多模態(tài)圖像融合聯(lián)合3D打印在中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤手術中的應用效果

廖正儉，陳忠儀，劉宇清，何炳蔚，黃繩躍，洪文瑤，潘儒君

(1.福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科，福建醫(yī)科大學省立臨床學院，福建 福州 350001；2.福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350116)

中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤的解剖結構比較復雜，位置深，尤其常累及矢狀竇、中央溝靜脈等重要引流靜脈及中央前后回的重要腦組織解構，術中極易損傷這些解剖結構而導致術后腦腫脹、肢體偏癱、再出血、難治性癲癇等嚴重并發(fā)癥，嚴重的甚至危及到生命。目前臨床上主要依靠計算機斷層掃描成像(computed tomography，CT)與磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等二維圖像，根據(jù)臨床經(jīng)驗和相關解剖知識判別病變的位置及毗鄰組織結構關系，容易出現(xiàn)認識偏差，導致術中損傷重要結構，手術難度較大[1]。本研究分享24例符合上述條件的患者并且應用CT與MRI等多模態(tài)影像數(shù)據(jù)，利用圖像融合技術生成三維虛擬模型并3D打印出實體化模型，觀察腫瘤及其與周圍組織結構的關系，將應用效果及心得體會報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取2019年8月至2021年2月福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科收治的24例大腦中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤患者作為研究對象，其中男16例，女8例，年齡34～76(48.52±9.98)歲，術前影像分析考慮腦膜瘤11例，膠質瘤9例，轉移瘤3例，淋巴瘤1例。術前常規(guī)完善顱腦CT(CTV、CTA)與MRI(MRA、MRV)檢查，根據(jù)需要進一步行正電子發(fā)射斷層顯像等檢查。

1.2 方法收集術前CT、MRI等影像學資料，計算機讀取患者的CT與MRI的DICOM原始數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)：層厚2 mm，利用Mimics 15.0(Materialise公司，比利時)軟件建模，根據(jù)顱骨、腫瘤、血管、腦組織等結構的不同灰度特點進行閾值劃分，重建獲得各個組織結構的三維虛擬模型；最后以CT、MRI數(shù)據(jù)中分別重建得到的頭皮模型為基準進行配準融合，區(qū)域閾值法對不同組織的閾值進行選擇，完成原始顱腦三維虛擬模型構建，以STL格式輸出進行后處理，將圖像數(shù)據(jù)信息轉化為三維虛擬模型，即可清晰、直觀地顯示腫瘤形態(tài)及周圍組織關系。應用3D打印技術(Objet350 Connex3彩色3D打印機，Stratasys公司，美國)，將虛擬模型打印出與實際大小等比例、多色彩、多材質的高逼真度實體訓練模型。

1.3 觀察指標收集患者術前及術后的影像學資料進行對比分析，計算腫瘤的切除程度(extent of resection，EOR)：根據(jù)術前顱腦磁共振及術后2周復查了解腫瘤切除情況進行對比，可分為全切除(1級)、近全切除(2級)、次全切除(3級)和部分切除(4級)[2]。4周后隨訪并依據(jù)卡氏(Karnofsky，KPS)功能狀態(tài)評分標準[3]進行評分：生活自理級為KPS評分>80分；生活半自理級為KPS評分50～80分；依賴級為KPS評分<50分。分數(shù)越高證明身體健康狀態(tài)越佳，預后越好。

2 結果

2.1 應用效果根據(jù)患者術前顱腦CT(CTV、CTA)與MRI(MRA、MRV)等檢查數(shù)據(jù)資料構建出三維可視化復合虛擬模型，利用Mimics 15.0軟件進一步提取數(shù)據(jù)信息，將建模結果導入3D打印機制作出實體模型，清晰顯示出腫瘤與周圍重要組織結構，特別是中央前后回、引流靜脈及矢狀竇的解剖關系。術前通過該模型進行談話溝通、制定完善的手術方案及指導術中操作，達到安全切除腫瘤，其中全切除13例，近全切除6例，次全切除3例和部分切除2例，患者均順利出院及隨訪，無死亡病例?；仡?4例患者的多模態(tài)融合影像重建后三維可視化復合虛擬模型與術前原始影像及術中所見基本相符，提供全面直觀的立體解剖信息。所有患者密切隨訪2～20個月，隨訪患者術后言語、體動、認知等情況，恢復良好。術后4周KPS評分均>80分，生活自理；其中3例腫瘤殘留于術后3個月行γ-刀治療，1例淋巴瘤術后于血液科進一步規(guī)范治療，膠質瘤患者術后于腫瘤科繼續(xù)輔助放化療。

2.2 典型病例匯報男性患者，45歲，反復頭痛伴左側肢體無力3個月，完善手術前各項檢查，增強磁共振發(fā)現(xiàn)右額頂竇鐮旁腦膜瘤伴瘤周水腫，系富血供腫瘤。術前融合CT與MRI的多模態(tài)圖像構建三維虛擬模型，將建模結果導入打印機進行實體模型制作，于術前精確還原了患者右側額頂部竇鐮旁腦膜瘤及周圍重要組織的解剖關系，依據(jù)實體模型做術前談話溝通、手術預案、模擬手術體位，針對性地分析術中可能碰到的問題及可采取的措施，術中設計手術入路、指導手術操作，實現(xiàn)精準化、個體化手術治療，過程順利。術后2周復查MRI影像提示腫瘤全切，病理結果為良性腦膜瘤(WHO I級)，因一過性腦水腫出現(xiàn)短期肢體肌力減退，適度甘露醇脫水、白蛋白和激素減輕水腫等治療后恢復正常，長期隨訪結果良好，KPS評分100分。見圖1～4。

圖1 CTV掃描圖像

注：A為術前；B為術后。

圖3 原始3D虛擬模型

注：A為術前標記；B為術中所見腫瘤；C為腫瘤全切。

3 討論

大腦中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤是顱內(nèi)腫瘤的常見發(fā)病部位之一，其與上下矢狀竇、上引流靜脈、胼周動脈及中央?yún)^(qū)腦組織等關系極其密切，其解剖結構復雜，加上病變后結構發(fā)生變化。此區(qū)域的腫瘤位置較深，往往與周圍組織粘連緊密，暴露困難，手術操作空間小，又要注意保護周圍重要組織，尤其保護那些比較粗大的引流靜脈[4]，極大增加了手術難度與風險，即使經(jīng)驗豐富的臨床醫(yī)生也很難輕松完成，一旦定位出現(xiàn)偏差，或者暴露不夠完全等情況，術中極易損傷這些靜脈而導致術后腦腫脹、肢體偏癱、再出血、難治性癲癇等嚴重并發(fā)癥，甚至危及到生命。因此，術前了解腫瘤及其與周邊的解剖關系對于手術的順利實施起著關鍵性意義。

現(xiàn)代醫(yī)學快速發(fā)展，多學科技術相互融合，計算機技術的飛速發(fā)展促進了醫(yī)學影像技術的重大進步，為精準微創(chuàng)外科手術創(chuàng)造了有力保障，神經(jīng)外科手術也不斷追求微創(chuàng)、精準的治療理念，單一MRI或CT圖像無法滿足目前流行的微創(chuàng)神經(jīng)外科要求，而融合術前顱腦CT(CTV、CTA)與MRI(MRA、MRV)的多模態(tài)圖像技術克服了這一模式的局限性，給術者提供全面直觀的位置信息，清晰地顯示腫瘤與功能區(qū)及矢狀竇等靜脈系統(tǒng)的解剖關系，并且通過多模態(tài)影像融合來實現(xiàn)可視化三維解剖結構還可以幫助臨床醫(yī)生增加對腫瘤病理性質和復雜顱腦結構的理解，減少不必要的損傷，在實際手術過程中提供更大的輔助作用。目前已有較多文獻研究發(fā)現(xiàn)利用CT、MRI等多模態(tài)圖像資料相互融合應用于顱腦腫瘤的精準化手術方面具有很大臨床價值[5-7]。

3D打印技術始于1986年，作為一種新型快速成型技術受到國內(nèi)外媒體廣泛關注并快速發(fā)展，已經(jīng)應用于多個領域，多種媒體雜志對其密集報道[8-10]。其最早應用于工程、工業(yè)領域，近年來在醫(yī)療領域應用更引人注目，如醫(yī)療器材制造、醫(yī)學模型制作、人工器官以及生物組織工程等應用，以及在醫(yī)學“科-教-研”方面起到重要的推進作用[11-15]。3D打印將個體化的多模(CT、MR等)圖像轉化為三維可視化復合虛擬模型，通過“分層打印并逐層堆積”的原理打印出立體物理模型呈現(xiàn)真實的解剖結構，制作出與實際1∶1比例的解剖實體模型，這一技術使得復雜的顱內(nèi)情況直觀化、可視化、個體化，非常適合應用于神經(jīng)外科教學及臨床實踐，其應用臨床具有廣闊前景[16-18]。本次研究中選擇24例中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤手術切除中，應用多模態(tài)影像融合技術聯(lián)合3D打印技術，形象直觀地描述腫瘤與周圍重要組織的相互關系，進行充分術前評估及有效溝通，設計具有針對性的手術方案及指導術中操作，從而有效減少并發(fā)癥及手術創(chuàng)傷，改善預后。

神經(jīng)外科學是一個專業(yè)性極強的臨床學科，本研究應用多模態(tài)影像融合聯(lián)合3D打印在神經(jīng)外科的應用，有效指導手術入路的選擇及腦腫瘤的精準切除，發(fā)現(xiàn)其具有以下優(yōu)勢。(1)對復雜的中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤手術切除病例中，通過術前CT和MR等多模態(tài)影像資料評估矢狀竇的侵犯程度和側支靜脈走行情況，明確腫瘤形態(tài)及與周圍組織關系，改變了傳統(tǒng)單模態(tài)的影像信息，滿足精準神經(jīng)外科的手術理念。(2)3D打印實體顱內(nèi)腫瘤模型，改變了既往簡單閱片方式，術者觀察到的直接是立體的實體解剖模型，為臨床醫(yī)生學習顱腦解剖及診療提供新思路，緩解傳統(tǒng)尸頭模型資源緊張、可重復性差、價格昂貴的困惱。例如本研究中的1例中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤手術切除應用中，清楚地了解腦腫瘤及其與周圍解構的解剖關系，和手術所見相吻合，手術過程就能夠有效避開引流靜脈，應用效果良好。(3)術前應用實體模型的觀察及講解，患者及家屬對自身疾病有直觀了解，解決醫(yī)患雙方專業(yè)知識不對稱和信任危機等客觀問題，例如通過實體模型通俗易懂地講述手術過程、手術的必要性、風險及可能存在的并發(fā)癥，得到高效認可。本研究也發(fā)現(xiàn)其臨床應用中還是存在不盡人意之處，比如怎樣進一步提高重建與打印模型精準度，特別是微小血管重建方面，如何應用到急診危重患者等特殊情況，并積累更多的臨床病例。

綜上所述，多模態(tài)影像融合聯(lián)合3D打印可為中央?yún)^(qū)竇鐮旁腫瘤手術提供全面直觀的立體解剖信息，并且隨著該技術的不斷完善，其應用范圍也會隨之進一步拓展，以提高手術安全性及取得更好預后。