3D打印技術在顱內動脈瘤介入栓塞治療中的應用

譚 衍 邊 遠 陸弘盈 湯樹洪 余松祚

3D打印技術在顱內動脈瘤介入栓塞治療中的應用

譚 衍①邊 遠①陸弘盈①湯樹洪①余松祚①

目的：探討三維(3D)打印技術應用于顱內動脈瘤介入栓塞治療的臨床價值。方法：選取醫院經顱腦CT血管造影(CTA)確診的21例顱內動脈瘤患者，其中大腦中動脈瘤7例，大腦前交叉通動脈瘤8例，基底動脈瘤6例；采用3D打印技術構建顱內動脈瘤復合體3D模型，并與介入栓塞術前顱腦CTA結果進行對比分析。結果：3D打印技術與顱腦CTA相比，其長、寬和厚度測量值無明顯變化，差異無統計學意義(t=0.03，t=0.07，t=0.08；P＞0.05)；3D打印技術測量動脈瘤血流動力學結果顯示，血流速度由大到小依次為動脈流入道、動脈流出道、動脈瘤體部和動脈瘤頂端，而且動脈流入道的瘤內動壓、血管壁面切應力均明顯增高，具有顯著差異。所有患者動脈瘤均得到完全夾閉，圍術期未出現偏癱、失語及癲癇等嚴重并發癥及死亡病例。結論：3D打印技術應用于顱內動脈瘤介入栓塞治療中，不僅能夠直觀掌握動脈瘤患者腦血管解剖特點，降低術后并發癥發生率及手術風險，而且3D模型便于患者及家屬直觀了解病情，形成良好的醫患溝通，且便于教學及學術交流的直觀詳解。

3D打印技術；顱內動脈瘤；介入栓塞；CT血管造影

顱內動脈瘤作為蛛網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致病理性囊性膨出，好發于Willis環動脈分叉處，具有較高的致殘率及病死率[1-2]。目前，顱內動脈瘤介入栓塞治療廣泛應用于臨床，動脈瘤夾閉過程中通過三維(three dimensional，3D)重建技術能夠獲取動脈瘤二維圖片，更好地指導手術操作[3-4]。3D CT血管造影(CT angiography，CTA)作為顱內動脈瘤影像學的新型診斷方法，具有無創、快速和準確率高等優點，成為國內排查顱內動脈瘤的首選檢查方法[5]。外周靜脈造影劑輔助下，利用顱腦連續薄層螺旋CT掃描、電子計算機工作站構建顱骨解剖結構及顱內血管的3D復合體模型，在顱內動脈瘤的診斷方面具有極大的參考價值[6]。本研究選取行顱內動脈瘤介入栓塞治療的患者，采用3D打印技術成功構建顱內動脈瘤復合體3D模型，對臨床治療進行指導，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月在貴港市人民醫院經顱腦CTA確診的21例顱內動脈瘤患者，其中男性11例，女性10例；年齡41～67歲，平均年齡(54.3±4.5)歲；大腦中動脈瘤7例，大腦前交叉通動脈瘤8例，基底動脈瘤6例；對其臨床資料進行回顧性分析。所有治療方法均得到醫院倫理委員會批準同意，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：①所有患者經顱腦CT血管造影確診為顱內動脈瘤；②Hunt-Hess分級均為I～III級；③均給予介入栓塞治療。

(2)排除標準：①患有嚴重肝腎功能障礙者；②患有血液系統疾病者。

1.3 儀器與材料

ProJet 3500 HD Max型3D打印機(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

檢查前患者做好術前準備，利用頭托、膠帶將患者頭部固定，采用Siemens Somatom Definition Flash CT進行峰值法容積掃描。掃描參數：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。依次進行顱底至顱頂的掃描檢測，數據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作為監測時間點，根據時間-密度曲線，獲取達峰時間，以2 s經驗值作為正式增強掃描時間，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平掃影像數據及增強掃描影像數據，隨后將原始數據上傳至電子計算機工作站，經精化處理并結合3D打印機輸出顱內動脈血管3D復合體模型。

1.5 3D打印模型

將圖像數據導入Mimics軟件，利用閾值法選取顱內動脈瘤CTA的血管閾值，同時采用3D計算工具構建顱內動脈瘤復合體3D模型，采用Mimics Cut with Polyplane工具，對顱內動脈瘤復合體3D模型進行預處理，導出立體光刻(stereo lithography，STL)格式，將動脈細小分支去除后對圖像進行3D計算，獲取動脈瘤面網優化模型，從而生成流體網格及流體耦合計算，利用3D打印機輸出顱內動脈瘤血管3D復合固體模型及流體模型，使用WDK007型鈦合金材料。

1.6 血流動力學參數與觀察指標

利用Fluent軟件，導入3D網格文件，通過自定義方式，將近心端邊界設定為壓力入口，動脈瘤2個出口分別設定為壓力出口，使用多功能生理監測儀測量血壓波型曲線，選擇動脈瘤壁感興趣區域作為觀察點，Fluent軟件計算動脈流入道、動脈流出道、動脈瘤體部、動脈瘤頂部的血流速度、動脈瘤內動壓及動脈瘤血管壁面切應力。

1.7 統計學方法

采用SPSS 17.0統計學軟件對數據進行統計分析，計量資料以均數±標準差(±s)表示，兩兩比較采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 3D打印技術與CTA測量值對比分析

3D打印技術與顱腦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計學意義(t=0.03，t=0.07，t=0.08；P＞0.05)，見表1。

表1 3D打印技術與CTA測量值對比分析(±s)

表1 3D打印技術與CTA測量值對比分析(±s)

2.2 3D顱內動脈瘤復合體3D形態測量

3D打印技術測量動脈瘤血流動力學，血流速度由大到小依次為動脈流入道、動脈流出道、動脈瘤體部和動脈瘤頂端，而且動脈流入道的瘤內動壓、血管壁面切應力均明顯增高，差異均有統計學意義，見表2。

2.3 顱內動脈瘤介入栓塞治療效果

(1)在21例患者中，顱內動脈瘤均得到完全夾閉，圍術期均未出現偏癱、失語、癲癇等嚴重并發癥及死亡病例。

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

圖1 顱內動脈瘤3D打印模型圖

3 討論

隨著3D打印技術逐漸應用于醫學領域，其臨床價值也逐漸得到重視，并在模型制作、生物組織打印等方面得到飛速發展[7]。Beyersdorf[8]報道，3D打印技術成功構建了首個先心患者的心臟模型，醫師術前通過3D能夠深入分析復雜心臟的解剖結構。美國密歇根大學成功打印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、寰樞椎關節、主動脈瘤的3D打印報道也見諸報端[10-11]。劉宇清等[12]報道，心臟外科、骨外科及肝膽外科等科室已經成功制作3D立體模型，通過3D模型術前了解組織器官的解剖特點及變異情況，幫助醫師術前模擬復雜手術操作，協助制定合適的手術方案，從而提高手術操作的精確度。

利用3D打印技術成功構建顱內動脈瘤3D模型，可以術前準確預估動脈瘤解剖結構及毗鄰關系，根據這些解剖結構模擬瘤頸的分離、動脈瘤夾的選擇等操作，并將3D模型應用至術中，為臨床介入夾閉動脈瘤提供可靠的理論依據[13]。術前構建3D動脈瘤模型，能夠直觀了解顱內動脈瘤全貌，術中將3D模型消毒后，置于手術臺可以隨時進行多方位、多角度旋轉，便于術者了解動脈瘤患者腦血管解剖特點，對于腦實質、重要血管、顱骨解剖關系的評估及動脈瘤的瘤體朝向方面，都發揮了重要作用，利用3D模型可以模擬瘤頸分離操作，從而有效減少術中不必要的解剖暴露，降低術后并發癥的發生率[14-15]。而傳統手術治療通過翼點入路方式，對于顱內復雜動脈瘤，由于視角的單一性，往往存在動脈瘤不能充分顯露，可能引發動脈瘤夾閉不全、殘余等嚴重并發癥；利用3D模型可以多方位、旋轉式了解動脈瘤背側、復雜動脈瘤與穿支動脈的解剖關系。

本研究發現，3D打印技術與顱腦CT血管造影相比，測量值無明顯變化；3D打印技術測量動脈瘤血流動力學，結果顯示血流速度由大到小依次為動脈流入道、動脈流出道、動脈瘤體部、動脈瘤頂端，而且動脈流入道的瘤內動壓、血管壁面切應力均明顯增高，差異有統計學意義。所有患者動脈瘤均得到完全夾閉，圍術期沒有出現偏癱、失語及癲癇等嚴重并發癥及死亡病例。結果表明，3D打印技術應用于顱內動脈瘤介入栓塞治療中，不但可進行醫師間的術前討論，也能夠直觀掌握動脈瘤患者腦血管解剖特點，降低術后并發癥發生率及手術風險，而且3D模型便于患者及家屬直觀了解病情，形成良好的醫患溝通，通過3D模型，便于患者及家屬更為直觀地了解病情特點，正確認識介入栓塞治療的風險性，從而形成良好的醫患交流。此外，將3D打印技術模型應用于臨床教學中，學生可以直觀形象地了解顱內動脈瘤的致病因素、診斷方法和治療方法等信息，便于教學及學術交流的直觀詳解[16-17]。

表2 顱內動脈瘤復合體3D形態測量結果(±s)

表2 顱內動脈瘤復合體3D形態測量結果(±s)

雖然3D顱內動脈瘤模型具有諸多優點，但是3D打印技術基于CTA數據，而CT對于神經組織的敏感性較差，因此3D模型不能清晰地顯示顱神經、血管及顱骨等器官組織的解剖關系；顱內動脈始終處于搏動狀態，很大程度上影響著造影的圖像清晰度，甚至形成偽影，這些都會影響檢測結果的準確性；顱內動脈瘤破裂出血形成顱內血腫、顱內高壓患者，由于血腫對血管、神經的壓迫作用，可能造成3D動脈瘤模型與術中情況不一致。目前，3D打印技術尚未完全成熟，且材料昂貴、檢查時間較長，不適用于顱內動脈瘤破裂出血急需手術治療患者。

3D打印技術應用于顱內動脈瘤介入栓塞治療，通過顱內動脈瘤復合體3D模型的成功構建，不僅為顱內動脈瘤的診斷及介入治療提供指導，降低術后并發癥及手術風險，還便于醫患問題溝通、直觀教學和學術討論，值得廣泛應用。

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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貴港市人民醫院神經外科 廣西 貴港 537100

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

譚衍,男,(1980- ),本科學歷，副主任醫師。貴港市人民醫院神經外科，從事神經外科診療工作。

1672-8270(2017)12-0064-04

R739.91

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.018

2017-01-23