技術(shù)在乳腺外科的臨床應(yīng)用會有廣闊的發(fā)展空間，便于術(shù)前溝通、術(shù)前評估規(guī)劃、提高手術(shù)質(zhì)量，最終達到精確醫(yī)療、個體化治療的目的。

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TANGJinhai，E-mail：jinhaitang1@hotmail.com

Objective To explore the significance of 3D printing technology in the treatment of breast surgery. Methods Two female patients were found to have occupying lesion in right breast after physical investigation and B ultrasonic examination. After carrying out multi-slice CT and 3.0 TMR scanning, the DICOM data of images were input into computer to build the three-dimensional model, and then to print. Results The 3D reconstructed model not only can display breast anatomical structure clearly, but also better reflect the three-dimensional space of the tumor and peripheral blood supply. Under its guidance, the tumor was completely resected, and the mammary tissue was preserved as much as possible, and the whole operation time was greatly reduced. Conclusions 3D printing technology can be applied in the treatment of breast diseases. It can avoid missing tumor，similarly，it also can clearly display the anatomical structure, identify tumor adjacent vessels and more effectively assist preoperative planning. So it can enhance the security of the complex operation, accelerate the speed of operations and improve the operation accuracy. Therefore, it has great application prospect in breast precise surgery.

3D printing; Precise operation; Breast tumor

江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(JX10231801)

作者單位： 210029 江蘇 南京，南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院 放射科(孫 濤)； 210029 江蘇 南京，南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院 普外科(張鶴達，唐金海)； 210009 江蘇 南京，江蘇省腫瘤醫(yī)院 普外科(李 建)

孫 濤，男，副主任技師，研究方向：影像學與乳腺腫瘤的治療，E-mail：632913474@qq.com

唐金海，男，主任醫(yī)師，教授，研究方向: 乳腺腫瘤的治療，E-mail：jinhaitang1@hotmail.com

10.3969/j.issn.1674-4136.2016.04.005

1674-4136(2016)04-0235-05

2016-06-13][本文編輯：李筱蕾]

Cases report: 2 cases of treatment of breast tumor precise operation based on 3D printing technologySUNTao1，ZHANGHeda2，LIJian3，TANGJinhai2.(1.DepartmentofRadiology,theFirstAffiliatedHospitalWithNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029,China；2.DepartmentofGeneralSurgery,theFirstAffiliatedHospitalWithNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029,China；3.DepartmentofGeneralSurgery，JiangsuCancerHospital，Nanjing210009,China)