莊江惠，何炳蔚，劉宇清，易宗超，呂翱，洪文瑤，潘儒君

1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116；2.福建醫(yī)科大學(xué)省立臨床醫(yī)學(xué)院 神經(jīng)外科，福建 福州 350001

引言

側(cè)腦室穿刺是神經(jīng)外科臨床中常用的診療技術(shù)，是醫(yī)生必須熟練掌握的基本技能，常用于顱內(nèi)占位性病變、導(dǎo)水管梗阻等嚴(yán)重顱內(nèi)壓增高時(shí)的緊急放液減壓、顱內(nèi)感染與腦室內(nèi)出血的穿刺引流、腦室-腹腔分流術(shù)、顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)等[1]。目前，醫(yī)生在實(shí)施腦室穿刺過(guò)程中，主要依靠臨床經(jīng)驗(yàn)，憑目測(cè)及想象進(jìn)行操作。對(duì)于年輕醫(yī)生，由于臨床經(jīng)驗(yàn)不足以及心理因素等原因，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)穿刺失誤。如果平時(shí)能夠模擬穿刺訓(xùn)練，將大大提高手術(shù)技巧及熟練度，增加年輕醫(yī)生的信心。本研究提出在CT和MRI醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)有效結(jié)合正向設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)，制作出高度逼真的顱腦實(shí)體模型，并在此模型上進(jìn)行側(cè)腦室模擬穿刺，為臨床醫(yī)生快速熟練掌握側(cè)腦室穿刺術(shù)技巧，提高手術(shù)成功率提供一種安全有效的訓(xùn)練方法。

1 資料與方法

1.1 CT、MRI數(shù)據(jù)采集

以福建省立醫(yī)院收治的一例47歲男性患者為研究對(duì)象，獲取其增強(qiáng)CT、MRI數(shù)據(jù)。顱骨、血管的影像數(shù)據(jù)采集于CT，儀器為Siemens公司SOMATOM Definition雙源螺旋CT，掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流200～300 mAs，F(xiàn)OV 32 cm，重建視野32 cm，準(zhǔn)直32.0 mm×2.0 mm×0.6 mm，重建層厚0.6 mm，螺距1.4，矩陣515×512，見(jiàn)圖1。側(cè)腦室、腦組織的影像數(shù)據(jù)采用薄層MRI掃描采集，掃描參數(shù)為：快速梯度回波序列，TR1900 ms，TE2.52 ms，層厚1.0 mm，F(xiàn)OV 250 mm，矩陣256×256，翻轉(zhuǎn)角9°，見(jiàn)圖2。經(jīng)薄層掃描得到的二維掃描斷層圖像數(shù)據(jù)，保存為DICOM格式輸出。

圖1 CT掃描圖像

圖2 MRI掃描圖像

1.2 顱腦模型的三維重建

顱腦多模圖像（CT、MRI、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)成像等）各具特點(diǎn)，如MRI在顯示腫瘤、腦室系統(tǒng)、腦組織等方面有優(yōu)勢(shì)，而CT則能較好地反映顱骨、血管等結(jié)構(gòu)。本研究采用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 15.0（比利時(shí)，Materialise公司），基于閾值的圖像分割原理進(jìn)行顱腦三維重建。所謂圖像分割，就是將感興趣的目標(biāo)區(qū)域從圖像中分離出來(lái)的過(guò)程。根據(jù)顱腦CT和MRI斷層圖像的特點(diǎn)，選擇不同分割算法進(jìn)行各組織結(jié)構(gòu)分割。分別根據(jù)CT中的腦部血管、顱骨、頭部表皮，MRI圖像中的腫瘤、腦組織、頭部表皮的灰度值差異，采用閾值分割算法進(jìn)行圖像分割，顱骨界定閾值125～3071 HU，血管78～279 HU，側(cè)腦室-37～26 HU，腦組織137～1434 HU，CT中頭皮 -718～-177 HU，MRI中頭皮79～711 HU。然后分別選取它們的種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)，并輔以模板擦除法和模板填補(bǔ)法進(jìn)行優(yōu)化處理，得到分割后的各組織結(jié)構(gòu)蒙板。通過(guò)對(duì)蒙板進(jìn)行三維實(shí)體計(jì)算，從CT中重建出血管、顱骨和頭部表皮，以及從MRI圖像中重建出腫瘤腦組織和頭部表皮。最后以CT、MRI數(shù)據(jù)中分別重建得到的頭皮模型為基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)融合，實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)數(shù)據(jù)坐標(biāo)的統(tǒng)一，完成顱腦三維模型的構(gòu)建，以STL格式輸出進(jìn)行后處理，見(jiàn)圖3。

圖3 重建后的顱腦三維虛擬模型

1.3 正向設(shè)計(jì)

利用正向設(shè)計(jì)軟件3-Matic在已重建的顱腦三維模型上進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。① 因?yàn)楝F(xiàn)有的3D打印技術(shù)無(wú)法制作出類似腦組織的超軟材料，故對(duì)腦組織進(jìn)行截?cái)嗵幚?，通過(guò)布爾求差運(yùn)算設(shè)計(jì)其模具，便于腦組織倒模成型（圖4a）；② 為了模擬真實(shí)的顱內(nèi)壓力環(huán)境，設(shè)計(jì)了中空薄壁的側(cè)腦室嵌件及兩側(cè)的進(jìn)出水管道，管道內(nèi)設(shè)有螺紋用于配合連接件與軟管相連接，可通過(guò)注射器向側(cè)腦室空腔注入不同劑量的液體，以此模擬腦脊液（圖4b）；③ 以眉心所在平面為界，將顱骨設(shè)計(jì)為上、下兩部分，兩者間用圓柱銷連接，實(shí)現(xiàn)模型的簡(jiǎn)易拆卸，方便模擬穿刺結(jié)束后，可將其拆卸下來(lái)觀察評(píng)估穿刺路徑是否合理；④ 術(shù)區(qū)模塊包括皮膚層、松質(zhì)骨層和密質(zhì)骨層，在上部分顱骨處設(shè)計(jì)為上、中、下3層，為長(zhǎng)16 cm、寬7 cm的長(zhǎng)方形區(qū)域，頭皮采用橡膠類材料、骨層采用不同硬度的3D打印材料制作用于模仿顱骨內(nèi)外板，確保鉆孔時(shí)真實(shí)的層次感（圖4c）。

圖4 正向設(shè)計(jì)結(jié)果

1.4 3D打印成型

采用美國(guó)Stratasys公司的Objet350 Connex3彩色打印機(jī)，該打印機(jī)精度為0.016 mm，可同時(shí)打印3種基本材料（軟性材料，硬性藍(lán)、黃、白、品紅等模型材料）和支撐材料，通過(guò)不同的基本材料配比和組合，實(shí)現(xiàn)不同顏色、硬度和透明度的3D打印成型。其聚合物噴射（PolyJet）3D打印原理，見(jiàn)圖5。通過(guò)壓電式噴頭將液態(tài)光敏樹(shù)脂以超薄層狀態(tài)噴射在工作臺(tái)上，形成一定幾何輪廓，然后紫外線燈發(fā)射紫外光對(duì)樹(shù)脂層進(jìn)行光照固化；完成固化后，工作臺(tái)精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型厚度，然后進(jìn)行第二層液態(tài)光敏樹(shù)脂固化成型；如此循環(huán)，使模型整體厚度和形狀達(dá)到設(shè)計(jì)要求。打印結(jié)束后，通過(guò)水洗操作處理去除支撐材料，完成各部分組織的打印制作。

圖5 PolyJet工藝成型原理圖

1.5 水凝膠腦組織的澆注成型

因?yàn)槟壳暗?D打印技術(shù)無(wú)法制作類腦組織，故采用澆注成型的方式來(lái)制作。材料為水凝膠，其質(zhì)地柔軟，可近似為腦組織材料。將水凝膠粉和蒸餾水按1:10的比例混合，溶液攪拌均勻，并進(jìn)行加熱保證水凝膠粉完全融化。將側(cè)腦室嵌件固定放置于模具中，并倒入水凝膠溶液，冷卻至室溫，一旦固化，將腦組織從模具中取出，完成腦組織成型。

2 結(jié)果

通過(guò)上述技術(shù)制作出1:1的顱腦實(shí)體模型，具有如下特點(diǎn)：① 中空薄壁側(cè)腦室嵌件為透明軟橡膠材料，見(jiàn)圖6a；② 腦組織澆注模具為光敏樹(shù)脂材料，見(jiàn)圖6b；③ 腦組織采用水凝膠澆注成型，質(zhì)地柔軟且富有彈性，可完整呈現(xiàn)腦溝回及側(cè)腦室腔體，見(jiàn)圖6c；④ 其余部分采用與人體顱腦組織硬度相近的3D打印材料一體成型，并以不同顏色區(qū)分不同結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖7。整個(gè)實(shí)體模型立體感強(qiáng)，可直觀、清晰地顯示顱腦結(jié)構(gòu)。此外，從側(cè)腦室進(jìn)水口注入不同劑量的液體模擬腦脊液，以此模擬不同顱內(nèi)壓環(huán)境，見(jiàn)圖8。

圖6 腦組織水凝膠澆注結(jié)果

圖7 顱腦下半部分結(jié)構(gòu)

圖8 顱腦三維實(shí)體模型

利用該實(shí)體模型進(jìn)行側(cè)腦室穿刺模擬，驗(yàn)證其可行性。選擇傳統(tǒng)的額角穿刺方法[2]，將顱腦模型置于仰臥位，取眉心上方10 cm，中線旁開(kāi)2.5 cm作為穿刺點(diǎn)，穿刺方向平行于矢狀面，向外耳道連線方向穿刺，進(jìn)針深度約4～6 cm。從頭皮表面進(jìn)行規(guī)劃取點(diǎn)，到皮膚剪切、撐開(kāi)，利用手搖鉆顱骨鉆孔，再到側(cè)腦室穿刺，見(jiàn)圖9。整個(gè)模擬手術(shù)過(guò)程中，各操作步驟與臨床手術(shù)基本一致，術(shù)者的觸覺(jué)感受也近乎真實(shí)，穿刺針進(jìn)入側(cè)腦室時(shí)，具有明顯的突破感、落空感，且在模擬穿刺結(jié)束后，將上部分顱骨進(jìn)行拆卸，對(duì)穿刺結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證手術(shù)的準(zhǔn)確性。

圖9 穿刺模擬過(guò)程

3 討論

側(cè)腦室穿刺手術(shù)早已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)外科臨床，對(duì)診斷、搶救和治療顱內(nèi)多種疾病具有重要價(jià)值[1]。其成功實(shí)施的關(guān)鍵是穿刺過(guò)程中準(zhǔn)確地一次性置管，使對(duì)腦組織的損傷降至最低。目前側(cè)腦室穿刺手術(shù)基本憑借醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和手感，導(dǎo)致穿刺結(jié)果常有偏差，有時(shí)需要反復(fù)多次調(diào)整穿刺方向才能成功，這勢(shì)必增加出血、感染等并發(fā)癥發(fā)生的幾率。因此，對(duì)于神經(jīng)外科醫(yī)生特別是年輕醫(yī)生，盡快熟練掌握穿刺技巧尤為重要。

目前，醫(yī)生臨床手術(shù)技能訓(xùn)練的基本途徑大致有4種：① 人或動(dòng)物的尸體；② 計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；③ 仿真人體解剖模型；④ 由上級(jí)醫(yī)生進(jìn)行口授與操作示范，年輕醫(yī)生在實(shí)際手術(shù)中慢慢積累經(jīng)驗(yàn)。這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，例如，人或動(dòng)物的尸體是最早應(yīng)用于外科術(shù)前培訓(xùn)的，但倫理道德問(wèn)題限制了它們的使用，而且動(dòng)物尸體與人類的相似性低，此外尸體的保持和維護(hù)費(fèi)用也是相當(dāng)昂貴。在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練，三維模型大多基于二維平面顯示，其真實(shí)感不足，操作舒適性差，模擬手術(shù)過(guò)程與臨床實(shí)際操作過(guò)程存在很大區(qū)別，訓(xùn)練的效果非常有限。此外，大多數(shù)人體仿真解剖模型存在材料單一，精度不高等缺陷。而口授與操作示范這種方式必然會(huì)增加病人的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[3-8]。

3D打印技術(shù)是近年來(lái)新興的一種制造技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后逐層建造三維實(shí)體模型[9]。該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中，其中包括個(gè)性化醫(yī)療植入物、個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)向模板、細(xì)胞或組織打印以及醫(yī)學(xué)模型的制作[10-12]。由于顱腦結(jié)構(gòu)復(fù)雜及個(gè)體差異，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于顱腦實(shí)體模型的制作，其逼真直觀的視覺(jué)效果對(duì)手術(shù)的設(shè)計(jì)有極大幫助，現(xiàn)已在國(guó)際國(guó)內(nèi)有所應(yīng)用[13-15]。但如何將3D打印制作的實(shí)體模型應(yīng)用于神經(jīng)外科側(cè)腦室的體外模擬手術(shù)仍有待于進(jìn)一步研究與實(shí)踐。本研究為該應(yīng)用的升級(jí)，即在模型上進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練。

本文基于顱腦CT及MRI影像數(shù)據(jù)，利用最新的3D打印技術(shù)制作出高度逼真的顱腦實(shí)體模型，可直觀顯示術(shù)者顱腦三維空間結(jié)構(gòu)，在此模型上實(shí)現(xiàn)皮膚表面定位、規(guī)劃穿刺點(diǎn)、皮膚剪切、顱骨鉆孔、穿刺引流，使年輕醫(yī)生的成長(zhǎng)模式由傳統(tǒng)的上級(jí)醫(yī)生口授、示范—電腦虛擬操作—實(shí)體模型操作初步成為現(xiàn)實(shí)。

目前3D打印技術(shù)無(wú)法制作類腦組織[16]，為解決該問(wèn)題，利用3D打印制作出側(cè)腦室嵌件以及腦組織模具，而腦組織采用水凝膠澆注方式制作，它能表現(xiàn)出更逼真的組織特性。通過(guò)向側(cè)腦室空腔注入不同劑量的液體（以此模擬腦脊液）產(chǎn)生不同的顱內(nèi)壓力。顱骨采用雙層設(shè)計(jì)制造出松質(zhì)骨、密質(zhì)骨。以上特點(diǎn)保證了訓(xùn)練過(guò)程更接近臨床實(shí)際操作，如：鉆孔時(shí)的層次感，穿刺針穿過(guò)腦組織的微阻力感以及進(jìn)入側(cè)腦室額角時(shí)的瞬間落空感。模擬穿刺結(jié)束后，通過(guò)拆卸顱腦模型可對(duì)穿刺路徑、位置及深度進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證手術(shù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本研究利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作的模型將顱腦結(jié)構(gòu)精確再現(xiàn)，可應(yīng)用于臨床培訓(xùn)、教學(xué)以及考核等方面。在臨床培訓(xùn)方面，年輕醫(yī)生可了解手術(shù)操作流程，在其上反復(fù)操作，強(qiáng)化手術(shù)技能；在教學(xué)方面，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)材料的不足，便于年輕醫(yī)生對(duì)大腦皮層及側(cè)腦室解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解；當(dāng)前技能考核往往局限于理論方面，缺少實(shí)際操作技能考核，該模型可望成為醫(yī)學(xué)技能考核的有效補(bǔ)充。同時(shí)，在此模型上進(jìn)行各種側(cè)腦室模擬穿刺，以驗(yàn)證傳統(tǒng)穿刺方法的可靠性和有效性，并尋找更為簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的穿刺方法，為臨床試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

雖然本研究建立的顱腦實(shí)體模型感觀、形態(tài)方面已高度仿真，在模擬穿刺手術(shù)時(shí)已接近臨床實(shí)際操作過(guò)程，但受限于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及3D打印技術(shù)，目前仍存在難以完全模擬顱腦結(jié)構(gòu)（包括血管、硬腦膜、蛛網(wǎng)膜系統(tǒng)等精細(xì)組織）及生理?xiàng)l件下的腦脊液循環(huán)等諸多不足之處，均有待于進(jìn)一步的研究與探索。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王忠誠(chéng).神經(jīng)外科學(xué)[M].2版.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2015.

[2] 劉宇清,呂翱,黃繩躍,等.計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)下模擬側(cè)腦室額角穿刺方法的探討[J].中華神經(jīng)外科雜志,2015,31(3):246-249.

[3] Weinstock P,Rehder R,Prabhu SP,et al.Creation of a novel simulator for minimally invasive neurosurgery: Fusion of 3D printing and special effects[J].J Neurosurg Pediatr,2017,20(1):1-9.

[4] 徐波,陳輝.腦穿刺手術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)微侵襲神經(jīng)外科雜志,2010,15(11):512-514.

[5] Maddox MM,Feibus A,Liu J,et al.3D-printed soft-tissue physical models of renal malignancies for individualized surgical simulation: a feasibility study[J].J Robot Surg,2017:1-7.

[6] 劉宇清,黃繩躍,何炳蔚,等.基于計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)的改良側(cè)腦室額角穿刺術(shù)研究[J].福建醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2017,51(1):68-70.

[7] 楊治榮,施巍,沈晨,等.3D真人側(cè)腦室模型的設(shè)計(jì)與構(gòu)建[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(11):1203-1206.

[8] 劉宇清,黃繩躍,何炳蔚,等.3D打印技術(shù)在大腦鐮旁腦膜瘤切除術(shù)中的初步應(yīng)用[J].中國(guó)全科醫(yī)學(xué),2016,19(24):2953-2956.

[9] Lei W,Jing L.Compatible hybrid 3D printing of metal and nonmetal inks for direct manufacture of end functional devices[J].Tech Sci,2014,57(11):2089-2095.

[10] Klein GT,Lu Y,Wang MY.3D printing and neurosurgery--ready for prime time?[J].World Neurosurg,2013,80(3-4):233-235.

[11] 林澤明,何炳蔚,陳江,等.基于配準(zhǔn)技術(shù)的微創(chuàng)牙種植導(dǎo)向模板的制作方法及應(yīng)用[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志,2012,30(4):402-406.

[12] Markstedt K,Mantas A,Tournier I,et al.3D bioprinting human chondrocytes with nanocellulose-alginate bioink for cartilage tissue engineering applications[J].Biomacromolecules,2015,16(5):1489-1496.

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

[14] 蘭青,陳愛(ài)林,張?zhí)?等.通過(guò)3D打印技術(shù)制備顱腦實(shí)體模型[J].中華醫(yī)學(xué)雜志,2016,96(30):2434-2437.

[15] Spottiswoode BS,Dj VDH,Chang Y,et al.Preoperative threedimensional model creation of magnetic resonance brain images as a tool to assist neurosurgical planning[J].Stereot Funct Neurosurg,2013,91(3):162-169.

[16] Ploch CC,Mansi CSSA,Jayamohan J,et al.Using 3D printing to create personalized brain models for neurosurgical training and preoperative planning[J].World Neurosurg,2016,90:668-674.