游慧超 李文琦 孫登江 歐陽和平

1江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院神經(jīng)外科，武漢 430032；2江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院超聲科，武漢 430032

隨著技術(shù)和材料的發(fā)展，3D 打印技術(shù)目前被越來越多地應(yīng)用于神經(jīng)外科，對(duì)顱腦手術(shù)定位定向［1-2］、手術(shù)規(guī)劃［3］和教學(xué)演示［4-6］等起到重要作用。該技術(shù)可使手術(shù)更加簡(jiǎn)單、便捷且精準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，然而受費(fèi)用和耗時(shí)等各方面的影響［7］，3D 打印技術(shù)并沒有推廣普及。醫(yī)生自主設(shè)計(jì)制作患者個(gè)性化3D 打印器材，可節(jié)省打印耗時(shí)、減少費(fèi)用、擺脫3D 打印公司的限制，自由設(shè)計(jì)個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板及三維影像模型，促進(jìn)3D 打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。本研究介紹江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院神經(jīng)外科自主設(shè)計(jì)制作3D 打印器材的經(jīng)驗(yàn)與效果，分析其應(yīng)用價(jià)值，以供同行借鑒。

資料與方法

1、一般資料

選擇2021 年2 月至11 月在江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院利用3D打印輔助顱腦手術(shù)的6例患者。其中高血壓腦出血2 例、顱內(nèi)腫瘤2 例、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤2 例；男4 例，女2 例；年齡34～73 歲，平均53.7 歲。具體病例信息見表1。本研究選用3D-Slicer軟件進(jìn)行影像重建及模板制作，采用Ultimaker Cura 軟件設(shè)計(jì)打印流程并切片，選用熱熔堆積固化成型打印機(jī)，打印材料為PLA（聚乳酸）材料，三維建模、切片設(shè)計(jì)及3D 打印均由同一名醫(yī)師制作。本研究取得江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院倫理委員會(huì)同意及患者知情同意。

2、三維建模方法

下載患者的CT（圖1A）或磁共振的DICOM 數(shù)據(jù)，導(dǎo)入3D-Slicer 軟件，在Segment Editor 模塊中利用Threshold 與Paint 等工具進(jìn)行目標(biāo)病變分割，建立血腫、腫瘤、顱骨及頭皮等結(jié)構(gòu)的三維模型。如需設(shè)計(jì)穿刺導(dǎo)板，則在Segment Editor 模塊內(nèi)利用Margin、Logical Operators、Subtract 等工具制作好頭皮貼合模塊；根據(jù)血腫形態(tài)與手術(shù)入路，利用Curve Maker 模塊與Segment Editor 模塊設(shè)計(jì)穿刺通道，然后利用Logical Operators 將上述貼合模塊與穿刺通道進(jìn)行融合，最后利用剪刀工具把模塊修剪成最終需要的形狀，建立個(gè)性化的指向病變的穿刺導(dǎo)板三維模型（圖1B）。

3、模型與導(dǎo)板的打印方法

將制作好的模型以stl 格式保存，并導(dǎo)入U(xiǎn)ltimaker Cura軟件，根據(jù)模型的形態(tài)與打印機(jī)的類型設(shè)計(jì)合適的打印角度，制作切片數(shù)據(jù)（圖1C），將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。將打印的支撐結(jié)構(gòu)（圖1D）進(jìn)行拆除，用剪刀與打磨工具將支撐結(jié)合處打磨平整。

4、手術(shù)方法

將打印的導(dǎo)板與患者相應(yīng)部位貼合，進(jìn)行初步的定位，用記號(hào)筆標(biāo)記病變的體表投影部位與穿刺點(diǎn)，設(shè)計(jì)手術(shù)切口，消毒鋪巾，將包裝消毒好的導(dǎo)板再次貼合于相應(yīng)部位，確認(rèn)匹配準(zhǔn)確后在導(dǎo)向孔的指引下（圖1E），根據(jù)軟件測(cè)量的深度進(jìn)行穿刺。在模型的實(shí)物下觀察病變形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系。將打印的動(dòng)脈瘤病例模型，觀察前床突與動(dòng)脈瘤的位置關(guān)系，判斷開顱動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)中是否需要磨除前床突及是否需要進(jìn)行顱外段頸內(nèi)動(dòng)脈阻斷；觀察動(dòng)脈瘤與載瘤動(dòng)脈的形態(tài)，輔助動(dòng)脈瘤栓塞術(shù)中微導(dǎo)管的塑形。

圖1 血腫穿刺導(dǎo)板的制作與應(yīng)用示意。A 為額葉出血的CT影像。B 為用3D-Slicer軟件制作導(dǎo)板示意圖；紅色為血腫建模，淡綠色為制作的穿測(cè)導(dǎo)板，貼合于面部，藍(lán)色為穿刺路徑示意，可測(cè)量穿刺深度為7 cm。C 為導(dǎo)板數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)ltimaker Cura 軟件進(jìn)行切片處理，圖為打印材料走線預(yù)覽，紅色為導(dǎo)板模型，青色為支撐材料；盡可能使支撐面避開貼合面與穿刺通道。D為導(dǎo)板的打印模型，導(dǎo)板下方有大量支撐結(jié)構(gòu)（黑箭），需要拆除。E 為打印好的穿刺導(dǎo)板用于引導(dǎo)穿刺手術(shù)示意；導(dǎo)板貼合面部，從導(dǎo)向孔（紅箭）置入7 cm深度即可。F為術(shù)后圖，可見引流管位于血腫中央

5、效果判定標(biāo)準(zhǔn)

血腫穿刺導(dǎo)板能一次穿刺血腫且復(fù)查CT 導(dǎo)管頭位于血腫腔內(nèi)為滿意，不能為差；定位導(dǎo)板能用于定位且根據(jù)其定位的手術(shù)切口能精準(zhǔn)顯露顱內(nèi)病變?yōu)闈M意，不能為差；模型能用于指導(dǎo)手術(shù)術(shù)前規(guī)劃為滿意，不能為差。

結(jié)果

6例患者均成功進(jìn)行三維建模，建模平均耗時(shí)15～52 min，平均31.2 min。4 例患者的導(dǎo)板與2 例患者的模型均3D 打印成功，打印耗時(shí)12～1 419 min，平均343.0 min（表1）。2 例導(dǎo)板均能與面部完全貼合，穿刺血腫均一次成功，復(fù)查CT 提示引流管頭端均位于血腫腔內(nèi)，效果滿意；2例腫瘤定位導(dǎo)板打印成功，根據(jù)定位孔能快速定位并完成切口設(shè)計(jì)，術(shù)中腫瘤位于切口內(nèi)，效果滿意。2 例模型均為動(dòng)脈瘤患者，其中1 例為頸內(nèi)動(dòng)脈床突上段大動(dòng)脈瘤，打印的血管及顱骨模型與三維影像一致，但是模型的血管與其下方的支撐結(jié)構(gòu)相融合，影響動(dòng)脈瘤與顱骨的分辨（圖2），效果差，但是制作三維模型的過程中獲取的三維立體影像及手術(shù)模擬，可以輔助我們判斷動(dòng)脈瘤與前床突的位置關(guān)系；另1 例為眼動(dòng)脈段動(dòng)脈瘤，打印的動(dòng)脈瘤及載瘤動(dòng)脈模型與三維影像一致，能指導(dǎo)微導(dǎo)管的塑形，微導(dǎo)管一次塑形后即可到位進(jìn)入動(dòng)脈瘤瘤體，效果滿意。自主3D 打印能滿足手術(shù)的需求，用于引導(dǎo)穿刺、術(shù)前手術(shù)模擬與手術(shù)規(guī)劃；對(duì)于復(fù)雜且關(guān)系緊密的結(jié)構(gòu)，自主3D 打印技術(shù)獲取的三維建模影像與打印模型，二者相輔相成，可共同引導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。

圖2 模型的制作與應(yīng)用示意。A為右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈床突上段動(dòng)脈瘤的CT血管造影影像；B為用3D-Slicer軟件制作的動(dòng)脈瘤與顱骨建模；C為模擬翼點(diǎn)入路可見前床突（綠箭）阻擋載瘤動(dòng)脈近端顯露；D為模擬切除前床突后的效果，載瘤動(dòng)脈近端的頸內(nèi)動(dòng)脈被顯露（藍(lán)箭）；E為打印的動(dòng)脈瘤模型與右側(cè)翼點(diǎn)開顱視野；F為模型的血管與其下方的支撐結(jié)構(gòu)相融合（黃箭），阻擋視野，影響動(dòng)脈瘤與前床突的細(xì)節(jié)分辨

表1 6例利用3D打印輔助顱腦手術(shù)患者的臨床資料

討論

3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)三維可視化［8］，制作個(gè)性化模型，能更加形象、直觀地展示神經(jīng)、血管、顱骨及顱內(nèi)病變的形態(tài)與相互關(guān)系。利用該技術(shù)，設(shè)計(jì)個(gè)性化的手術(shù)導(dǎo)板，能精準(zhǔn)地、個(gè)性化地用于顱內(nèi)病變的定位定向，使手術(shù)更加簡(jiǎn)單、便捷且精準(zhǔn)。該技術(shù)順應(yīng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的理念，具有廣闊的應(yīng)用前景，被越來越多地應(yīng)用于神經(jīng)外科［9］。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于腦出血穿刺引流術(shù)與三叉神經(jīng)球囊擴(kuò)張術(shù)的導(dǎo)板制作以引導(dǎo)手術(shù)［10］；顱腦的模型制作以優(yōu)化手術(shù)方案［11］、模擬手術(shù)［12］及教學(xué)演示［6］等。有研究認(rèn)為，3D 打印模型能避免術(shù)中對(duì)正常腦組織的牽拉和損傷，減少意外，縮短手術(shù)時(shí)間，提高操作的準(zhǔn)確性［10］。然而，當(dāng)前該技術(shù)也面臨著一定的局限性，打印的耗時(shí)［13］、導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與溝通及打印的費(fèi)用是目前限制其普及的主要因素［7］。自主3D 打印可以根據(jù)手術(shù)團(tuán)隊(duì)自身的需求自由設(shè)計(jì)符合手術(shù)需求的個(gè)性化模型，減少導(dǎo)板制作過程不必要的許多中間環(huán)節(jié)，節(jié)省打印時(shí)間；同時(shí)降低患者的醫(yī)療費(fèi)用。

本研究利用自主3D 打印手術(shù)導(dǎo)板用于腦出血及顱內(nèi)腫瘤的定向定位取得良好效果，打印的血管模型能反映其三維形態(tài)與走形，但是打印的顱底結(jié)構(gòu)效果較差，這與我們選用的打印機(jī)類型和顱底結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜有關(guān)。熱熔堆積固化成型打印機(jī)可以快速打印，但是其支撐結(jié)構(gòu)嵌入復(fù)雜的顱底結(jié)構(gòu)中容易混成一團(tuán)，且我們使用的打印機(jī)為單色打印，導(dǎo)致顱底結(jié)構(gòu)難以清晰分辨。我們認(rèn)為，對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的導(dǎo)板及模型，自主3D 打印能滿足手術(shù)的需求；對(duì)于復(fù)雜、關(guān)系緊密的結(jié)構(gòu)，需要更專業(yè)的設(shè)計(jì)與打印機(jī)器。本研究中，導(dǎo)板及模型的制作與設(shè)計(jì)耗時(shí)較短，打印時(shí)間差別較大，這也是當(dāng)前3D 打印技術(shù)共同的不足，較長的打印耗時(shí)使之難以應(yīng)用于急診手術(shù)。例5打印耗時(shí)長達(dá)23 h，這與我們初次打印3D 模型時(shí)意圖打印整個(gè)顱底結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于實(shí)際手術(shù)，并不需要打印整個(gè)顱腦結(jié)構(gòu)，而只需要打印手術(shù)相關(guān)區(qū)域即可。這也是我們探索自主3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，術(shù)者可以根據(jù)每例手術(shù)的實(shí)際需要，在滿足需求的前提下選擇最小的打印區(qū)域，可以大大節(jié)省打印時(shí)間與打印耗材。另外，本研究例5 打印的顱底結(jié)構(gòu)并不滿意，但是在制作三維模型的過程中獲取的三維立體影像及手術(shù)模擬可以輔助我們判斷動(dòng)脈瘤與前床突的位置關(guān)系，自主3D 打印技術(shù)獲取的三維建模影像與打印模型，二者相輔相成，可共同引導(dǎo)手術(shù)。

自主3D 打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，首先需要將醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行三維重建，獲得立體可視化的三維影像模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)立體定位導(dǎo)板，最后進(jìn)行三維切片與打印。實(shí)現(xiàn)自主3D 打印技術(shù)，門檻相對(duì)較低，僅需要一臺(tái)普通的臺(tái)式電腦和3D 打印機(jī)，數(shù)萬元即可長期用于臨床。相對(duì)于向3D打印公司購買服務(wù)，自主打印所需的成本極為低廉。掌握3D 打印技術(shù)，最重要的是學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)三維影像的重建與導(dǎo)板的設(shè)計(jì)。目前有許多醫(yī)學(xué)影像處理的軟件，如3D-Slicer 及MIMICS［14］，均可以免費(fèi)下載獲取，利用上述軟件實(shí)現(xiàn)三維影像的重建并不困難，且網(wǎng)絡(luò)上有大量關(guān)于上述軟件的學(xué)習(xí)教程與視頻，普通臨床醫(yī)師可以在短時(shí)間內(nèi)快速掌握。實(shí)現(xiàn)自主3D 打印技術(shù)，可為臨床帶來豐富的收益。自主3D打印過程中制作的三維影像數(shù)據(jù)，不同于第三方付費(fèi)3D打印服務(wù)，可在本醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)隨時(shí)調(diào)取并閱覽，利于科室進(jìn)行病例討論、術(shù)前規(guī)劃、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及模擬手術(shù)［15］，達(dá)到預(yù)測(cè)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、增加精確性、降低風(fēng)險(xiǎn)的效果［16］；同時(shí)可根據(jù)術(shù)者的需求快速設(shè)計(jì)手術(shù)通路與導(dǎo)板，減少遠(yuǎn)程溝通帶來的不變與時(shí)間成本；最重要的是，節(jié)省患者醫(yī)療費(fèi)用的同時(shí)，為醫(yī)生提供了自由的3D 打印需求。自主3D 打印技術(shù)成本低，收益豐富，可行性強(qiáng)，適合各級(jí)醫(yī)院開展應(yīng)用。

自主3D 打印技術(shù)存在一些局限性，主要有以下三方面：⑴掌握醫(yī)學(xué)影像后處理重建及3D 打印技術(shù)，雖然門檻低，但是耗時(shí)耗力，大部分神經(jīng)外科醫(yī)生精力有限，難以持續(xù)投入時(shí)間與精力于該技術(shù)；⑵相對(duì)于購買3D 打印服務(wù)，本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于醫(yī)師可以自由設(shè)計(jì)打印，不受患者費(fèi)用的約束，但也正因如此，該技術(shù)增加科室人力投入的情況下并不增加科室收益，限制該技術(shù)的發(fā)展；⑶自主3D 打印技術(shù)對(duì)臨床醫(yī)師而言，屬于交叉學(xué)科，專業(yè)壁壘讓臨床醫(yī)師望而止步，自制的打印模型與導(dǎo)板的精確性未經(jīng)專業(yè)的驗(yàn)證，增加臨床診療的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這些局限的存在，限制了自主3D 打印技術(shù)的應(yīng)用與推廣。我們認(rèn)為，自主3D 打印技術(shù)為臨床提供自由的3D 打印服務(wù)以輔助精準(zhǔn)臨床診療的同時(shí)，更多收益在于該技術(shù)的潛在價(jià)值?？剖页墒斓淖灾?D打印技術(shù)，可獲取多模態(tài)影像融合的三維可視化立體影像和1∶1 的打印模型，對(duì)病例討論、術(shù)前規(guī)劃、模擬手術(shù)、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、病情溝通、臨床教學(xué)都有非常重要的作用，對(duì)各級(jí)醫(yī)師加深顱腦解剖結(jié)構(gòu)的理解［17-18］、提高臨床診療能力和手術(shù)技能［19-20］都有幫助，雖然不能增加科室收益，但能促進(jìn)科室發(fā)展。臨床醫(yī)師的興趣與科室的支持對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展同等重要。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源豐富，互聯(lián)網(wǎng)中有大量影像建模及3D 打印的教學(xué)視頻，臨床醫(yī)師學(xué)習(xí)并掌握該技術(shù)應(yīng)用并不困難。對(duì)于初次開展該技術(shù)，可以將制作好的模型與三維影像進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，確定打印成品的精準(zhǔn)度，尤其是對(duì)于穿刺導(dǎo)板，可將導(dǎo)板成品扣于對(duì)應(yīng)部位再次行影像檢查，明確其定位定向的效果，以提高安全性。

3D 打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的精準(zhǔn)醫(yī)療服務(wù)，目前已逐漸應(yīng)用于腦出血、腦腫瘤、腦血管病及腦功能性疾病的診療，具有廣闊的發(fā)展前景［10，21］。自主3D 打印，可優(yōu)化設(shè)計(jì)、精簡(jiǎn)打印流程、減少耗時(shí)、降低費(fèi)用，是當(dāng)前環(huán)境下促進(jìn)該技術(shù)成熟發(fā)展的方式之一。隨著3D 打印技術(shù)與打印材料［5］的發(fā)展，圖形處理軟件的優(yōu)化，自主3D 打印會(huì)越來越多地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。

總之，自主3D 打印能滿足手術(shù)的需求，用于引導(dǎo)穿刺、術(shù)前手術(shù)模擬與手術(shù)規(guī)劃；對(duì)于復(fù)雜且關(guān)系緊密的結(jié)構(gòu)，自主3D 打印技術(shù)獲取的三維建模影像與打印模型，二者相輔相成，可共同引導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。本文初步探索了自主3D 打印技術(shù)在顱內(nèi)病變的定位、定向及指導(dǎo)神經(jīng)外科手術(shù)的價(jià)值；所采用的自主3D 打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法與步驟，亦可以為同行提供參考，具有一定的借鑒意義。本研究亦存在一定的局限性，采用的熱熔堆積固化成型打印機(jī)打印的模型表面粗糙，不適合精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，未來在光固化打印機(jī)的探索可能更能反映自主3D 打印技術(shù)在顱底精細(xì)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的價(jià)值；本研究為自主3D 打印技術(shù)在神經(jīng)外科應(yīng)用的初步探索，病種及例數(shù)均較少，仍需更多的臨床病例進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。