一種基于3D打印技術(shù)定制截骨導(dǎo)板在巨大侵襲性骶骨神經(jīng)源性腫瘤切除中的應(yīng)用

孟令志 石 英 王 琪 劉 軍 謝夢琪 馬 飛

北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科 (遼寧 沈陽 110016)

原發(fā)于骶骨的腫瘤相對少見，而骶骨的神經(jīng)源性腫瘤更是罕見，文獻中報道亦不多見。骶骨的神經(jīng)源性腫瘤一般起源于骶神經(jīng)，沿神經(jīng)孔向內(nèi)或外生長，可呈啞鈴狀。由于骶管的空間限制，向內(nèi)生長的腫瘤一般較??；而向骶管外生長的腫瘤往往形成巨大腫塊。臨床上由于骶骨屬不規(guī)則骨，骶骨區(qū)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)難度大，而且難以在術(shù)中確定安全邊界，使巨大骶骨神經(jīng)源性腫瘤的切除更具挑戰(zhàn)性。目前為止還沒有統(tǒng)一的骶骨神經(jīng)源性腫瘤治療共識。理想的治療策略是能夠?qū)⒛[瘤完整切除，不引起血管神經(jīng)損傷及脊柱不穩(wěn)，從而達到解除壓迫、改善癥狀的目的。巨大侵襲性骶骨神經(jīng)源性腫瘤由于其具有局部侵襲性和擴展性，仔細(xì)的術(shù)前規(guī)劃是非常重要的[1]。

隨著醫(yī)學(xué)及三維成像技術(shù)不斷進步，虛擬手術(shù)規(guī)劃、計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)以及3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用越來越廣，這使外科醫(yī)生和工程師能夠合作解決實際問題，如指導(dǎo)患者認(rèn)識疾病、手術(shù)計劃、手術(shù)指導(dǎo)以及定制化的鈦植入材料等[2-5]。在未來，3D打印技術(shù)更是能夠做到打印出實際的生物結(jié)構(gòu)，如肝臟、胰腺等，那時醫(yī)學(xué)將會取得革命性的進步[6]。本研究描述了一種基于圖像的個性化手術(shù)截骨導(dǎo)板，用來指導(dǎo)在一例巨大骶骨神經(jīng)源性腫瘤切除的截骨邊界。

1 材料和方法

圖1說明了該導(dǎo)板的設(shè)計流程。通過CT高分辨率掃描獲得DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入到圖形處理系統(tǒng)中，通過Marching Cube方法進行骶骨模型的三維重建。然后由手術(shù)醫(yī)生在該系統(tǒng)上確定腫瘤及正常骨質(zhì)的切除邊界。截骨導(dǎo)板由手持部分、放置部分以及C形的截骨邊界指示部分三部分構(gòu)成。

圖1

2 臨床表現(xiàn)

患者為32歲男性，主因“間斷性腰骶部疼痛伴有下肢麻木疼痛3年，加重2周”入院。腰骶部高分辨率CT示：骶1、2右側(cè)椎體內(nèi)見不規(guī)則團塊狀軟組織密度病灶，邊界較清，局部突入椎管及盆腔內(nèi)，大小約4.0cm×3.5cm×5.2cm，骶1、2右側(cè)椎體見多處骨質(zhì)破壞。腰骶部MR平掃+增強示：骶1、2椎體占位性病變，考慮神經(jīng)源性腫瘤。術(shù)前經(jīng)切開活檢病理示：梭形細(xì)胞腫瘤，結(jié)合免疫組化結(jié)果支持神經(jīng)源性腫瘤。

3 截骨導(dǎo)板的設(shè)計原則

術(shù)前通過薄層CT掃描(0.625mm)來獲取患者骶骨的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過這些含有腫瘤區(qū)域的CT數(shù)據(jù)，我們使用Aquarius iNtuition Edition軟件(Terarecon Inc,Ver4.46)進行三維重建。由手術(shù)醫(yī)生通過該軟件繪制出腫瘤切除截骨的邊界(圖2)。決定行后路手術(shù)后，我們擬制作一種截骨指示導(dǎo)板，同時為了使導(dǎo)板可以準(zhǔn)確的指示位置，不晃動，通過導(dǎo)板的站立區(qū)使其能夠穩(wěn)定位于骶正中嵴。然后通過與其連接的C形區(qū)來標(biāo)記截骨邊界(圖3)。在設(shè)計完成后，通過3D打印技術(shù)以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Arcylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer,ABS) 制成。

圖2

圖3

4 切除邊界的制定

為了能夠切除腫瘤，且最大限度保留骨組織而減少對脊柱穩(wěn)定性的破壞，制定腫瘤切除的邊界是截骨指示導(dǎo)板制作過程中至關(guān)重要的一步，需要外科醫(yī)生與醫(yī)學(xué)工程師緊密合作并互相交流并改進。工程師能夠把醫(yī)生繪制的切除邊界數(shù)字化連接起來。通過3D打印出的完整骶骨模型及截骨指示導(dǎo)板可以讓醫(yī)生更直觀的觀察手術(shù)區(qū)域的解剖。

5 結(jié)果

通過骶骨后正中入路行腫瘤切除(圖4)，該入路可以較好的暴露骶骨、骶正中嵴、髂骨翼以及周圍的軟組織，必要時還可以向上進一步顯露腰椎。通過術(shù)前規(guī)劃的3D打印模型以及定制的截骨指示導(dǎo)板，進行充分顯露后，將截骨指示導(dǎo)板放置在相應(yīng)區(qū)域，C形區(qū)域可以精準(zhǔn)的指示切除腫瘤所需的截骨范圍(圖5)。截骨完成后，探查腫瘤邊界，沿邊界將探查至腫瘤蒂，術(shù)中見S1神經(jīng)根被腫瘤包繞，小心將S1神經(jīng)根從腫瘤表面剝離后，將腫瘤完整切除。術(shù)中未損傷骶神經(jīng)根，未使用內(nèi)固定以預(yù)防脊柱不穩(wěn)。術(shù)后癥狀明顯緩解，3個月隨訪腰部活動良好，無疼痛不適，未見明顯脊柱不穩(wěn)征象。通過截骨指示導(dǎo)板的使用，我們最大限度保留了正常骨組織，并成功切除了巨大侵襲性骶骨神經(jīng)源性腫瘤(圖6)。

圖4

6 討論

通過使用CAD軟件進行虛擬手術(shù)規(guī)劃在臨床中越來越受歡迎，3D打印時代的到來極大提高了外科手術(shù)的精準(zhǔn)性和可預(yù)測性。[7-8]此外，通過該技術(shù)還能夠進行各種測量、編輯、數(shù)據(jù)計算等，為醫(yī)生提供了清晰的解剖以及生動的解剖結(jié)果預(yù)覽?；贑T數(shù)據(jù)生成的3D模型，精準(zhǔn)的手術(shù)切除模式可以術(shù)前預(yù)先在計算機上模擬出來，通過這項現(xiàn)代科技的應(yīng)用，外科醫(yī)生能夠更加精準(zhǔn)和自信的進行手術(shù)。

圖5

圖6

過去醫(yī)生僅僅能夠通過術(shù)前的2D或2.5D影像學(xué)圖像信息和術(shù)中直視下確定腫瘤的切除范圍和邊界，并且往往通過術(shù)中冰凍切切片確定安全切除范圍[9]。在術(shù)中做出這些決定通常較為困難，然而通過這種定制的截骨指示導(dǎo)板結(jié)合術(shù)中冰凍切片，我們就更準(zhǔn)確判斷腫瘤的切除邊界。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，因其能夠提供模擬出高質(zhì)量和清晰的解剖細(xì)節(jié)，并借助生物材料制作出來[10]。通過醫(yī)生及工程師的跨學(xué)科協(xié)作，用3D打印技術(shù)制作出這樣一種用來指示骶骨巨大侵襲性神經(jīng)源性腫瘤的截骨指示導(dǎo)板。與傳統(tǒng)手方式相比，它對于腫瘤切除邊界的確定更為精準(zhǔn)。

在該病例中，使用患者的CT掃描數(shù)據(jù)通過醫(yī)院提供的影像歸檔和通信系統(tǒng)(Picture Archiving and Communication System,PACS)中Aquarius iNtuition Edition軟件進行三維重建，并通過3D打印機制作出包含腫瘤的骶骨模型。為了能夠使該工具能夠精準(zhǔn)的指導(dǎo)手術(shù)，它需要較高的穩(wěn)定性，即術(shù)中放置的位置與計劃的位置相符合，不發(fā)生位移。我們設(shè)計該截骨指示導(dǎo)板緊貼近于骶正中嵴，并通過手持部分醫(yī)生能夠握持該工具緊貼骨面不移動。該截骨導(dǎo)板術(shù)前通過環(huán)氧乙烷滅菌，通過它的使用不但減少了手術(shù)時間，還提高了切除邊界的精確性。

雖然文章描述了該工具的諸多優(yōu)勢，但其仍存在一些局限性。首先，這項研究僅為一例病例報告，隨訪時間僅3個月。其次，對于該截骨指示工具的優(yōu)勢無法與類似病例進行對照研究。不過，對于目前該技術(shù)在未來進一步的應(yīng)用仍需要醫(yī)生和工程師之間的合作。

7 結(jié)論

最后，該研究初步證明了虛擬手術(shù)規(guī)劃和3D打印技術(shù)在制作基于影像數(shù)據(jù)的定制化手術(shù)工具的可行性。未來3D打印快速成型技術(shù)在復(fù)雜腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用將成為主流，我們相信這項技術(shù)未來在復(fù)雜腫瘤切除中的應(yīng)用會具有較大價值。