3D打印技術(shù)在顱底腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用

劉青,杭偉

(天津市環(huán)湖醫(yī)院 耳鼻咽喉科,天津 300350)

顱底解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有許多重要的神經(jīng)血管穿行,且位置深在,實(shí)際操作的風(fēng)險(xiǎn)較大[1-3]。近年來(lái),內(nèi)鏡經(jīng)鼻入路已成為顱底占位性病變手術(shù)治療的優(yōu)先選擇,術(shù)前對(duì)顱底腫瘤及毗鄰的血管進(jìn)行準(zhǔn)確定位十分必要,因此進(jìn)行鼻內(nèi)鏡下微創(chuàng)手術(shù)不僅要求外科醫(yī)生對(duì)解剖結(jié)構(gòu)了解、掌握,更要有良好的手眼協(xié)調(diào)能力[4-5]。三維重建軟件實(shí)現(xiàn)了顱底解剖的三維可視化,但是有時(shí)根據(jù)影像學(xué)數(shù)據(jù)重建的三維圖像,與外科醫(yī)生的實(shí)際需求存在一定差距,空間感、距離感欠佳[6-8]。隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛發(fā)展與應(yīng)用,可根據(jù)外科醫(yī)師的實(shí)際需求鑄造顱底占位個(gè)性化的三維模型,如實(shí)反映病變與毗鄰結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系[9-13]。本研究應(yīng)用3D打印技術(shù)構(gòu)建顱底瘤性病變的個(gè)體化三維立體模型,探討其在顱底腫瘤外科手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2019年5月—2021年1月天津市環(huán)湖醫(yī)院診治的15例復(fù)雜顱底腫瘤患者的臨床資料,且患者均接受經(jīng)鼻內(nèi)鏡手術(shù)治療,臨床資料詳見(jiàn)表1。15例患者術(shù)前均經(jīng)影像學(xué)檢查考慮為顱底復(fù)雜占位性病變,且術(shù)后病理證實(shí)診斷。其中男8例,女7例,年齡28～66歲,平均年齡(47±11)歲。所有患者的病變均累及顱底,且均采用經(jīng)內(nèi)鏡或內(nèi)鏡聯(lián)合顯微鏡手術(shù)治療,術(shù)后病理證實(shí)診斷。本研究所涉患者及其家屬均已簽定知情同意書(shū)。

表1 15例鼻顱底腫瘤患者的基本臨床資料

納入標(biāo)準(zhǔn):①CT、MRI等影像學(xué)檢查證實(shí)其位于顱底區(qū)域的復(fù)雜瘤性病變,這些腫瘤位置深在,周?chē)罅垦苌窠?jīng)穿行,如顱內(nèi)外溝通瘤、包繞頸內(nèi)動(dòng)脈的腫瘤等[14-15]。②術(shù)前及術(shù)后均有患者完整的影像學(xué)數(shù)據(jù)及病理資料。排除標(biāo)準(zhǔn):術(shù)后復(fù)發(fā)的瘤性病變或術(shù)前曾接受過(guò)放/化療治療。

1.2 三維模型重建與3D打印

根據(jù)患者CT、MRI、計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影(computed tomography angiography CTA)的原始數(shù)據(jù),將其導(dǎo)入3D打印軟件(“MINICS”軟件),構(gòu)建出顱底占位的三維虛擬模型,再利用3D打印機(jī)打印成個(gè)體化的3D樹(shù)脂實(shí)體模型。

1.2.1 影像學(xué)檢查及數(shù)據(jù)資料 使用LightspeedVcT64排螺旋CT掃描儀(美國(guó),GE公司)對(duì)本組15例患者均行頭顱CT薄層掃描和CTA檢查[4,16]。CT掃描所采用的具體參數(shù)有:管電壓120 kV,管電流300 mA,視野(field of view,FOV)24 cm×14 cm,掃描層厚32 mm×0.6 mm。CTA檢查使用的對(duì)比劑是非離子型碘帕醇(100 mL,370 mg/mL),由下至上從主動(dòng)脈弓水平掃描到顱頂,流速是4.5 mL/s。掃描參數(shù)為:管壓120 kV,管電流150 mA,層厚1.25 mm,FOV 5 cm×18 cm,矩陣512×512。頭顱掃描采用Skyra3.0T超導(dǎo)型MRI掃描儀(德國(guó),Siemens公司),包括平掃和強(qiáng)化[15-17]。對(duì)患者進(jìn)行3D T1-MPRAGE結(jié)構(gòu)像的平掃,掃描序列包括DWI、T2WI、T1WI、FLAIR等常規(guī)掃描序列,強(qiáng)化掃描使用的對(duì)比劑是釓噴葡胺(DTPA),同CT掃描一致均經(jīng)右肘靜脈注入。等體素薄層掃描的具體參數(shù)包括:重復(fù)時(shí)間(repetition time,TR)1 900 ms,回波時(shí)間(echo time,TE)2.95 ms,矩陣230×230,FOV 230 mm×200 mm,反轉(zhuǎn)時(shí)間(inversion time,TI)900 ms,各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,FA) 9 degree[16-17]。

1.2.2 三維重建與虛擬模型構(gòu)建 將患者的CT、MRI平掃及強(qiáng)化、CTA掃描生成的3組原始數(shù)據(jù)以數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像通信標(biāo)準(zhǔn)(digital imaging and communication medicine,DICOM)格式保存,并導(dǎo)入“MINICS”軟件再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、優(yōu)化處理,并進(jìn)行三維影像重建。不同組織對(duì)應(yīng)的像素灰度值范圍的不同,分別設(shè)定不同的閾值,使用閾值分割算法將MRI中腫瘤的數(shù)據(jù),CTA中動(dòng)靜脈、顱骨、軟骨的數(shù)據(jù)提取出來(lái)[17]。

利用區(qū)域增長(zhǎng)對(duì)不同組織、不同層面的圖像以連續(xù)疊加的形式重建為三維虛擬模型[17-18]。

對(duì)生成的三維模型進(jìn)行優(yōu)化粉飾后,分別標(biāo)記成不同顏色,再將CTA重建的動(dòng)靜脈及顱骨與核磁構(gòu)建的個(gè)體化模型在3D軟件上匹配、融合,構(gòu)建出立體模型,隨之將其導(dǎo)出為立體光刻法(stereo lithogarphy,STL)文件。再將導(dǎo)出的STL文件導(dǎo)入至MINICS軟件,對(duì)模型進(jìn)行裁割后轉(zhuǎn)化為打印專(zhuān)用的疊片模型,并對(duì)裁切后的模型密集填充。重建后的三維模型能清楚地顯示動(dòng)靜脈、顱骨及瘤變結(jié)構(gòu)3者之間的空間位置關(guān)系。

1.2.3 3D打印及后處理 將模型裁切、填充后的STL格式文件導(dǎo)入3D打印軟件,生成.ddt格式的文件,再將其格式文件導(dǎo)入專(zhuān)用3D打印機(jī)中進(jìn)行打印。打印層厚為0.081 5 mm,利用熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)技術(shù)逐層打印,按1∶1比例打印出個(gè)體化的三維立體模型,后期進(jìn)行烘干、紫外線固化、拋光及著色雕刻處理,并對(duì)動(dòng)脈與腫瘤分別予紅色與褐色的著色粉飾。

1.3 術(shù)前評(píng)估及手術(shù)方案制定

在計(jì)算機(jī)軟件上用不同的顏色標(biāo)記模型的組織結(jié)構(gòu),選擇性顯示、縮放、旋轉(zhuǎn)目標(biāo)對(duì)象,便于明確顱底腫瘤的形態(tài)及與毗鄰動(dòng)靜脈的空間位置關(guān)系。在MINICS軟件上對(duì)進(jìn)行術(shù)前評(píng)估,打印出3D模型后,術(shù)者可觀察到模型的各個(gè)方位,根據(jù)占位累及范圍及病理類(lèi)型,制定個(gè)體化的手術(shù)決策,探討不同手術(shù)入路的可行性。

1.4 術(shù)后評(píng)估

顱底腫瘤切除程度主要依據(jù)腫瘤切緣檢查結(jié)果和術(shù)后影像學(xué)檢查(CT、MRI平掃及強(qiáng)化)。腫瘤的切緣組織未見(jiàn)瘤性細(xì)胞,病理結(jié)果陰性且術(shù)后影像學(xué)檢查顯示無(wú)腫瘤病變殘留為全切除;若腫瘤病變與顱骨、動(dòng)靜脈、神經(jīng)等周?chē)M織粘連而伴少許腫瘤殘留為次全切除;若腫瘤病變殘留部分≤10%為大部分切除;腫瘤病變殘留組織>10%為部分切除[19]。

2 結(jié)果

2.1 3D打印出顱底腫瘤模型

本研究中的15例患者均順利重建出顱底占位的三維虛擬模型并鑄造了個(gè)體化的實(shí)物模型,清晰顯示了瘤性病變與顱骨、鼻腔鼻竇、眼眶、海綿竇、上下矢狀竇及毗鄰動(dòng)靜脈血管的三維空間關(guān)系。

2.2 手術(shù)結(jié)果及病變切除情況

本研究中15例患者均按照術(shù)前規(guī)劃施行內(nèi)鏡或內(nèi)鏡聯(lián)合顯微鏡手術(shù),手術(shù)路徑與術(shù)前擬定方案一致。其中14例予全切除,1例行大部分切除(術(shù)后予放療)。具體詳見(jiàn)表1。3例患者術(shù)后出現(xiàn)腦脊液鼻漏,予臥床低鈉飲食、降顱壓等保守治療1個(gè)月無(wú)效后行二次腦脊液鼻漏修補(bǔ)術(shù),未出現(xiàn)再次腦脊液鼻漏。隨訪1～3年,14例患者術(shù)后恢復(fù)良好,均未出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥及死亡,1例大部分切除的患者(梭形細(xì)胞惡性腫瘤)術(shù)后復(fù)發(fā),予再次手術(shù)+足量調(diào)強(qiáng)放療的結(jié)合治療后,頭痛及涕中帶血等癥狀緩解,術(shù)后復(fù)查MRI病變明顯縮小。

3 典型病例

患者,老年,女性,主因“右側(cè)牙痛3個(gè)月,鼻堵流涕1個(gè)月”入院。專(zhuān)科檢查:右下鼻道可見(jiàn)暗紅色新生物,延續(xù)至鼻咽腔,鼻咽右側(cè)可見(jiàn)新生物,右側(cè)咽隱窩及咽鼓管圓枕受壓,顯示欠清。右側(cè)外耳道深處黏膜充血,鼓室積液征,鼓膜標(biāo)志不清,見(jiàn)圖1。鼻竇冠掃CT:右側(cè)頜面部腫物,侵及周?chē)Y(jié)構(gòu),相應(yīng)骨質(zhì)破壞,右側(cè)鼻咽腫物。頭MRI平掃及強(qiáng)化示右側(cè)咽旁間隙-顳下窩-上頜竇、篩竇及蝶竇占位性病變累及右側(cè)海綿竇、眼眶外側(cè)壁、眶尖、中顱窩底及斜坡;雙側(cè)篩竇及蝶竇異常信號(hào),懷疑腫瘤性病變(圖2A～D)。并完善頭頸部CTA及三維重建(圖2E、F)。2019年5月19日局部麻醉下鼻腔腫物活檢術(shù),病理回報(bào):(右側(cè)鼻腔、鼻咽側(cè)壁)梭形細(xì)胞惡性腫瘤,結(jié)合免疫表型不除外惡性外周性神經(jīng)鞘瘤。根據(jù)影像學(xué)數(shù)據(jù),腫物與頸內(nèi)動(dòng)脈海綿竇段、頸外動(dòng)脈的分支上頜、咽升動(dòng)脈毗鄰,未見(jiàn)明顯包繞,三維重建出鼻顱底的病灶層次圖(圖3A～D)及虛擬模型(圖3E～H)并打印出個(gè)體化實(shí)體模型(圖3I)。在模型上模擬腫瘤切除范圍及與周?chē)匾艿年P(guān)系,避免術(shù)中損傷。2019年6月14日全麻下行鼻內(nèi)鏡聯(lián)合顯微鏡顱底、鼻咽、咽旁腫物切除術(shù)(圖4),患者術(shù)后恢復(fù)良好。術(shù)后第2天復(fù)查頭部MRI示右側(cè)顳窩及鼻咽部腫瘤術(shù)后改變(圖5)。隨訪至今,未見(jiàn)腫瘤復(fù)發(fā)。

圖1 鼻內(nèi)鏡(A)和耳內(nèi)鏡(B)檢查 圖2 術(shù)前頭部MRI強(qiáng)化可見(jiàn)右側(cè)咽旁間隙-顳下窩-上頜竇、篩竇及蝶竇占位性病變累及右側(cè)海綿竇、眼眶外側(cè)壁、眶尖、中顱窩底及斜坡 2A:水平位; 2B:冠狀位; 2C:矢狀位; 2D:三維重建矢狀位; 2E:三維重建水平位; 2F:頭頸部CTA可見(jiàn)右椎動(dòng)脈V4段充盈纖細(xì),鼻咽腔混雜密度腫塊影 圖3 三維重建及3D打印圖 3A～C:根據(jù)影像學(xué)數(shù)據(jù)重建三維病灶層次圖; 3D～F:三維重建的鼻顱底模型; 3G～I(xiàn):3D打印機(jī)打印出的個(gè)體化實(shí)體模型 圖4 全麻下行鼻內(nèi)鏡聯(lián)合顯微鏡手術(shù) 4A:內(nèi)鏡下柯路氏+淚前隱窩聯(lián)合入路行梭形細(xì)胞惡性腫瘤切除術(shù); 4B:顯微鏡下惡性腫瘤切除術(shù) 圖5 術(shù)后第2天復(fù)查頭部MRI未見(jiàn)腫物殘留

4 討論

顱底重要神經(jīng)、血管結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維解剖和毗鄰關(guān)系,使該區(qū)域成為眾多研究、解剖和教學(xué)的重點(diǎn)[11,19]。3D打印技術(shù)于骨科及口腔頜面外科應(yīng)用廣泛,而在耳鼻咽喉顱底外科應(yīng)用較少[19-21]。而本文主要集中在術(shù)前討論、移植重建及臨床教學(xué)3個(gè)方面進(jìn)行研究。

4.1 3D打印實(shí)體模型用于術(shù)前規(guī)劃與病例學(xué)術(shù)討論

本研究建立的模型采用翻頁(yè)式設(shè)計(jì),模型切成冠狀,相鄰切片通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸連接,并可在3D模型上對(duì)重要血管神經(jīng)進(jìn)行定位或距離測(cè)量,選擇并優(yōu)化手術(shù)入路,預(yù)估手術(shù)難點(diǎn)及術(shù)后并發(fā)癥,并盡可能避免其發(fā)生[22-24]。如典型病例是1例累及右側(cè)咽旁間隙-顳下窩-鼻竇的梭形細(xì)胞癌,依靠常規(guī)二維影像學(xué)檢查無(wú)法獲取精確、立體的鼻竇-側(cè)顱底的結(jié)構(gòu)毗鄰關(guān)系,根據(jù)3D打印模型可以評(píng)估腫瘤侵占范圍及與頸內(nèi)動(dòng)脈、海綿竇、眶尖、椎動(dòng)脈的毗鄰關(guān)系。由于腫物累及范圍廣,因此本例選擇鼻內(nèi)鏡聯(lián)合顯微鏡入路鼻顱底、鼻咽、咽旁腫物切除術(shù),手術(shù)過(guò)程與術(shù)前規(guī)劃基本一致。綜上所述,3D打印的實(shí)體模型有助于術(shù)前評(píng)估,盡可能減少術(shù)后并發(fā)癥,這對(duì)于高度復(fù)雜或罕見(jiàn)的顱底腫瘤患者的手術(shù)計(jì)劃有重要意義[25]。

許多顱底腫瘤周?chē)@頸內(nèi)動(dòng)脈等大血管,案例比較復(fù)雜,可以借助于3D打印模型促進(jìn)顱底腫瘤領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流與發(fā)展。另一方面,在手術(shù)前我們可以借助3D打印模型與助手、麻醉醫(yī)師、器械護(hù)士交代病情,告知術(shù)中注意事項(xiàng)及手術(shù)操作難點(diǎn),使得在術(shù)中溝通更方便,并可減少或避免手術(shù)失誤。本研究中15例患者均在術(shù)前進(jìn)行詳實(shí)的手術(shù)規(guī)劃及術(shù)前案例討論,并按照術(shù)前規(guī)劃完成顱底腫瘤切除。我們?cè)谛g(shù)后利用3D打印技術(shù)將手術(shù)過(guò)程復(fù)刻成三維仿真動(dòng)畫(huà),在醫(yī)師間進(jìn)行討論和學(xué)習(xí)。

4.2 3D打印實(shí)體模型用于移植與重建

腦脊液鼻漏可以由手術(shù)操作不當(dāng)和顱底缺陷過(guò)大所引起[8,23-26]。為了防止發(fā)生,我們?cè)谕暾┞栋暗椎耐瑫r(shí),劃定鞍底暴露區(qū)域。該方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是減少了對(duì)周?chē)M織的損傷,避免了因顱骨缺損過(guò)大而導(dǎo)致腦脊液鼻漏;其次,它為我們提供了支持?jǐn)?shù)據(jù)。一旦發(fā)生腦脊液鼻漏,我們可以根據(jù)暴露區(qū)域的大小選擇合適的修復(fù)材料[8,26-28]。

近年來(lái)研究表明利用生物材料打印出術(shù)區(qū)三維立體模型,制備出的個(gè)體化3D生物結(jié)構(gòu),可作為外來(lái)生物移植物,代替骨、軟骨等患者自身的組織結(jié)構(gòu),移植到鼻顱底缺損部位,進(jìn)行缺損修補(bǔ)及重建[29-30]。盡管本研究中15例患者的骨壁缺損均移植的是患者自身軟骨組織,但關(guān)于3D打印實(shí)體模型用于移植及重建的研究已于耳鼻咽喉顱底外科手術(shù)中逐步發(fā)展起來(lái)[29-30],這對(duì)于指導(dǎo)臨床徹底切除腫瘤組織、修復(fù)缺損具有重要意義。

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步,許多中間步驟可能會(huì)被淘汰,我們將有能力直接打印醫(yī)用假體和組織結(jié)構(gòu)[30],甚至可以3D打印出干細(xì)胞生成組織,這些組織將用于填補(bǔ)病患缺損的組織器官[31-32]。

4.3 3D打印實(shí)體模型用于臨床教學(xué)與操作訓(xùn)練

3D打印的個(gè)體化顱底模型更加精確、直觀,可有效解決既往教學(xué)模型耗材多、花費(fèi)大、重復(fù)利用性差的問(wèn)題,也可降低直接對(duì)患者進(jìn)行操作的風(fēng)險(xiǎn),使得3D打印模型可成為一種實(shí)際、有效的外科培訓(xùn)方法[23,33-34]。本研究3D打印出的顱底模型可精準(zhǔn)顯現(xiàn)出篩泡氣房、顱底動(dòng)脈血管等精細(xì)結(jié)構(gòu),便于術(shù)者了解顱底的空間關(guān)系,包括翼腭窩的邊界、視神經(jīng)管與頸內(nèi)動(dòng)脈的位置關(guān)系以及它們?cè)诘]壁的對(duì)應(yīng)位置等。目前我們所使用的顱底仿真培訓(xùn)模型采用與人體骨、軟骨結(jié)構(gòu)相似的材料,并且附有復(fù)合纖維材料制成的軟組織黏膜,保證了模型觸感的真實(shí)性,顯著提升了臨床醫(yī)師的培訓(xùn)效果,縮短了培訓(xùn)周期[33-34]。3D打印模型可成為尸頭、標(biāo)本等解剖訓(xùn)練工具的有效替代品。

總之,3D打印技術(shù)在耳鼻咽喉顱底外科未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)側(cè)重于顱底腫瘤術(shù)后病變受損部位的移植、重建,本文研究對(duì)象數(shù)量較少,今后應(yīng)增加病例數(shù),擴(kuò)展及補(bǔ)充本研究的不足。