譚 衍 邊 遠(yuǎn) 陸弘盈 湯樹洪 余松祚

3D打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療中的應(yīng)用

譚 衍①邊 遠(yuǎn)①陸弘盈①湯樹洪①余松祚①

目的：探討三維(3D)打印技術(shù)應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療的臨床價(jià)值。方法：選取醫(yī)院經(jīng)顱腦CT血管造影(CTA)確診的21例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者，其中大腦中動(dòng)脈瘤7例，大腦前交叉通動(dòng)脈瘤8例，基底動(dòng)脈瘤6例；采用3D打印技術(shù)構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D模型，并與介入栓塞術(shù)前顱腦CTA結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果：3D打印技術(shù)與顱腦CTA相比，其長、寬和厚度測量值無明顯變化，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.03，t=0.07，t=0.08；P＞0.05)；3D打印技術(shù)測量動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示，血流速度由大到小依次為動(dòng)脈流入道、動(dòng)脈流出道、動(dòng)脈瘤體部和動(dòng)脈瘤頂端，而且動(dòng)脈流入道的瘤內(nèi)動(dòng)壓、血管壁面切應(yīng)力均明顯增高，具有顯著差異。所有患者動(dòng)脈瘤均得到完全夾閉，圍術(shù)期未出現(xiàn)偏癱、失語及癲癇等嚴(yán)重并發(fā)癥及死亡病例。結(jié)論：3D打印技術(shù)應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療中，不僅能夠直觀掌握動(dòng)脈瘤患者腦血管解剖特點(diǎn)，降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，而且3D模型便于患者及家屬直觀了解病情，形成良好的醫(yī)患溝通，且便于教學(xué)及學(xué)術(shù)交流的直觀詳解。

3D打印技術(shù)；顱內(nèi)動(dòng)脈瘤；介入栓塞；CT血管造影

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤作為蛛網(wǎng)膜下腔出血最常見的致病因素，是由于局部血管異常變化導(dǎo)致病理性囊性膨出，好發(fā)于Willis環(huán)動(dòng)脈分叉處，具有較高的致殘率及病死率[1-2]。目前，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療廣泛應(yīng)用于臨床，動(dòng)脈瘤夾閉過程中通過三維(three dimensional，3D)重建技術(shù)能夠獲取動(dòng)脈瘤二維圖片，更好地指導(dǎo)手術(shù)操作[3-4]。3D CT血管造影(CT angiography，CTA)作為顱內(nèi)動(dòng)脈瘤影像學(xué)的新型診斷方法，具有無創(chuàng)、快速和準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)排查顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的首選檢查方法[5]。外周靜脈造影劑輔助下，利用顱腦連續(xù)薄層螺旋CT掃描、電子計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)建顱骨解剖結(jié)構(gòu)及顱內(nèi)血管的3D復(fù)合體模型，在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的診斷方面具有極大的參考價(jià)值[6]。本研究選取行顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療的患者，采用3D打印技術(shù)成功構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D模型，對臨床治療進(jìn)行指導(dǎo)，取得了較好的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2013年1月至2016年9月在貴港市人民醫(yī)院經(jīng)顱腦CTA確診的21例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者，其中男性11例，女性10例；年齡41～67歲，平均年齡(54.3±4.5)歲；大腦中動(dòng)脈瘤7例，大腦前交叉通動(dòng)脈瘤8例，基底動(dòng)脈瘤6例；對其臨床資料進(jìn)行回顧性分析。所有治療方法均得到醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)同意，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①所有患者經(jīng)顱腦CT血管造影確診為顱內(nèi)動(dòng)脈瘤；②Hunt-Hess分級均為I～I(xiàn)II級；③均給予介入栓塞治療。

(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有嚴(yán)重肝腎功能障礙者；②患有血液系統(tǒng)疾病者。

1.3 儀器與材料

ProJet 3500 HD Max型3D打印機(jī)(美國3D Systems公司)；Somatom Definition Flash CT儀(德國西門子公司)；WDK007型鈦合金材料(深圳市飛利亞科技有限公司)。

1.4 檢查方法

檢查前患者做好術(shù)前準(zhǔn)備，利用頭托、膠帶將患者頭部固定，采用Siemens Somatom Definition Flash CT進(jìn)行峰值法容積掃描。掃描參數(shù)：層厚0.625 mm，間距0.625 mm，電壓120 kV，電流200 mAs，視野220 mm，矩陣512×512。依次進(jìn)行顱底至顱頂?shù)膾呙铏z測，數(shù)據(jù)采集成功后測定其峰值。選用Missouri CT專用高壓注射器，20 G套管針經(jīng)外周左肘正中靜脈，注入15 ml碘海醇非離子造影劑及10 ml生理鹽水，注射速度為4.5 ml/s，選取C3～C4作為監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)時(shí)間-密度曲線，獲取達(dá)峰時(shí)間，以2 s經(jīng)驗(yàn)值作為正式增強(qiáng)掃描時(shí)間，在相同注射速度情況下，于右肘正中靜脈注入65 ml對比劑及20 ml生理鹽水，通過飛利浦128排CT平掃影像數(shù)據(jù)及增強(qiáng)掃描影像數(shù)據(jù)，隨后將原始數(shù)據(jù)上傳至電子計(jì)算機(jī)工作站，經(jīng)精化處理并結(jié)合3D打印機(jī)輸出顱內(nèi)動(dòng)脈血管3D復(fù)合體模型。

1.5 3D打印模型

將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，利用閾值法選取顱內(nèi)動(dòng)脈瘤CTA的血管閾值，同時(shí)采用3D計(jì)算工具構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D模型，采用Mimics Cut with Polyplane工具，對顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D模型進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)出立體光刻(stereo lithography，STL)格式，將動(dòng)脈細(xì)小分支去除后對圖像進(jìn)行3D計(jì)算，獲取動(dòng)脈瘤面網(wǎng)優(yōu)化模型，從而生成流體網(wǎng)格及流體耦合計(jì)算，利用3D打印機(jī)輸出顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血管3D復(fù)合固體模型及流體模型，使用WDK007型鈦合金材料。

1.6 血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)與觀察指標(biāo)

利用Fluent軟件，導(dǎo)入3D網(wǎng)格文件，通過自定義方式，將近心端邊界設(shè)定為壓力入口，動(dòng)脈瘤2個(gè)出口分別設(shè)定為壓力出口，使用多功能生理監(jiān)測儀測量血壓波型曲線，選擇動(dòng)脈瘤壁感興趣區(qū)域作為觀察點(diǎn)，F(xiàn)luent軟件計(jì)算動(dòng)脈流入道、動(dòng)脈流出道、動(dòng)脈瘤體部、動(dòng)脈瘤頂部的血流速度、動(dòng)脈瘤內(nèi)動(dòng)壓及動(dòng)脈瘤血管壁面切應(yīng)力。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示，兩兩比較采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 3D打印技術(shù)與CTA測量值對比分析

3D打印技術(shù)與顱腦CTA相比，其長、寬和厚度測量值無明顯變化，兩種方法比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.03，t=0.07，t=0.08；P＞0.05)，見表1。

表1 3D打印技術(shù)與CTA測量值對比分析(±s)

表1 3D打印技術(shù)與CTA測量值對比分析(±s)

2.2 3D顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D形態(tài)測量

3D打印技術(shù)測量動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)，血流速度由大到小依次為動(dòng)脈流入道、動(dòng)脈流出道、動(dòng)脈瘤體部和動(dòng)脈瘤頂端，而且動(dòng)脈流入道的瘤內(nèi)動(dòng)壓、血管壁面切應(yīng)力均明顯增高，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表2。

2.3 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療效果

(1)在21例患者中，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤均得到完全夾閉，圍術(shù)期均未出現(xiàn)偏癱、失語、癲癇等嚴(yán)重并發(fā)癥及死亡病例。

(2)所有患者術(shù)前完成動(dòng)脈瘤3D打印，并在3D輔助下完成術(shù)前模擬及介入栓塞方案的制定，術(shù)中瘤體、瘤頸的長短徑與3D動(dòng)脈瘤數(shù)據(jù)吻合(如圖1所示)。

圖1 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤3D打印模型圖

3 討論

隨著3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其臨床價(jià)值也逐漸得到重視，并在模型制作、生物組織打印等方面得到飛速發(fā)展[7]。Beyersdorf[8]報(bào)道，3D打印技術(shù)成功構(gòu)建了首個(gè)先心患者的心臟模型，醫(yī)師術(shù)前通過3D能夠深入分析復(fù)雜心臟的解剖結(jié)構(gòu)。美國密歇根大學(xué)成功打印3D支氣管支架，并成功移植3D打印支氣管支架[9]。近年來，對于椎間盤、寰樞椎關(guān)節(jié)、主動(dòng)脈瘤的3D打印報(bào)道也見諸報(bào)端[10-11]。劉宇清等[12]報(bào)道，心臟外科、骨外科及肝膽外科等科室已經(jīng)成功制作3D立體模型，通過3D模型術(shù)前了解組織器官的解剖特點(diǎn)及變異情況，幫助醫(yī)師術(shù)前模擬復(fù)雜手術(shù)操作，協(xié)助制定合適的手術(shù)方案，從而提高手術(shù)操作的精確度。

利用3D打印技術(shù)成功構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤3D模型，可以術(shù)前準(zhǔn)確預(yù)估動(dòng)脈瘤解剖結(jié)構(gòu)及毗鄰關(guān)系，根據(jù)這些解剖結(jié)構(gòu)模擬瘤頸的分離、動(dòng)脈瘤夾的選擇等操作，并將3D模型應(yīng)用至術(shù)中，為臨床介入夾閉動(dòng)脈瘤提供可靠的理論依據(jù)[13]。術(shù)前構(gòu)建3D動(dòng)脈瘤模型，能夠直觀了解顱內(nèi)動(dòng)脈瘤全貌，術(shù)中將3D模型消毒后，置于手術(shù)臺(tái)可以隨時(shí)進(jìn)行多方位、多角度旋轉(zhuǎn)，便于術(shù)者了解動(dòng)脈瘤患者腦血管解剖特點(diǎn)，對于腦實(shí)質(zhì)、重要血管、顱骨解剖關(guān)系的評估及動(dòng)脈瘤的瘤體朝向方面，都發(fā)揮了重要作用，利用3D模型可以模擬瘤頸分離操作，從而有效減少術(shù)中不必要的解剖暴露，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率[14-15]。而傳統(tǒng)手術(shù)治療通過翼點(diǎn)入路方式，對于顱內(nèi)復(fù)雜動(dòng)脈瘤，由于視角的單一性，往往存在動(dòng)脈瘤不能充分顯露，可能引發(fā)動(dòng)脈瘤夾閉不全、殘余等嚴(yán)重并發(fā)癥；利用3D模型可以多方位、旋轉(zhuǎn)式了解動(dòng)脈瘤背側(cè)、復(fù)雜動(dòng)脈瘤與穿支動(dòng)脈的解剖關(guān)系。

本研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)與顱腦CT血管造影相比，測量值無明顯變化；3D打印技術(shù)測量動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)，結(jié)果顯示血流速度由大到小依次為動(dòng)脈流入道、動(dòng)脈流出道、動(dòng)脈瘤體部、動(dòng)脈瘤頂端，而且動(dòng)脈流入道的瘤內(nèi)動(dòng)壓、血管壁面切應(yīng)力均明顯增高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有患者動(dòng)脈瘤均得到完全夾閉，圍術(shù)期沒有出現(xiàn)偏癱、失語及癲癇等嚴(yán)重并發(fā)癥及死亡病例。結(jié)果表明，3D打印技術(shù)應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療中，不但可進(jìn)行醫(yī)師間的術(shù)前討論，也能夠直觀掌握動(dòng)脈瘤患者腦血管解剖特點(diǎn)，降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，而且3D模型便于患者及家屬直觀了解病情，形成良好的醫(yī)患溝通，通過3D模型，便于患者及家屬更為直觀地了解病情特點(diǎn)，正確認(rèn)識介入栓塞治療的風(fēng)險(xiǎn)性，從而形成良好的醫(yī)患交流。此外，將3D打印技術(shù)模型應(yīng)用于臨床教學(xué)中，學(xué)生可以直觀形象地了解顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的致病因素、診斷方法和治療方法等信息，便于教學(xué)及學(xué)術(shù)交流的直觀詳解[16-17]。

表2 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D形態(tài)測量結(jié)果(±s)

表2 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D形態(tài)測量結(jié)果(±s)

雖然3D顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是3D打印技術(shù)基于CTA數(shù)據(jù)，而CT對于神經(jīng)組織的敏感性較差，因此3D模型不能清晰地顯示顱神經(jīng)、血管及顱骨等器官組織的解剖關(guān)系；顱內(nèi)動(dòng)脈始終處于搏動(dòng)狀態(tài)，很大程度上影響著造影的圖像清晰度，甚至形成偽影，這些都會(huì)影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂出血形成顱內(nèi)血腫、顱內(nèi)高壓患者，由于血腫對血管、神經(jīng)的壓迫作用，可能造成3D動(dòng)脈瘤模型與術(shù)中情況不一致。目前，3D打印技術(shù)尚未完全成熟，且材料昂貴、檢查時(shí)間較長，不適用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂出血急需手術(shù)治療患者。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入栓塞治療，通過顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體3D模型的成功構(gòu)建，不僅為顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的診斷及介入治療提供指導(dǎo)，降低術(shù)后并發(fā)癥及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還便于醫(yī)患問題溝通、直觀教學(xué)和學(xué)術(shù)討論，值得廣泛應(yīng)用。

[1]Anderson JR，Thompson WL，Alkattan AK，et al.Theree-dimensional printing of anatomically accurate，patient specific intracranial aneurysm models[J].J Neurointerv Surg，2016，8(5)：517-520.

[2]劉彥超，張斷，段傳志，等.顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型的研究進(jìn)展[J].中國神經(jīng)精神疾病雜志，2013，39(3)：182-185.

[3]Hameeteman K，Rozie S，Metz CT，et al.Automatic carotid artery distensibility measurement from CTA using nonrigid registration[J].Med Image Anal，2013，17(5)：515-524.

[4]Ryan JR，Almefty KK，Nakaji P，et al.Cerebral aneurysm clipping surgery simulation using patient-specific 3D printing and silicone casting[J].World Neurosurg，2016，88：175-181.

[5]Pradilla G，Wicks RT，Hadelsberg U，et al.Accuracy of computed tomography angiography in the diagnosis of intracranial aneurysms[J].World Neurosurg，2013，80(6)：845-852.

[6]Lan Q，Chen A，Zhang T，et al.Development of three-dimensional printed craniocerebral meodels for simulated neurosurgery[J].World Neurosurg，2016，91：434-442.

[7]楊楓，劉剛，呂華新，等.基于CTA的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤復(fù)合體三維模型的建立及應(yīng)用[J].上海醫(yī)藥，2014，35(19)：53-56.

[8]Beyersdorf F.Three-dimensional bioprinting：new borizon for cardiac surgery[J].Eur J Cardiothoracic Surg，2014，46(3)：339-341.

[9]Zopf DA，Hollister SJ，Nelson ME，et al.Bioresorbable airway splint created with a threedimensional printer[J].N Engl J Med，2013，368(21)：2043-2045.

[10]Whatley ER，Kuo J，Shuai C，et al.Fabrication of a biominetic elastic intervertebral disk scaffold using additive manufacturing[J].Bio fabrication，2011，3(1)：11-15.

[11]Hockaday LA，Kang KH，Colangelo NW，et al.Rapid 3D printing of anatomically accurate and mechanically heterogeneous aortic valve hydrogel scaffolds[J].Biofabrieation，2012，4(3)：32-35.

[12]劉宇清，呂翱，黃繩躍，等.基于顱腦CTA三維打印技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用[J].中國微侵襲神經(jīng)外科雜志，2016，21(6)：245-247.

[13]Anderson JR，Klucznik R，Diaz O，et al.Quantification of velocity reduction after flow diverter placement in intracranial aneurysm： an ex vivo study with 3D printed replicas[J].Conf Proc IEEE Eng Med Soc，2015，2015：7300-7303.

[14]袁宇，翟賀鑫，史彥芳，等.構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維模型指導(dǎo)動(dòng)脈瘤夾閉的診治體會(huì)[J].中國神經(jīng)精神疾病雜志，2015，41(9)：573-574.

[15]趙忠江.3D-CTA引導(dǎo)下顯微手術(shù)治療顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的療效觀察[J].中國醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2012，9(21)：150-151.

[16]孫濤，韓善清.基于三維(3D)打印技術(shù)的顱底腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)治療報(bào)告及分析[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2017，14(3)：86-89.

[17]楊顯村，劉強(qiáng)，葛彥彥，等.三維重建技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤診治中的影響因素[J].實(shí)用放射學(xué)雜志，2013，29(9)：1529-1532.

The application of 3D printing technique in treatment of interventional embolization of intracranial aneurysm

/TAN Yan, BIAN Yuan, LU Hong-ying, et al

Objective:To explore the clinical value of 3D printing technique was applied in treatment of interventional embolization of intracranial aneurysm.Methods:21 patients with intracranial aneurysm (7 cases were arterial aneurysm of middle cerebrum, 8 cases were arterial aneurysm of anterior crossing of the brain, and 6 cases were basilar artery aneurysm) who were confirmed by using computed tomography angiography (CTA) were enrolled in the research. The 3D printing technique was applied to construct the 3D complexus model of intracranial aneurysm, and it was compared and analyzed with the CTA results of pre-operative brain of interventional embolization.Results:The differences of length, wide and thickness between 3D printing technique and CTA of brain were no significant (t=0.03,t=0.07, t=0.08, P＞0.05), respectively. The results of haemodynamics of arterial aneurysm that was measured by using 3D printing technique indicated that the sequence of velocity of blood flowing from big to small was influx tract of artery, outflow tract of artery, body of artery aneurysm and the top of artery aneurysm. And both of intratumoral dynamic pressure of influx tract of artery and the wall shear stress of vessel were significantly increased. Besides, all of artery aneurysm were entirely clipped, and some serious complication included of hemiplegia, aphasia, epilepsy and death did not appeared at perioperative period.Conclusion:The application of 3D printing technique in the treatment of interventional embolization of intracranial aneurysm not only can help doctors to intuitively grasp the anatomical features of blood vessel of brain in patients with arterial aneurysm and reduce the occurrence rate of complication and operative risk, but also can help patients and their family member to intuitively understand the disease state so as to establish better communication between doctors and patients. Besides, it also is convenient in the intuitive and particular explanation of the teaching and academic communication.

3D printing technique; Intracranial aneurysm; Interventional embolization; CT angiography

Department of Neurosurgery, Guigang City People's Hospital, Guigang 537100, China.

①貴港市人民醫(yī)院神經(jīng)外科 廣西 貴港 537100

//China Medical Equipment,2017,14(12):64-67.

譚衍,男,(1980- ),本科學(xué)歷，副主任醫(yī)師。貴港市人民醫(yī)院神經(jīng)外科，從事神經(jīng)外科診療工作。

1672-8270(2017)12-0064-04

R739.91

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.018

2017-01-23