3D打印技術(shù)在顱底腫瘤顯微手術(shù)中的臨床應(yīng)用

馮孟昭，王國(guó)慶，張曉陽(yáng)，許丁康，王 方，劉獻(xiàn)志，郭付有

鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科 鄭州 450052

顱底腫瘤，尤其是體積巨大、呈侵襲性生長(zhǎng)并累及多個(gè)重要毗鄰結(jié)構(gòu)的腫瘤，手術(shù)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，并發(fā)癥多，手術(shù)切除具有很大挑戰(zhàn)性。3D打印技術(shù)以其快速性、準(zhǔn)確性及擅長(zhǎng)制作復(fù)雜形狀實(shí)體的特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。目前，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用主要包括輔助夾閉腦動(dòng)脈瘤術(shù)前的生物模型模擬手術(shù)，制定個(gè)體化內(nèi)植物等[2-3]。有關(guān)3D打印技術(shù)在顱底腫瘤顯微手術(shù)中應(yīng)用的報(bào)道較少。作者運(yùn)用3D打印技術(shù)輔助顯微手術(shù)治療10例顱底腫瘤患者，探討3D打印技術(shù)在顱底腫瘤顯微手術(shù)中的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1一般資料鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科自2016年11月至2017年3月收治的顱底腫瘤患者20例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①以神經(jīng)系統(tǒng)癥狀為首發(fā)癥狀。②經(jīng)影像學(xué)證實(shí)為顱底腫瘤且為顱內(nèi)唯一原發(fā)腫瘤。③身體狀況良好，KPS評(píng)分>70。④無(wú)其他合并癥。配對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：①患者年齡相近、性別一致。②由顱底腫瘤導(dǎo)致的首發(fā)癥狀及其持續(xù)時(shí)間相近。③術(shù)前經(jīng)影像學(xué)證實(shí)的病灶大小、主體位置和MRI信號(hào)基本一致。④病灶適宜相同的手術(shù)入路。按照以上標(biāo)準(zhǔn)將20例患者配為10對(duì)，其中每對(duì)隨機(jī)分入3D打印組及對(duì)照組，每組10人。3D打印組男6例，女4例，年齡(40.4±19.6)歲；鞍結(jié)節(jié)腦膜瘤2例，顱咽管瘤2例，侵襲性垂體瘤1例，蝶骨嵴內(nèi)1/3腦膜瘤2例，下丘腦區(qū)毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤1例，下丘腦區(qū)毛細(xì)胞黏液樣星形細(xì)胞瘤1例，海綿竇腦膜瘤1例；對(duì)照組男6例，女4例，年齡(41.9±18.7)歲；鞍結(jié)節(jié)腦膜瘤2例，顱咽管瘤2例，侵襲性垂體瘤1例，蝶骨嵴內(nèi)1/3腦膜瘤2例，下丘腦區(qū)毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤2例，海綿竇腦膜瘤1例。本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者簽署知情同意書(shū)。

1.2 3D打印組手術(shù)方案

1.2.1 三維重建及模型打印 患者術(shù)前常規(guī)進(jìn)行CT、MRI、CTA檢查，數(shù)據(jù)經(jīng)薄層掃描后以DICOM格式存盤(pán)導(dǎo)出電腦。將DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入加拿大ORS軟件精確化處理，將不同灰度表示的組織抽離出來(lái)，通過(guò)軟件運(yùn)算，將二維的一定灰度值范圍的組織轉(zhuǎn)變?yōu)镾TL通用3D打印格式。對(duì)相同灰度值但屬于不同組織的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，并用不同顏色表示，保存為不同的文檔。將STL文件導(dǎo)入美國(guó)Stratasys公司生產(chǎn)的Connex 3 350 3D打印機(jī)，按照1∶1大小打印腫瘤模型，打印時(shí)不同組織以不同顏色的材料區(qū)分，制作出與實(shí)際大小一致的顱底鞍區(qū)腫瘤實(shí)體解剖模型。

1.2.2 制定手術(shù)計(jì)劃 結(jié)合患者術(shù)前的CT、MRI、CTA影像學(xué)資料及制作的3D打印模型，幫助術(shù)者于術(shù)前精確還原患者顱底真實(shí)情況，精確判斷顱底腫瘤組織與毗鄰的重要血管如雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈、大腦前動(dòng)脈、大腦中動(dòng)脈、基底動(dòng)脈、大腦后動(dòng)脈，以及與顱底的重要神經(jīng)如視交叉、動(dòng)眼神經(jīng)、三叉神經(jīng)等的空間位置關(guān)系，選擇合適手術(shù)入路，制定最佳手術(shù)方案。

1.3對(duì)照組手術(shù)方案術(shù)者根據(jù)術(shù)前常規(guī)CT、MRI、CTA檢查，辨認(rèn)病灶及其與周?chē)＝Y(jié)構(gòu)的空間毗鄰關(guān)系，選擇合適手術(shù)入路，制定最佳手術(shù)方案。

1.4觀察指標(biāo)記錄手術(shù)時(shí)間、腫瘤切除程度、術(shù)后住院時(shí)間和癥狀改善等情況。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 17.0分析，兩組患者年齡、手術(shù)時(shí)間、住院時(shí)間的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，腫瘤切除程度及癥狀改善情況的比較采用確切概率法。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 3D可視化圖像與二維影像對(duì)比3D打印組所有病例均成功地實(shí)現(xiàn)了三維立體虛擬現(xiàn)實(shí)影像的重建并打印出三維立體模型。所有影像及模型清晰逼真，立體感強(qiáng)。而二維常規(guī)CTA顯示腫瘤與Willis環(huán)空間關(guān)系模糊，圖片信息有限，缺乏三維立體空間結(jié)構(gòu)。二維CTA與3D打印圖像對(duì)比見(jiàn)圖1。根據(jù)3D模型能更為快速、直觀、準(zhǔn)確、全面地觀察病灶的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其局部解剖結(jié)構(gòu)特征(圖2)。根據(jù)對(duì)虛擬影像及3D模型的觀察與手術(shù)模擬的結(jié)果，能夠在術(shù)前準(zhǔn)確地判斷顱底腫瘤與鄰近重要解剖結(jié)構(gòu)的特征，分析手術(shù)中可能遇到的困難及應(yīng)對(duì)措施，制定個(gè)體化精準(zhǔn)術(shù)前規(guī)劃。

A：術(shù)前CT平掃；B、C：常規(guī)二維CTA顯示患者顱內(nèi)血管；D：3D可視化圖像直觀顯示腫瘤及Willis環(huán)；E、F：3D可視化圖像清晰顯示顱底腫瘤與Willis環(huán)關(guān)系

圖1二維CTA與3D打印圖像對(duì)比

A：術(shù)前增強(qiáng)MRI；B：顱底3D可視化圖像；C：制作患兒顱底3D模型；D：腫瘤緊鄰右側(cè)大腦中動(dòng)脈；E：術(shù)中所見(jiàn)腫瘤緊鄰右側(cè)大腦中動(dòng)脈，與術(shù)前規(guī)劃相同；F：術(shù)后2周復(fù)查增強(qiáng)MRI

圖2應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助切除鞍區(qū)毛細(xì)胞黏液樣星形細(xì)胞瘤一例

2.2 2組臨床表現(xiàn)改善情況、手術(shù)全切率、手術(shù)時(shí)間及住院時(shí)間比較3D打印組手術(shù)全切率為80%(8/10)，對(duì)照組為20%(2/10)，兩者比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。3D打印組癥狀改善率為90%(9/10)，對(duì)照組為30%(3/10)，兩者比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。兩組手術(shù)時(shí)間和住院時(shí)間比較見(jiàn)表1。

表1 2組患者一般資料及手術(shù)情況比較

2.3 3D打印組與對(duì)照組術(shù)后并發(fā)癥情況3D打印組：電解質(zhì)紊亂4例，一過(guò)性尿崩1例，一過(guò)性甲低1例，動(dòng)眼神經(jīng)及外展神經(jīng)功能障礙1例，均予以藥物對(duì)癥支持治療。無(wú)術(shù)后顱內(nèi)血腫、昏迷及死亡病例。對(duì)照組：電解質(zhì)紊亂4例，一過(guò)性尿崩3例，一過(guò)性甲低4例，一過(guò)性腎上腺皮質(zhì)功能減退1例，動(dòng)眼神經(jīng)功能障礙2例，癲癇小發(fā)作3例。均予以藥物對(duì)癥支持治療。無(wú)術(shù)后顱內(nèi)血腫、昏迷及死亡病例。

3 討論

顱底腫瘤以其位置深在、周?chē)忣i內(nèi)動(dòng)脈、海綿竇、視交叉、動(dòng)眼神經(jīng)、下丘腦、腦干、第三腦室等眾多結(jié)構(gòu)，手術(shù)切除難度大，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高，術(shù)后并發(fā)癥多，病死率高，目前仍然是臨床上最具挑戰(zhàn)性疾病之一[4-6]。本組病例中的巨大顱咽管瘤、下丘腦膠質(zhì)瘤、鞍結(jié)節(jié)腦膜瘤、蝶骨嵴內(nèi)1/3腦膜瘤、侵襲性垂體瘤、海綿竇腦膜瘤正是常見(jiàn)的高難度疾病。

傳統(tǒng)的顱底腫瘤切除術(shù)是術(shù)者根據(jù)術(shù)前患者的頭顱MRI資料或者CT及CTA資料，在經(jīng)過(guò)反復(fù)比對(duì)、拼接、組合這些二維圖片以后，憑借空間想象能力及邏輯推理能力，將患者的資料建立在術(shù)者腦海中，指導(dǎo)術(shù)中切除腫瘤。但是這種方法有一定局限性：①二維圖片在顯示顱底腫瘤的形態(tài)及與其周?chē)艿目臻g關(guān)系上仍有欠缺。②對(duì)二維圖片的三維解讀需要術(shù)者具備扎實(shí)的顱底解剖基礎(chǔ)及豐富的空間想象力。③術(shù)者對(duì)二維圖片的解讀具有主觀性，有時(shí)候錯(cuò)誤解讀會(huì)影響手術(shù)的順利進(jìn)行[7]。

3D打印技術(shù)輔助下的顱底腫瘤切除術(shù)，是術(shù)者術(shù)前利用患者的個(gè)體化影像學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)3D打印技術(shù)1∶1復(fù)制出顱底腫瘤及其相關(guān)毗鄰結(jié)構(gòu)模型，幫助術(shù)者術(shù)前制定手術(shù)計(jì)劃及模擬手術(shù)、術(shù)中精準(zhǔn)顯微切除、術(shù)后總結(jié)手術(shù)操作技巧，以此提升臨床療效。

3D打印技術(shù)能夠幫助術(shù)者制定精準(zhǔn)手術(shù)方案。應(yīng)用3D打印技術(shù)于術(shù)前可1∶1復(fù)制出顱底模型，這其中包含顱底腫瘤組織、毗鄰的重要血管如雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈、大腦前動(dòng)脈、大腦中動(dòng)脈、基底動(dòng)脈、大腦后動(dòng)脈、后交通動(dòng)脈以及顱底的重要神經(jīng)如視交叉、動(dòng)眼神經(jīng)、三叉神經(jīng)等，這使術(shù)者在術(shù)前全方位、各角度清晰辨認(rèn)顱底結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確測(cè)量腦皮質(zhì)至腫瘤的距離及鞍區(qū)各間隙大小，以便選擇合適手術(shù)入路，制定最佳手術(shù)方案，保障手術(shù)順利實(shí)施[3,8]。本研究結(jié)果顯示3D打印技術(shù)可三維、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的清晰顯示腫瘤與其毗鄰的各種周?chē)匾Y(jié)構(gòu)，從而為術(shù)者進(jìn)行精準(zhǔn)手術(shù)，避免手術(shù)副損傷具有重要臨床價(jià)值。

3D打印技術(shù)能夠幫助提高顱底腫瘤全切率。本文發(fā)現(xiàn)3D打印組腫瘤全切率高，這與3D打印技術(shù)能夠直觀清晰顯示腫瘤與毗鄰結(jié)構(gòu)的關(guān)系密不可分。應(yīng)用3D打印技術(shù)，術(shù)者于術(shù)前便可三維立體觀察腫瘤的空間位置、形態(tài)、周?chē)匾徑Y(jié)構(gòu)，幫助術(shù)者判斷不同術(shù)式下腫瘤的切除程度、切除腫瘤可能遇到的困難，以選擇最佳的暴露角度，最大限度切除腫瘤組織及帶來(lái)最小的腫瘤周?chē)M織損傷，提高腫瘤的全切率。

3D打印技術(shù)能夠幫助提高術(shù)前癥狀改善率?；颊咝g(shù)前癥狀很大程度上取決于顱內(nèi)病灶的主體位置、大小、對(duì)顱神經(jīng)壓迫及侵犯的程度、是否合并腦積水、病程的長(zhǎng)短及患者本人的主觀感覺(jué)。本文研究得出3D打印組癥狀改善率高，這與手術(shù)入路的最佳選擇、術(shù)中病灶的最佳暴露、腫瘤的最大限度切除、毗鄰結(jié)構(gòu)的最小程度損傷密不可分。

3D打印技術(shù)在輔助顱底腫瘤顯微手術(shù)時(shí)亦有一些局限與不足：①對(duì)于顱底腫瘤強(qiáng)化不明顯的類(lèi)型，如鞍區(qū)囊性顱咽管瘤、鞍區(qū)囊性畸胎瘤等，由于腫瘤組織與周?chē)ＤX組織對(duì)比不明顯，導(dǎo)致3D重建圖像不夠清晰直觀，制作的模型效果不佳。②由于制作精度的差異，3D重建圖像與3D模型在顯示顱底腫瘤與周?chē)M織關(guān)系時(shí)仍有一定偏差，這與DICOM格式資料轉(zhuǎn)化為STL文件的設(shè)計(jì)過(guò)程有關(guān)，嚴(yán)密的設(shè)計(jì)可縮小模型與顱內(nèi)實(shí)際情況的差異。③由于生物制作材料的缺乏，3D模型在模擬腦組織的生物學(xué)特性時(shí)仍存在不足，其尚不能夠提供腦組織的牽拉變形、腫瘤的質(zhì)地等手感特性。隨著以上問(wèn)題的逐步克服，相信3D打印技術(shù)在顱底腫瘤顯微手術(shù)中的價(jià)值能逐步體現(xiàn)，使顱底腫瘤顯微手術(shù)水平進(jìn)一步提高，從而改善患者的臨床預(yù)后，值得臨床推廣使用。