王 拓,張北辰,周浩宇,杜昌旺,吳 偉,崔 波

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科,西安 710061

準確定位是神經(jīng)外科顱內(nèi)腫瘤手術(shù)的前提和保障,若要術(shù)前準確地標記出腫瘤體表投影位置需要經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的顱內(nèi)腫瘤定位教學(xué)方法主要是依靠體表多處解剖標志[1-2],如冠狀縫、中央溝、外耳道、外側(cè)裂等相對位置比較固定的解剖標志作為參考點,再結(jié)合術(shù)前影像資料中腫瘤與參考點的位置關(guān)系,從而確定腫瘤在體表的位置。然而,基于解剖標志等傳統(tǒng)的顱內(nèi)腫瘤定位的教學(xué)方法存在比較明顯的缺點,在一定程度上對神經(jīng)外科醫(yī)師的臨床經(jīng)驗要求較高,因此對于經(jīng)驗不足的醫(yī)師而言準確定位難度較大,容易造成較為明顯的誤差,且開顱范圍更大、手術(shù)時間更長,存在損傷大、術(shù)后感染比例高、出血量較多等并發(fā)癥,難以滿足神經(jīng)外科精細化、微創(chuàng)化的手術(shù)要求;同時也可能存在手術(shù)時間過長、腫瘤切除不完整等缺點[3]。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步和微創(chuàng)理念的發(fā)展,神經(jīng)外科手術(shù)方式也在不斷地向著精準和微創(chuàng)的方向推進,即通過快速精確的術(shù)前定位,利用微創(chuàng)理念以期最大限度地切除病變組織,減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生,而術(shù)前準確定位是達到此目標的前提保證。因此,對傳統(tǒng)的顱內(nèi)腫瘤定位方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前,隨著數(shù)字技術(shù)和醫(yī)學(xué)的聯(lián)系變得日益緊密,基于諸如3D Slicer、ITK-Snap等計算機輔助下的醫(yī)學(xué)圖像處理方法也得到了飛速發(fā)展,通過術(shù)前對顱腦腫瘤患者的多維度影像學(xué)資料的整合與處理,可以最大程度地模擬并還原顱內(nèi)腫瘤的解剖位置、毗鄰結(jié)構(gòu)、形狀大小等信息,極大地提高了神經(jīng)外科醫(yī)師在術(shù)前對顱內(nèi)腫瘤的解剖學(xué)認知;不僅如此,通過利用工科3D打印技術(shù)的優(yōu)勢并結(jié)合計算機輔助定位,使得虛擬化的視覺圖像轉(zhuǎn)化成實物化的3D模型成為可能,可以在術(shù)前就能快速打印出相應(yīng)的體表導(dǎo)板以幫助醫(yī)師準確地鎖定腫瘤在顱腦中的位置[4]。3D手術(shù)導(dǎo)板是一種術(shù)前協(xié)助醫(yī)師進行體表定位的工具,在導(dǎo)板的輔助下,術(shù)前可以快速地定位腫瘤位置、設(shè)計手術(shù)入路、了解手術(shù)切除的深度與范圍,以此提高術(shù)者的手術(shù)精確性、安全性和可靠性,簡化復(fù)雜手術(shù)的步驟,縮短臨床醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線,加速年輕醫(yī)師的成長;且與神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)相比,3D打印導(dǎo)板更加便捷且不受醫(yī)院等級限制,在提高手術(shù)質(zhì)量的同時節(jié)約了大量醫(yī)療成本,受到越來越多的臨床醫(yī)師的青睞[5-7]。目前,有文獻報道,通過在3D Slicer輔助下聯(lián)合3D打印導(dǎo)板及神經(jīng)內(nèi)鏡技術(shù),可以在術(shù)前快速地定位包括顱腦腫瘤及慢性硬膜下血腫等顱內(nèi)病灶,在術(shù)中快速完成病灶清除,后經(jīng)術(shù)后影像學(xué)證實顱內(nèi)病灶完全清除[8]。因此,該技術(shù)的出現(xiàn)不僅幫助神經(jīng)外科醫(yī)師擺脫了人為經(jīng)驗的干擾,而且也能夠有效地避免不必要的神經(jīng)損傷,合理規(guī)劃手術(shù)入路,實現(xiàn)精確化、個體化和數(shù)字化的模式來診斷治療個體患者。

基于此,該文將3D打印導(dǎo)板技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科腫瘤定位教學(xué),以期在教學(xué)中更加精準地定位顱內(nèi)腫瘤,并對比在傳統(tǒng)教學(xué)模式和基于3D打印導(dǎo)板技術(shù)的教學(xué)方法中的學(xué)習(xí)效果[9-11]。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

納入2020年1月—2021年12月在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科進修醫(yī)師40人為研究對象。通過報名順序的單雙數(shù)隨機分為對照組和試驗組,每組20人。研究對象對此次研究知情同意。

1.2 3D導(dǎo)板打印方法

第一步,收集數(shù)據(jù)。選取需要術(shù)前準確定位的腦腫瘤患者,拷貝其頭顱磁共振及頭顱CT數(shù)據(jù)(1 mm/層)備用。第二步,三維模型構(gòu)建。將拷貝的磁共振及CT數(shù)據(jù)傳導(dǎo)入3D-Slicer軟件進行三維重建,重點重建顱內(nèi)腫瘤、頭面部皮膚、眉弓、鼻根等部位。第三步,設(shè)計并打印導(dǎo)板模型,根據(jù)手術(shù)實際情況設(shè)計需要打印的導(dǎo)板大小,且必須包括腫瘤體表投影位置,鼻根及眉弓等部位。使用ABS樹脂作為打印材料,連接3D打印機逐層打印。

1.3 教學(xué)方法

對照組采用傳統(tǒng)定位方法教學(xué),即由副主任以上醫(yī)師授課,選取典型病例,如腦膜瘤的術(shù)前定位。第一步,掌握常用的解剖標志。如冠狀縫體表定位(如圖1A所示)、外側(cè)裂的體表定位(如圖1C所示)、中央溝的體表定位(如圖1C所示),以及經(jīng)典的Kronlein顱腦定位法(如圖1D所示)。第二步,解讀術(shù)前磁共振等影像資料(如圖1B所示)。按照比例尺測量腫瘤與常用解剖標志的距離。第三步,實際定位?；颊哳^部備皮后,學(xué)員在患者頭部用記號筆定位出腫瘤的大小位置(如圖1C所示)。

A.ab線為冠狀縫位置;B.展示對照組腦膜瘤患者術(shù)前影像資料;C.cd線為中央溝位置,ce線為外側(cè)裂位置,黃線為腫瘤定位體表位置;D.經(jīng)典的Kronlein顱腦定位法;E.展示試驗組腦膜瘤患者術(shù)前影像資料;F.3D導(dǎo)板精準定位腫瘤體表投影

試驗組采用3D導(dǎo)板打印技術(shù)定位方法教學(xué),即由副主任以上醫(yī)師授課,在傳統(tǒng)定位方法授課的基礎(chǔ)上,詳細指導(dǎo)3D導(dǎo)板打印定位技術(shù)。計算機和3D打印機準備步驟如下:第一步,計算機上安裝3D-Slicer軟件,按照3D導(dǎo)板打印方法授課(具體方法見1.2);第二步,選取典型病例,學(xué)員在3D-Slicer軟件自主建模,完成后連接3D打印機逐層打印;第三步,驗證結(jié)果,患者頭部備皮后,使用3D導(dǎo)板精準定位腫瘤體表投影(如圖1E、F所示)。

1.4 教學(xué)效果評價

首先,教學(xué)效果評價有一個評估指標,即兩組學(xué)員的定位結(jié)果與手術(shù)開顱后的實際腫瘤位置是否一致,是驗證定位是否準確的金標準,其具體衡量指標包括:腫瘤中心位置差,即術(shù)前體表定位的腫瘤中心與開顱后實際腫瘤中心位置的直線距離。

其次,采取理論考試(客觀指標)和自我評價(主觀指標)兩部分成績,評價兩組學(xué)員的教學(xué)效果。理論考試圍繞顱內(nèi)正常解剖結(jié)構(gòu)、常用定位標志,以及磁共振影像上腫瘤的位置描述等,滿分100分。自我評價是通過問卷調(diào)查的形式,采用匿名方式,讓學(xué)員進行自我評價,兩組學(xué)員對于腫瘤定位的自信程度,定位方法的接受程度,以及定位能力的提高情況等,總分30分,分為三檔,即0～10分為自我認定仍無法定位,11～20分為學(xué)員自我認為可大致定位,21～30分為學(xué)員自我認為可準確定位。

1.5 統(tǒng)計分析方法

2 結(jié)果

2.1 研究對象一般情況

兩組學(xué)員均為男性,學(xué)員年齡28～45歲,其中試驗組學(xué)員平均年齡(35.1±4.2)歲,對照組學(xué)員平均年齡(33.7±5.6)歲;試驗組學(xué)員包括住院醫(yī)師6名(30.0%)、主治醫(yī)師10名(50.0%)、副主任醫(yī)師4名(20.0%);對照組學(xué)員包括住院醫(yī)師4名(20.0%)、主治醫(yī)師11名(55.0%)、副主任醫(yī)師5名(25.0%),兩組學(xué)員的年齡、職稱分布均無統(tǒng)計學(xué)差異。試驗組的腫瘤中心位置差(4.3±1.2)mm,小于對照組的(10.5±3.8)mm,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(t=7.469,P=0.009)。

2.2 兩組學(xué)員理論考試結(jié)果比較

在總分100分的理論考試中,試驗組學(xué)員平均成績?yōu)?76.2±7.8)分,對照組學(xué)員平均成績?yōu)?73.6±9.1)分,兩組學(xué)員成績比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.223,P=0.495)。

2.3 自我評價結(jié)果

試驗組和對照組學(xué)員完成授課后,從自身感受、腫瘤定位的自信程度、定位方法的接受程度、學(xué)習(xí)成本的付出等方面進行自我評價,自我評價的腫瘤定位能力有所不同。試驗組中仍然覺得對顱內(nèi)腫瘤無法定位的學(xué)員0人(0.0%),認為自己可以大致定位的學(xué)員有8人(40.0%),認為自己能夠獨立準確定位腫瘤的學(xué)員有12人(60.0%);對照組中認為無法定位的學(xué)員有6人(30.0%),能夠大致定位的學(xué)員有10人(50.0%),認為自己能夠獨立準確定位腫瘤的學(xué)員有4人(20.0%),兩組間的自我評價差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.004)。如表1所示。

表1 兩組學(xué)員自我評價結(jié)果分析

3 討論

神經(jīng)外科腫瘤手術(shù)被稱為外科手術(shù)中的皇冠,之所以有如此高的地位,是因為顱腦手術(shù)要求的精確度非常高,在極力保護正常腦組織的前提下,徹底地切除腫瘤是手術(shù)的基本原則。那么術(shù)前精準的定位腫瘤位置,盡量準確的開顱范圍成為減少創(chuàng)傷的前提保障,因此年輕醫(yī)師開顱前對腫瘤的精確定位尤為重要。術(shù)前腫瘤定位是較難掌握的一項技能,因此針對年輕醫(yī)師進行顱內(nèi)腫瘤定位技術(shù)的培訓(xùn)成為十分迫切的需求。而傳統(tǒng)的定位方法較難掌握,且誤差較大,即便是高年資醫(yī)師定位,誤差范圍也可能達到1 cm以上。為提高年輕醫(yī)師腫瘤定位的準確性和自信心,研究者在傳統(tǒng)定位方法授課的基礎(chǔ)上,引入3D導(dǎo)板打印技術(shù),使年輕醫(yī)師更直觀、更精準地進行定位,使其在術(shù)前對腫瘤的位置了然于心,開顱的范圍更加精準,也給患者減少不必要的損傷。

此次,研究者所使用的三維影像處理軟件是3D Slicer軟件(簡稱Slicer),這是一款開源、免費、可擴展的醫(yī)學(xué)圖像處理應(yīng)用平臺,最早由波士頓布里格姆婦女醫(yī)院和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā),可用于神經(jīng)外科手術(shù)的引導(dǎo)治療、可視化和分析等用途。目前,Slicer軟件已經(jīng)成為一種不僅能夠應(yīng)用于各種臨床研究,還能夠用于非醫(yī)療圖像分析的綜合平臺[12-14]。研究者通過Slicer軟件先將患者皮膚、顱骨、眉弓、鼻根等體表定位標志進行三維重建,并使用3D打印機進行打印,由此使腫瘤定位更加精準,這對手術(shù)切口的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義,也為腫瘤定位方法教學(xué)提供了新的思路。該研究在腫瘤定位方法的教學(xué)中,通過Slicer軟件對顱內(nèi)腫瘤患者影像資料進行三維重建,結(jié)合體表的定位標志,模擬皮膚后進行3D導(dǎo)板打印,實現(xiàn)術(shù)前精確定位。與傳統(tǒng)的定位方法相比,3D導(dǎo)板的定位方式更加精確,兩組學(xué)員的定位結(jié)果相比,試驗組的腫瘤中心位置更小,二者的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。不僅如此,通過教學(xué)滿意度問卷調(diào)查結(jié)果顯示,試驗組的學(xué)員對腫瘤定位更有自信,切口的設(shè)計更加精準,手術(shù)當(dāng)中對正常腦組織的保護更加徹底。

雖然3D Slicer聯(lián)合3D導(dǎo)板打印技術(shù)在該研究中具有較為明顯的優(yōu)勢,但不得不承認3D導(dǎo)板定位技術(shù)也存在一定弊端:首先,3D打印材料的種類尚需進一步開發(fā),傳統(tǒng)的樹脂材料打印精度欠佳,容易損壞變形;以鈦合金為主的打印材料雖然能夠克服上述缺點,但價格昂貴,對打印設(shè)備的要求較高,限制了其廣泛使用,因此需要研發(fā)更多物美價廉的打印材料[15-16]。其次,導(dǎo)板的設(shè)計和制造、3D打印機的成本等價格相對高昂,3D打印技術(shù)和計算機輔助定位技術(shù)相對復(fù)雜,不利于基層醫(yī)院尤其是偏遠地區(qū)的開展,同時設(shè)計導(dǎo)板花費的時長不等,無法滿足急診手術(shù)的需求[17]。最后,由于設(shè)計制造廠家過多,尚未形成統(tǒng)一的質(zhì)量評價體系,缺乏相關(guān)的行業(yè)標準和法律法規(guī)要求,可能引起導(dǎo)板質(zhì)量參差不齊,難以滿足臨床需要[18]。因此,在新的3D導(dǎo)板技術(shù)教學(xué)的同時,也要掌握傳統(tǒng)的定位方法,在時間緊急或條件不具備的時候傳統(tǒng)定位方法不失為另一個選擇。

總之,研究者認為通過3D打印導(dǎo)板進行顱內(nèi)腫瘤定位的方法,準確、可靠、容易掌握,為年輕的神經(jīng)外科醫(yī)師掌握術(shù)前腫瘤定位提供了高效的方法,在實際手術(shù)中減少不必要的創(chuàng)傷,值得在今后的教學(xué)工作中進一步推廣。