用于鼻顱底外科教學(xué)的3D打印鼻-鼻竇-顱底解剖模型制作*

喻國(guó)凍，何承誠(chéng)，張 田

(貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院耳鼻咽喉科，貴州 貴陽(yáng) 550004)

三維 (3D) 打印發(fā)明于20世紀(jì)80年代，可以準(zhǔn)確地復(fù)制微小三維立體空間的結(jié)構(gòu)，在描述具體形態(tài)上有巨大的優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]，如外科手術(shù)前后病變結(jié)構(gòu)形態(tài)模擬模型[2]、病理組織形態(tài)模型展示[3]，微小不易理解復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的局部放大模型[4]等。鼻-鼻竇-顱底外科學(xué)所涉及領(lǐng)域解剖結(jié)構(gòu)微小復(fù)雜，相關(guān)重要組織形態(tài)異形，相互間重合混雜互相遮擋，大多為骨性結(jié)構(gòu)包裹如血管、神經(jīng)等細(xì)小的軟質(zhì)組織，具體解剖操作上比較困難，常規(guī)的解剖圖譜、解剖錄像等對(duì)于醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)難以表述清楚，對(duì)初學(xué)手術(shù)的耳鼻喉科醫(yī)生來(lái)說(shuō)難以理解。人體解剖標(biāo)本因?yàn)椴灰妆４?，易損壞且數(shù)量有限，普通醫(yī)學(xué)生和基層的耳鼻喉科醫(yī)生不能便捷接觸到，不能滿足其日常學(xué)習(xí)和工作需求。隨著材料技術(shù)和電腦技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5-9]。所以，本項(xiàng)目使用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作了易于保存、可反復(fù)學(xué)習(xí)的鼻-鼻竇-顱底解剖模型，為臨床解剖的學(xué)習(xí)、教學(xué)、手術(shù)操作模擬提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1材料來(lái)源 根據(jù)臨床資料選取垂體瘤疾病患者1例，從放射科圖片歸檔和通信系統(tǒng)(PACS)中調(diào)取其影像資料。

1.2方法

1.2.1制作鼻-鼻竇-顱底數(shù)3D解剖模型

1.2.1.1導(dǎo)入數(shù)據(jù) 采用Mimics Research 17.0 軟件(比利時(shí) Materialise company)，將該例患者的CT影像醫(yī)學(xué)中的數(shù)字成像和通信(Dicom) 數(shù)據(jù)(西門子 definition AS 128 排CT,掃描層厚 0～5 mm，層間距0～25 mm)導(dǎo)入，進(jìn)行運(yùn)算并核對(duì)數(shù)據(jù)。

1.2.1.2鼻-鼻竇-顱底數(shù)字模型的設(shè)計(jì) 采用閾值分割法將-700～3 000 HU的數(shù)據(jù)分割并重構(gòu)出3D數(shù)字解剖模型。將3D模型裁剪至鼻-鼻竇-顱底解剖區(qū)域大小，即上界為中顱底窩上方0.5 cm，下界為蝶竇底下方0.5 cm，后界為斜坡。

1.2.1.3解剖區(qū)域?qū)用娴倪x擇 對(duì)于鼻-鼻竇-顱底模型，選擇分為前、后2個(gè)模型，以蝶竇作為冠狀面的標(biāo)準(zhǔn)平面中心。

1.2.2制作解剖模型 采用弘瑞公司H1型3D打印機(jī)導(dǎo)入gcode 數(shù)據(jù)文件后制作3D打印解剖子模型。將解剖數(shù)據(jù)模型用STL+功能在Mimics software中導(dǎo)出為Stl格式文件，然后用Cura 15.0software (荷蘭 Ulti maker BV 公司)打開各解剖數(shù)據(jù)模型的stl文件，并制作gcode切片數(shù)據(jù)文件供3D打印機(jī)使用，打印材料為175 mm 直徑的聚乳酸(PLA)環(huán)保材料，打印溫度210 ℃，主要操作參數(shù)為層厚2 mm，壁厚6 mm，打印速度60 mm/s,模型打印比例設(shè)置為100%。開啟結(jié)構(gòu)支撐，打印結(jié)束后根據(jù)實(shí)際解剖形態(tài)，修整和去除可能存在的底座和支撐結(jié)構(gòu)。

1.2.3CT影像解剖與復(fù)合 將已分割子模型的解剖層面的CT影像圖片數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)至與3D模型匹配的大小數(shù)據(jù)，用激光打印機(jī)(HP MFP M225)打印，裁剪去除主要空洞區(qū)域，將其粘貼到3D模型的斷面上，重建復(fù)合CT影像的解剖模型。

1.2.4校驗(yàn)打印模型的臨床還用度和實(shí)用價(jià)值 選取10位工作10年以上的耳鼻喉科醫(yī)生，從3D打印解剖模型上定位和辨認(rèn)各鼻-鼻竇-顱底解剖學(xué)標(biāo)志，以校驗(yàn)3D打印模型的還原度和實(shí)用價(jià)值。

2 結(jié) 果

依靠3D打印技術(shù)成功制作了鼻-鼻竇-顱底3D打印模型和3D數(shù)字模型，見圖1、2。以蝶竇作為冠狀面的中心剖面將鼻-鼻竇-顱底分成了前、后2個(gè)子模型，主要用于觀察鼻-鼻竇-顱底重要的解剖結(jié)構(gòu)即視神經(jīng)、頸內(nèi)動(dòng)脈和垂體，包括可以觀察蝶竇、垂體窩、前后床突、垂體、垂體柄、頸內(nèi)動(dòng)脈、視神經(jīng)等一系列結(jié)構(gòu)(圖2)，可以觀察蝶竇氣化程度和頸內(nèi)動(dòng)脈、視神經(jīng)的立體結(jié)構(gòu)和方向。

A.正面；B.上面；C.底面；D.右側(cè)面；E.左側(cè)面。圖1 垂體瘤3D打印模型

A.正面觀；B.右斜側(cè)面；C.左側(cè)面；D.右后斜面；E.后面。圖2 垂體瘤術(shù)前3D數(shù)字模型

10位耳鼻喉科醫(yī)生仔細(xì)觀察鼻-鼻竇-顱底的3D打印解剖模型，對(duì)鼻-鼻竇-顱底的解剖標(biāo)志進(jìn)行了蝶竇、垂體窩、前后床突、垂體、垂體柄、頸內(nèi)動(dòng)脈、視神經(jīng)等一系列結(jié)構(gòu)辨認(rèn)，以上這些鼻-鼻竇-顱底的解剖標(biāo)志均能準(zhǔn)確識(shí)別，其相對(duì)空間位置和形態(tài)與CT描述一致，但鼻-鼻竇-顱底的細(xì)小結(jié)構(gòu)還原度不夠，特別是細(xì)小血管及神經(jīng)未得到重建。

3 討 論

作為醫(yī)學(xué)教育中最基礎(chǔ)、最重要的組成部分人體解剖教學(xué)。課堂教授、小組學(xué)習(xí)、解剖圖譜、人體標(biāo)本解剖實(shí)習(xí)等作為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)解剖主要教學(xué)方式，平面圖譜因?yàn)榭臻g位置描述困難和繪畫技巧難以精確還原3D結(jié)構(gòu)和空間位置關(guān)系，人體標(biāo)本因醫(yī)學(xué)倫理原因量小、不易為普通醫(yī)學(xué)生接觸，存放中不完整，解剖結(jié)構(gòu)不易辨認(rèn)，虛擬3D軟件目前仍不成熟，使用感受差，對(duì)醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)幫助不大。3D打印解剖模型可以直接觀察3D結(jié)構(gòu)，而且還有易復(fù)制、易存放、生產(chǎn)成本低、易于推廣學(xué)習(xí)等[10]優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)解剖標(biāo)本的需求也不斷增加，且臨床各學(xué)科不同解剖重心和手術(shù)需求點(diǎn)不同，對(duì)解剖標(biāo)本的各種需求也不同。隨著3D打印解剖模型技術(shù)的進(jìn)步，其在醫(yī)學(xué)臨床模擬和教育中的應(yīng)用更加廣泛。目前已發(fā)展出較好的3D打印材質(zhì)可以打印出具有良好質(zhì)感、色彩、硬度的3D打印模型，但對(duì)于軟質(zhì)組織，其觸感仍較差，總的來(lái)說(shuō)，因?yàn)橛跋穹直媛屎痛蛴〔牧舷拗频年P(guān)系，3D 打印模型技術(shù)比較適用于骨性結(jié)構(gòu)展示[2,4,6,11-12]。

鼻-鼻竇-顱底外科臨床解剖教學(xué)著重于鼻腔內(nèi)的鼻甲、鼻道和鼻竇氣房及和顱底類型如顱底低位、后顱底彎曲、蝶篩氣房(Onoid 氣房)等。所以，本次研究選擇了鼻腔和顱底2個(gè)區(qū)域作為研究對(duì)象。雖然本次研究只選擇了1例樣本作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，但同樣的方法可以制作相同類型不同解剖特點(diǎn)的3D打印模型，如鞍前型蝶竇、鞍型蝶竇、硬化型蝶竇等。以往其他研究的3D打印模型均以正常人體整體標(biāo)本為基礎(chǔ)，而本次研究是具體的臨床病例，強(qiáng)調(diào)在具體病例中的實(shí)際應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)整體外觀的解剖標(biāo)志研究外，更著重研究的是不同研究截面的選擇和子模型的制作[6]，了解人體各器官內(nèi)部的解剖構(gòu)造是研究其結(jié)構(gòu)和功能的重要研究點(diǎn)。目前，MATTEO等[13]已根據(jù)臨床病例CT影像數(shù)據(jù)重建了鼻竇和顱底的 3D打印模型，其根據(jù)研究需求選擇相應(yīng)的截面制作可拆分的3D打印模型。電腦數(shù)字化設(shè)計(jì)和制作3D打印模型具有設(shè)計(jì)靈活、便捷、變化豐富的特點(diǎn)，可滿足醫(yī)學(xué)生從不同角度視角觀察學(xué)習(xí)的需求。截面的選擇對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的觀察和教學(xué)效果非常重要。例如在鼻-鼻竇-顱底模型觀察蝶竇氣化程度和頸內(nèi)動(dòng)脈走行對(duì)垂體形態(tài)的影響，應(yīng)選擇經(jīng)垂體中份的軸位(水平)截面。觀察視神經(jīng)和頸內(nèi)動(dòng)脈的走形，選擇經(jīng)頸內(nèi)動(dòng)脈海綿竇段的斜矢狀位可以更清晰觀察到以上解剖結(jié)構(gòu)。對(duì)于鼻竇、顱底模型，冠狀位是觀察顱底結(jié)構(gòu)和蝶氣房關(guān)系和引流方式的最佳截面 。

綜上所述，截面的CT影像與斷面解剖是醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)學(xué)理解和學(xué)習(xí)獲取臨床信息的重點(diǎn)。本次研究項(xiàng)目將CT影像與3D打印模型相結(jié)合后，通過(guò)研究3D打印模型取得的臨床解剖信息遠(yuǎn)超過(guò)了二維層面的CT影像。與CT影像、CT動(dòng)態(tài)影像閱片相比，3D打印模型向醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)生展示了具體的3D空間和各解剖組織的具體大小、形態(tài)、相互關(guān)系，將不易觀察到的重要解剖結(jié)構(gòu)立體想象結(jié)構(gòu)予以具體化和過(guò)程簡(jiǎn)單化，以上這些都有助于臨床影像學(xué)的教學(xué)，也利于更好地制定手術(shù)計(jì)劃，可作為典型病例更好地對(duì)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行醫(yī)學(xué)教育。