多模態(tài)影像融合結(jié)合3D打印技術(shù)在大腦鐮旁腦膜瘤切除術(shù)中的初步應(yīng)用

廖正儉，劉宇清，何炳蔚，黃繩躍，陳 壽，楊智坤，洪文瑤，陳忠儀

大腦鐮旁腦膜瘤是較常見(jiàn)的顱內(nèi)良性腫瘤之一，起病慢，病程長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)時(shí)往往腫瘤體積較大，由于所在位置毗鄰重要的神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)，其手術(shù)一直是神經(jīng)外科的難點(diǎn)之一[1]，術(shù)中瘤周皮層靜脈及側(cè)支靜脈的保護(hù)和上下矢狀竇的妥善處置是大腦鐮旁腦膜瘤手術(shù)成功的關(guān)鍵。本研究回顧性收集5例患有大腦鐮旁腦膜瘤患者的CT與MRI多模態(tài)影像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)建立三維虛擬模型，結(jié)合正向設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)，制作出高逼真度、等比例、多色彩的實(shí)體解剖模型，并評(píng)價(jià)融合CT與MRI圖像的多模態(tài)結(jié)合3D打印技術(shù)在大腦鐮旁腦膜瘤外科手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料:選取2017年3-9月我科收治的5例大腦鐮旁腦膜瘤患者，其中男2例，女3例；平均年齡(44.6±4.3)歲。術(shù)前常規(guī)顱腦CT(CTV、CTA)與MRI檢查診斷為大腦鐮旁腦膜瘤，根據(jù)病變周圍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇性掃描MRA、MRV等序列。

1.2 方法:應(yīng)用多模態(tài)影像融合分析CT、MRI術(shù)前影像學(xué)資料，獲得關(guān)于腫瘤及其毗鄰神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)的關(guān)系信息，以DICOM格式輸出。將DICOM格式的CT、MRI影像數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入醫(yī)學(xué)逆向建模軟件Mimics 15.0(Materialise公司，比利時(shí))，利用閾值選取技術(shù)，根據(jù)顱骨、血管、腫瘤、腦組織、大腦鐮等組織結(jié)構(gòu)的灰度特點(diǎn)進(jìn)行閾值劃分，利用區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)重建獲得各個(gè)組織結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型；最后以CT、MRI數(shù)據(jù)中分別重建得到的模型為基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)融合，實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)數(shù)據(jù)坐標(biāo)的統(tǒng)一，完成原始顱腦三維虛擬模型構(gòu)建，以直觀地顯示腦膜瘤的部位、形態(tài)、大小及與周圍組織血管的關(guān)系。3D打印技術(shù)將三維虛擬模型以STL格式導(dǎo)入快速成型機(jī)處理軟件，將三維虛擬模型進(jìn)一步實(shí)體化，制作出和實(shí)際同樣比例的實(shí)體模型。同時(shí)，術(shù)中可隨時(shí)單獨(dú)調(diào)用CT、MRI圖像或融合圖像，顯微鏡下進(jìn)行手術(shù)。

1.3 觀察指標(biāo):根據(jù)患者術(shù)前及術(shù)后復(fù)查的影像學(xué)資料計(jì)算腫瘤的切除程度(EOR)，并于術(shù)后4周再次進(jìn)行KPS評(píng)分。

2 結(jié)果

所有研究對(duì)象均成功構(gòu)建出三維虛擬模型，同時(shí)進(jìn)一步實(shí)體化制作出大腦鐮旁腦膜瘤實(shí)體解剖模型，清晰顯示出腫瘤與矢狀竇、周邊引流靜脈及大腦鐮等重要解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系。術(shù)者利用該模型制訂出完善的手術(shù)預(yù)案，并在融合CT與MRI圖像的多模態(tài)3D打印技術(shù)指引下避開(kāi)重要血管，順利完成手術(shù)。5例病例通過(guò)影像學(xué)隨訪，腫瘤全切除4例，次全切除1例；無(wú)術(shù)后明顯腦水腫、顱內(nèi)出血及新增神經(jīng)功能障礙，無(wú)1例死亡。術(shù)后隨訪4～12個(gè)月，4周后KPS評(píng)分均>60分，生活均可自理；其中1例腫瘤殘留于術(shù)后3個(gè)月行γ刀治療，5例均未見(jiàn)腫瘤復(fù)發(fā)。

典型病例：男性，45歲，主因左側(cè)肢體無(wú)力1年，于2017年8月30日入院，在外院行頭部CT檢查顯示右側(cè)額頂部占位伴周圍水腫，為求進(jìn)一步治療收住我科。入院時(shí)患者神志清楚，腦神經(jīng)檢查無(wú)異常，KPS評(píng)分90分。術(shù)前CTV及MRI檢查考慮為右額頂部大腦鐮旁腦膜瘤。該患者通過(guò)融合CT與MRI多模態(tài)圖像構(gòu)建3D實(shí)體解剖模型，依據(jù)實(shí)體腫瘤模型制訂手術(shù)預(yù)案，術(shù)前向患者及其家屬展示實(shí)體模型，使患者對(duì)自身所患疾病有更為直觀的了解，同時(shí)術(shù)中參照解剖模型，設(shè)計(jì)手術(shù)切口及手術(shù)入路，了解腫瘤與周圍重要結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，避免因定位偏差造成不必要的損傷，同時(shí)能增加腫瘤的顯露，精準(zhǔn)切除腫瘤，手術(shù)過(guò)程順利。術(shù)后的影像檢查也進(jìn)一步證實(shí)腫瘤全切除，盡管該患者短期臨床癥狀較術(shù)前稍加重，但術(shù)后4周隨訪其臨床癥狀恢復(fù)至術(shù)前狀態(tài)，且KPS評(píng)分為100分，病理證實(shí)為腦膜瘤。

3 討論

大腦鐮旁腦膜瘤是腦膜瘤的好發(fā)部位之一，與其他部位腦膜瘤不同，腫瘤常埋入大腦半球?qū)嵸|(zhì)內(nèi)，與矢狀竇、中央溝等引流靜脈關(guān)系密切，基底部較寬，且位置較深，手術(shù)空間狹窄，暴露困難，既要爭(zhēng)取全切腫瘤，又要注意保護(hù)皮層組織、引流靜脈，尤其要保護(hù)那些比較粗大的引流靜脈[2]，并妥善處理上下矢狀竇。因此，手術(shù)難度相對(duì)較大，操作不當(dāng)容易導(dǎo)致腦組織及動(dòng)靜脈血管損傷，出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥。

近年來(lái)，隨著解剖學(xué)、影像學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，既往基于單一MRI或CT圖像的技術(shù)應(yīng)用于顯微神經(jīng)外科已顯示出明顯局限性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，多模態(tài)影像融合技術(shù)就是將同一研究對(duì)象的不同影像信息經(jīng)過(guò)空間配準(zhǔn)和疊加后合成一幅圖像，克服了單一影像模式的局限性，可獲得更為準(zhǔn)確、全面的細(xì)節(jié)描述，達(dá)到綜合利用、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的[3]。其多源影像數(shù)據(jù)疊加技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)患者術(shù)前[包括CT(CTA、CTV)、MRI(MRA、MRV、MRS、DWI等]任意兩種以上影像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，提供直觀的、精確的腫瘤位置信息及其與矢狀竇、皮層引流靜脈等靜脈系統(tǒng)及功能區(qū)的解剖關(guān)系，輔助術(shù)者安全、順利進(jìn)行手術(shù)。目前已有較多文獻(xiàn)報(bào)道將CT、MRI圖像融合應(yīng)用于垂體腫瘤及顱底腫瘤等手術(shù)中[4-5]。

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)之一，通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、圖像融合，建立三維虛擬模型，該模型可按照需求任意設(shè)計(jì)、修改，最終打印制作出不同顏色、質(zhì)地的實(shí)體模型。20世紀(jì)80年代3D打印技術(shù)首先應(yīng)用于工程領(lǐng)域，近年來(lái)，已在醫(yī)學(xué)模型制造、個(gè)性化醫(yī)療器械制作、人工組織器官替代品制作等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中逐步應(yīng)用[6-8]，基于神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，目前該技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科正處于起步階段[9-10]。在本次研究中，我們選擇在大腦鐮旁腦膜瘤的外科手術(shù)中，應(yīng)用MRI-CT多模態(tài)影像融合技術(shù)，提取相關(guān)數(shù)據(jù)信息重建形成三維虛擬模型，再結(jié)合3D打印技術(shù)打印腫瘤及其周圍組織血管等實(shí)物模型，并利用該模型交代病情、模擬手術(shù)、制訂診治方案及指導(dǎo)術(shù)中操作，以相對(duì)較小的創(chuàng)傷代價(jià)到達(dá)腫瘤部位，在切除腫瘤的同時(shí)，避開(kāi)重要的神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)，提高了手術(shù)的快捷性、準(zhǔn)確性、安全性。

本研究應(yīng)用多模態(tài)影像融合結(jié)合3D打印技術(shù)構(gòu)建實(shí)體模型，其具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：①頭部CTV可以清晰顯示大腦靜脈系統(tǒng)，對(duì)術(shù)前評(píng)估靜脈竇的侵犯程度和側(cè)支靜脈吻合有幫助。②MRI能明確腫瘤的邊界及其與周圍腦組織的關(guān)系。③顯示每位患者腫瘤周圍血管解剖關(guān)系存在的明顯個(gè)體差異。實(shí)體腫瘤3D模型逼真直觀的視覺(jué)效果對(duì)個(gè)性化手術(shù)預(yù)案的設(shè)計(jì)及實(shí)施有極大的幫助；對(duì)非醫(yī)學(xué)的患者來(lái)說(shuō)，顱腦結(jié)構(gòu)神秘且復(fù)雜，術(shù)前向患者及其家屬展示實(shí)體模型，可使其對(duì)疾病有直觀了解，并有助于醫(yī)患間的有效溝通。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用多模態(tài)影像融合結(jié)合3D打印技術(shù)重建的大腦鐮旁腦膜瘤實(shí)體模型暫無(wú)相關(guān)報(bào)道。本研究5例患者均采用多模態(tài)影像融合結(jié)合3D打印技術(shù)重建大腦鐮旁腦膜瘤實(shí)體模型，實(shí)體解剖模型可清晰顯示腫瘤與周圍神經(jīng)、血管的關(guān)系，術(shù)前有助于醫(yī)務(wù)人員討論患者病情及與患者進(jìn)行有效溝通，制訂完善的手術(shù)預(yù)案；術(shù)中參照實(shí)體模型，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)手術(shù)切口及入路，可提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，避免因定位偏差對(duì)周圍重要組織結(jié)構(gòu)造成損傷，減少術(shù)中的盲目性，縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)安全性，使手術(shù)取得良好效果。

盡管目前應(yīng)用多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像融合技術(shù)并結(jié)合3D打印技術(shù)構(gòu)建實(shí)體模型處于剛剛起步的階段，但我們相信可以通過(guò)努力克服多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像融合中存在的問(wèn)題，并不斷提高三維重建及3D打印精度，為顱內(nèi)腫瘤手術(shù)治療提供更全面準(zhǔn)確的實(shí)體模型。