基于3D打印技術(shù)的乳腺腫瘤精準(zhǔn)定位改進(jìn)方法及輔助裝置的研究

楊穎，秦鑫，周雪芳，張穎，徐方園，劉仕露，范金蕾，王傳兵,3

1. 南京醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇 南京 210029 ；2. 江蘇艾迪爾醫(yī)療科技股份有限公司，江蘇 張家港 215625；3. 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放射科，江蘇 南京 210029

引言

乳腺癌是常見的惡性腫瘤之一，且目前發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，研究表明乳腺癌病變?cè)缙谑亲钣行У闹委煏r(shí)間，可降低40%的死亡率[1]。隨著醫(yī)療器械及3D打印技術(shù)的發(fā)展，乳腺癌的治療理念從可耐受最大治療逐漸向最小有效治療轉(zhuǎn)變[2]，乳腺癌患者對(duì)保乳手術(shù)的需求增加。乳腺組織脂肪豐富，外力易使其變形，腫瘤位置不易確定。因此，保乳手術(shù)也對(duì)精準(zhǔn)定位乳腺腫瘤提出了更高的要求。

目前臨床上對(duì)于乳腺腫瘤定位的選擇有：① 臨床醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)觸診；② B超定位；③ 導(dǎo)絲穿刺定位。常規(guī)采用定位導(dǎo)絲穿刺法定位乳腺腫瘤，即術(shù)前在X線或超聲引導(dǎo)下將導(dǎo)絲放入乳腺病灶處[3]。但是這些操作會(huì)增加患者額外疼痛和經(jīng)濟(jì)開銷，且X線有輻射、分辨率較低。超聲對(duì)部分微小病灶不易檢出，易產(chǎn)生偽像，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)、二次手術(shù)疼痛等問題。乳腺腫瘤的診斷、定位、評(píng)估中，乳腺M(fèi)R必不可少。乳腺磁共振與B超、鉬靶X線相比，乳腺磁共振具有敏感度高、特異性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有較高的軟組織分辨率[4]。研究發(fā)現(xiàn)采用MR測(cè)量殘余腫瘤的最大徑、最大截面積和體積與病理測(cè)量結(jié)果呈正相關(guān)，并認(rèn)為乳腺M(fèi)R三維重建技術(shù)可準(zhǔn)確評(píng)估殘余腫瘤的體積[5]。

目前已有相關(guān)研究表明，保乳手術(shù)治療早期乳腺癌患者具有效果確切、手術(shù)時(shí)間短、切口小、術(shù)后恢復(fù)快等特點(diǎn)，同時(shí)可保持乳房外觀，復(fù)發(fā)率和轉(zhuǎn)移率較低，可有效改善患者生活質(zhì)量[6]。且有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道保乳術(shù)與改良根治術(shù)治療早期乳腺癌在生存期方面無差異[7-8]。

隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)的三維重建技術(shù)及三維打印技術(shù)迅速發(fā)展，其可為術(shù)者提供更直觀、精確的病變位置，空間解剖結(jié)構(gòu)及形態(tài)、容積等信息，為制定手術(shù)方案、術(shù)后個(gè)體化重建及評(píng)估化療效果等提供幫助[9]。近十年來，三維重建技術(shù)及三維打印技術(shù)因其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、個(gè)性化產(chǎn)品的快速制作，在醫(yī)學(xué)上已廣泛應(yīng)用于整形外科、頜面外科、骨科等的臨床診療[10-11]。2016年韓國(guó)已率先將3D打印應(yīng)用于乳腺腫瘤精確切除[12]，2016年江蘇省人民醫(yī)院在臨床工作中也已經(jīng)應(yīng)用3D打印技術(shù)指導(dǎo)乳腺腫瘤精細(xì)手術(shù)[13]，2015年湖南省腫瘤醫(yī)院腫瘤整形外科也在這方面取得成就[14]。3D打印技術(shù)應(yīng)用于乳腺腫瘤的手術(shù)治療，對(duì)提升復(fù)雜乳腺手術(shù)的安全性、加快手術(shù)速度、提高手術(shù)精確性有較大幫助。因此，在乳腺外科精準(zhǔn)手術(shù)治療方面具有極大的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有3D打印乳腺腫瘤定位方法及其缺陷

乳腺主要由脂肪和結(jié)締組織組成，重力作用易使其變形，常規(guī)乳腺線圈設(shè)計(jì)為俯臥位檢查方式而乳腺手術(shù)為仰臥位，導(dǎo)致腫瘤定位不精確。對(duì)于這個(gè)矛盾，解決辦法為：應(yīng)用MR圖像結(jié)合3D打印技術(shù)精確定位腫瘤手術(shù)邊緣。

韓國(guó)已率先將3D打印技術(shù)應(yīng)用于乳腺腫瘤精確切除，其應(yīng)用流程為：標(biāo)準(zhǔn)俯臥位MR→仰臥位MR掃描單個(gè)序列→利用Mimics和3-Matics軟件進(jìn)行圖像分割、圖像重構(gòu)、導(dǎo)航儀設(shè)計(jì)→3D打印導(dǎo)航儀→應(yīng)用導(dǎo)航儀腫瘤邊緣注射亞甲基藍(lán)→手術(shù)精確切除腫瘤，見圖1。

圖1 流程圖

該方法存在以下缺陷：① 沒有專門用于乳腺仰臥位攝影的線圈，仰臥位MR圖像不清晰，不利于圖像重建及腫瘤邊緣準(zhǔn)確切割；② 腹部線圈或者心臟線圈用于仰臥位拍攝，線圈重力作用會(huì)使乳腺變形，不準(zhǔn)確性增加；③ 先俯臥位掃描后仰臥位掃描，換線圈耽誤時(shí)間，造成造影劑流出，導(dǎo)致腫瘤邊界難確定；④ 俯臥位腫瘤在仰臥位圖像上擬合困難（圖2）。

圖2 仰臥位及俯臥位乳腺M(fèi)R圖像

1.2 創(chuàng)新乳腺M(fèi)RI結(jié)合3D打印技術(shù)方法

為了解決上述問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一套乳腺腫瘤磁共振檢查精確定位輔助裝置并改進(jìn)了工作流程。輔助定位裝置的目的是在拍攝俯臥位磁共振時(shí)固定乳腺，使乳腺俯臥位和手術(shù)室仰臥位乳腺形態(tài)一致，解決俯仰位乳腺M(fèi)R圖像擬合的問題，且無需導(dǎo)絲穿刺，減少患者額外疼痛，同時(shí)可精準(zhǔn)定位腫瘤。

改進(jìn)后的工作流程：患者穿戴定位輔助裝置→拍攝并獲取乳腺M(fèi)R俯臥位圖像→圖像導(dǎo)入Mimics和3-Matic軟件，進(jìn)行腫瘤分割及乳腺表面三維重建，應(yīng)用3-Matic軟件進(jìn)行個(gè)性化定位裝置guide的設(shè)計(jì)→3D打印出定位guide→術(shù)前注射定位亞甲基藍(lán)，標(biāo)記腫瘤邊緣→術(shù)中精準(zhǔn)腫瘤切除（圖3）。

圖3 創(chuàng)新乳腺M(fèi)RI結(jié)合3D打印技術(shù)乳腺定位工作流程

1.2.1 定位輔助裝置的設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)定位輔助裝置的定位罩杯中心孔供患者乳頭露出；依據(jù)乳腺大小調(diào)節(jié)罩杯內(nèi)圈圓形可調(diào)節(jié)帶，使罩杯貼附乳腺表面；調(diào)節(jié)兩側(cè)肩帶長(zhǎng)短、背帶魔術(shù)貼，使定位罩杯貼附身體以更好地固定乳腺。精準(zhǔn)定位裝置在圓孔邊設(shè)置兩個(gè)方向標(biāo)識(shí)，第一方向標(biāo)識(shí)指向?qū)?cè)乳頭，第二方向標(biāo)識(shí)指向劍突。

魚肝油體位定位標(biāo)記小孔解決俯臥位到仰臥位的體位變換問題的思路：患者穿戴的定位輔助裝置（圖4a）上有三角形分布的魚肝油小孔并貼上三粒標(biāo)記魚肝油→患者乳腺表面也在魚肝油相應(yīng)位置處標(biāo)記三角形分布的簽字標(biāo)簽→重建MR圖像魚肝油標(biāo)志→MR圖像經(jīng)Mimics和3-Matic軟件處理后，3D打印出guide（有束縛乳腺的作用），guide上也有對(duì)應(yīng)的三個(gè)魚肝油小孔→手術(shù)中，病人穿戴guide時(shí)其上面的魚肝油小孔與乳腺表面簽字標(biāo)志對(duì)應(yīng)，則說明3D打印guide與乳腺形態(tài)完全貼合，束縛乳腺仰臥位和俯臥位乳腺形狀一致（圖4b，4c）。該定位輔助裝置的作用是固定乳腺形狀，使俯臥位MR檢查時(shí)的乳腺形狀與仰臥位手術(shù)時(shí)基本一致，因此不再需要做仰臥位MR檢查，就可利用仰臥位乳腺M(fèi)R圖像進(jìn)行腫瘤分割及乳腺表面三維重建，解決了之前仰臥位乳腺M(fèi)R圖像與俯臥位MR圖像的擬合困難的問題。這是本方法的一大創(chuàng)新點(diǎn)。

圖4 精準(zhǔn)定位輔助裝置魚肝油位置

1.2.2 3D打印guide的設(shè)計(jì)

Mimics是一個(gè)連接MR圖像數(shù)據(jù)和三維工程學(xué)應(yīng)用的圖像處理工具，能夠從醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中選擇特定的感興趣區(qū)城進(jìn)行三維重建，可對(duì)重建模型進(jìn)行距離、面積、角度的測(cè)量。目前臨床上已有利用此軟件進(jìn)行骨骼、肝臟等人體臟器的重建的例子[15-16]。

在本方法中，獲取乳腺M(fèi)R圖像后導(dǎo)入Mimics和3-Matic軟件，應(yīng)用Mimics軟件進(jìn)行腫瘤分割及乳腺表面三維重建（圖5），應(yīng)用3-Matic軟件進(jìn)行個(gè)性化定位裝置guide的設(shè)計(jì)（圖6），并選擇合適的3D打印機(jī)打印出guide（圖7）。其包括使患者乳頭露出的中心孔、穿戴定位小孔、腫瘤定位小孔、方向標(biāo)識(shí)、圓形注射孔等，其余部分為網(wǎng)狀中空結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料和打印時(shí)間。guide在圓孔邊設(shè)置兩個(gè)方向標(biāo)識(shí)，第一方向標(biāo)識(shí)指向?qū)?cè)乳頭，第二方向標(biāo)識(shí)指向劍突。圓柱注射孔采用透明材料，內(nèi)直徑為5.5 mm，高度為5 cm；其外表面設(shè)置有刻度尺，刻度尺上標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)圓柱注射孔位置到腫瘤邊緣的距離；其內(nèi)表面設(shè)置有卡槽。定位裝置的圓柱注射孔及注射深度依據(jù)患者M(jìn)R乳腺腫瘤圖像邊緣應(yīng)用3-Matics軟件設(shè)計(jì)完成。

測(cè)量研究的13例患者腫瘤與邊緣的距離，所有患者均有明確的切緣，腫瘤邊緣至組織切緣的中位距離為1.65 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05 cm。3D打印guide為乳腺腫瘤的手術(shù)定位提供了極大的便利，相比之前使用的3D定位裝置，本方法提高了腫瘤的定位精度，節(jié)省了打印材料和打印時(shí)間（圖8）。

圖5 Mimics軟件處理前后仰臥位腫瘤邊界

圖6 3-Matic導(dǎo)航儀設(shè)計(jì)

圖7 guide實(shí)驗(yàn)草圖

圖8 乳腺3D定位裝置的發(fā)展

2 使用方法

手術(shù)時(shí)，患者麻醉后戴上個(gè)性化設(shè)計(jì)的guide，手術(shù)醫(yī)生在guide的指引下對(duì)腫瘤進(jìn)行精準(zhǔn)切除?；颊咝g(shù)中應(yīng)用3D打印定位guide時(shí)，只需將乳腺表面簽字筆三個(gè)標(biāo)記與guide上的三個(gè)穿戴定位小孔相對(duì)應(yīng)即表示3D打印guide與乳腺形態(tài)完全貼合一致。通過guide上的圓柱注射口向腫瘤邊緣5 mm處注射亞甲基藍(lán)以標(biāo)出腫瘤需要切除的邊緣。手術(shù)切除時(shí)切除被染色乳腺組織即表示腫瘤及其邊緣被切除干凈。亞甲基藍(lán)染色定位方法具有定位準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便及變態(tài)反應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn)[17]，不存在附加風(fēng)險(xiǎn)。目前臨床上已有利用亞甲基藍(lán)染色定位組織、腫瘤等的實(shí)驗(yàn)研究，且證明了其標(biāo)記作用和臨床應(yīng)用價(jià)值[18-20]。

3 結(jié)果

常規(guī)保乳手術(shù)切除法及3D打印精準(zhǔn)定位法各選取了13例保乳手術(shù)乳腺腫瘤切除病例，測(cè)量切除后的腫瘤邊緣至組織切緣的中位距離（圖9），3D打印精確定位法的距離為：（1.65±0.05）cm，常規(guī)保乳手術(shù)切除法的距離為：（1.86±0.11）cm（t=-7.1，P＜0.001），兩者比較有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，新方法切除的腫瘤邊緣至組織切緣的中位距離明顯小于老方法，說明使用本定位輔助裝置的改進(jìn)新方法在保證切干凈乳腺腫瘤的基礎(chǔ)上盡量保存了正常的乳腺組織，最大程度的保留了患者乳腺組織。

圖9 手術(shù)切除后不同形狀腫瘤的最大徑測(cè)量

4 討論

與前人的乳腺腫瘤定位方法相比，本改進(jìn)方法優(yōu)點(diǎn)：① 此方法創(chuàng)造性地提出了讓患者在做磁共振檢查前穿戴定位輔助裝置的方法，解決了患者從MR圖像俯臥位到手術(shù)時(shí)仰臥位的體位變化造成的乳腺變形及腫瘤移位的問題，不需要進(jìn)行俯臥位到仰臥位腫瘤擬合，解決了俯臥位與仰臥位MR圖像擬合的困難及仰臥位磁共振因沒有專用線圈而導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降的問題，減少檢查時(shí)間；② 關(guān)于3D打印guide，本方法增加了穿戴定位三角形小孔，與腫瘤定位小孔相結(jié)合，提高了手術(shù)時(shí)的定位精度；③ 滿足定位需求的中空形狀的guide，節(jié)省了3D打印材料和打印時(shí)間，提高了工作效率，減少經(jīng)濟(jì)花費(fèi)。缺點(diǎn)：① 做MR檢查時(shí)多了穿戴輔助定位裝置的步驟，但沒有額外痛苦；② 多掃描一個(gè)仰臥位MR序列，但是沒有輻射不會(huì)對(duì)患者產(chǎn)生額外影響；③ 手術(shù)時(shí)多一次定位guide消毒處理。

目前，國(guó)外乳腺三維重建技術(shù)及三維打印技術(shù)已用于對(duì)乳腺腫瘤切除的手術(shù)指導(dǎo)、個(gè)性化治療、乳腺重建（自體脂肪及組織皮瓣移植等）及放化療術(shù)后評(píng)價(jià)等的研究，國(guó)內(nèi)則主要用于指導(dǎo)乳腺腫瘤切除手術(shù)及評(píng)價(jià)化療藥效果[21-22]。不可否認(rèn)的是，3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)乳腺方面的應(yīng)用仍不能用大規(guī)模來形容。雖然我國(guó)女性罹患乳腺癌的年齡呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)，但大部分患者的觀念仍是“救命為主”，拒絕保乳手術(shù)及額外花費(fèi)[23]。另外，國(guó)內(nèi)醫(yī)療水平的限制、3D打印成本高等，都是目前需要解決的難題。3D打印技術(shù)與保乳手術(shù)的結(jié)合在將來會(huì)有越來越多的應(yīng)用和研究，希望本文提供的輔助定位裝置及改進(jìn)方法能為解決這些問題提供一些幫助。