基于3D打印技術的乳腺腫瘤精準定位改進方法及輔助裝置的研究

楊穎，秦鑫，周雪芳，張穎，徐方園，劉仕露，范金蕾，王傳兵,3

1. 南京醫科大學 醫學影像學院，江蘇 南京 210029 ；2. 江蘇艾迪爾醫療科技股份有限公司，江蘇 張家港 215625；3. 南京醫科大學第一附屬醫院 放射科，江蘇 南京 210029

引言

乳腺癌是常見的惡性腫瘤之一，且目前發病率呈上升趨勢，研究表明乳腺癌病變早期是最有效的治療時間，可降低40%的死亡率[1]。隨著醫療器械及3D打印技術的發展，乳腺癌的治療理念從可耐受最大治療逐漸向最小有效治療轉變[2]，乳腺癌患者對保乳手術的需求增加。乳腺組織脂肪豐富，外力易使其變形，腫瘤位置不易確定。因此，保乳手術也對精準定位乳腺腫瘤提出了更高的要求。

目前臨床上對于乳腺腫瘤定位的選擇有：① 臨床醫生經驗觸診；② B超定位；③ 導絲穿刺定位。常規采用定位導絲穿刺法定位乳腺腫瘤，即術前在X線或超聲引導下將導絲放入乳腺病灶處[3]。但是這些操作會增加患者額外疼痛和經濟開銷，且X線有輻射、分辨率較低。超聲對部分微小病灶不易檢出，易產生偽像，導致定位不準、二次手術疼痛等問題。乳腺腫瘤的診斷、定位、評估中，乳腺MR必不可少。乳腺磁共振與B超、鉬靶X線相比，乳腺磁共振具有敏感度高、特異性強等特點，同時還具有較高的軟組織分辨率[4]。研究發現采用MR測量殘余腫瘤的最大徑、最大截面積和體積與病理測量結果呈正相關，并認為乳腺MR三維重建技術可準確評估殘余腫瘤的體積[5]。

目前已有相關研究表明，保乳手術治療早期乳腺癌患者具有效果確切、手術時間短、切口小、術后恢復快等特點，同時可保持乳房外觀，復發率和轉移率較低，可有效改善患者生活質量[6]。且有相關文獻報道保乳術與改良根治術治療早期乳腺癌在生存期方面無差異[7-8]。

隨著醫學影像學的三維重建技術及三維打印技術迅速發展，其可為術者提供更直觀、精確的病變位置，空間解剖結構及形態、容積等信息，為制定手術方案、術后個體化重建及評估化療效果等提供幫助[9]。近十年來，三維重建技術及三維打印技術因其可以實現復雜、個性化產品的快速制作，在醫學上已廣泛應用于整形外科、頜面外科、骨科等的臨床診療[10-11]。2016年韓國已率先將3D打印應用于乳腺腫瘤精確切除[12]，2016年江蘇省人民醫院在臨床工作中也已經應用3D打印技術指導乳腺腫瘤精細手術[13]，2015年湖南省腫瘤醫院腫瘤整形外科也在這方面取得成就[14]。3D打印技術應用于乳腺腫瘤的手術治療，對提升復雜乳腺手術的安全性、加快手術速度、提高手術精確性有較大幫助。因此，在乳腺外科精準手術治療方面具有極大的應用前景。

1 設計

1.1 現有3D打印乳腺腫瘤定位方法及其缺陷

乳腺主要由脂肪和結締組織組成，重力作用易使其變形，常規乳腺線圈設計為俯臥位檢查方式而乳腺手術為仰臥位，導致腫瘤定位不精確。對于這個矛盾，解決辦法為：應用MR圖像結合3D打印技術精確定位腫瘤手術邊緣。

韓國已率先將3D打印技術應用于乳腺腫瘤精確切除，其應用流程為：標準俯臥位MR→仰臥位MR掃描單個序列→利用Mimics和3-Matics軟件進行圖像分割、圖像重構、導航儀設計→3D打印導航儀→應用導航儀腫瘤邊緣注射亞甲基藍→手術精確切除腫瘤，見圖1。

圖1 流程圖

該方法存在以下缺陷：① 沒有專門用于乳腺仰臥位攝影的線圈，仰臥位MR圖像不清晰，不利于圖像重建及腫瘤邊緣準確切割；② 腹部線圈或者心臟線圈用于仰臥位拍攝，線圈重力作用會使乳腺變形，不準確性增加；③ 先俯臥位掃描后仰臥位掃描，換線圈耽誤時間，造成造影劑流出，導致腫瘤邊界難確定；④ 俯臥位腫瘤在仰臥位圖像上擬合困難（圖2）。

圖2 仰臥位及俯臥位乳腺MR圖像

1.2 創新乳腺MRI結合3D打印技術方法

為了解決上述問題，本團隊設計出了一套乳腺腫瘤磁共振檢查精確定位輔助裝置并改進了工作流程。輔助定位裝置的目的是在拍攝俯臥位磁共振時固定乳腺，使乳腺俯臥位和手術室仰臥位乳腺形態一致，解決俯仰位乳腺MR圖像擬合的問題，且無需導絲穿刺，減少患者額外疼痛，同時可精準定位腫瘤。

改進后的工作流程：患者穿戴定位輔助裝置→拍攝并獲取乳腺MR俯臥位圖像→圖像導入Mimics和3-Matic軟件，進行腫瘤分割及乳腺表面三維重建，應用3-Matic軟件進行個性化定位裝置guide的設計→3D打印出定位guide→術前注射定位亞甲基藍，標記腫瘤邊緣→術中精準腫瘤切除（圖3）。

圖3 創新乳腺MRI結合3D打印技術乳腺定位工作流程

1.2.1 定位輔助裝置的設計

精準定位輔助裝置的定位罩杯中心孔供患者乳頭露出；依據乳腺大小調節罩杯內圈圓形可調節帶，使罩杯貼附乳腺表面；調節兩側肩帶長短、背帶魔術貼，使定位罩杯貼附身體以更好地固定乳腺。精準定位裝置在圓孔邊設置兩個方向標識，第一方向標識指向對側乳頭，第二方向標識指向劍突。

魚肝油體位定位標記小孔解決俯臥位到仰臥位的體位變換問題的思路：患者穿戴的定位輔助裝置（圖4a）上有三角形分布的魚肝油小孔并貼上三粒標記魚肝油→患者乳腺表面也在魚肝油相應位置處標記三角形分布的簽字標簽→重建MR圖像魚肝油標志→MR圖像經Mimics和3-Matic軟件處理后，3D打印出guide（有束縛乳腺的作用），guide上也有對應的三個魚肝油小孔→手術中，病人穿戴guide時其上面的魚肝油小孔與乳腺表面簽字標志對應，則說明3D打印guide與乳腺形態完全貼合，束縛乳腺仰臥位和俯臥位乳腺形狀一致（圖4b，4c）。該定位輔助裝置的作用是固定乳腺形狀，使俯臥位MR檢查時的乳腺形狀與仰臥位手術時基本一致，因此不再需要做仰臥位MR檢查，就可利用仰臥位乳腺MR圖像進行腫瘤分割及乳腺表面三維重建，解決了之前仰臥位乳腺MR圖像與俯臥位MR圖像的擬合困難的問題。這是本方法的一大創新點。

圖4 精準定位輔助裝置魚肝油位置

1.2.2 3D打印guide的設計

Mimics是一個連接MR圖像數據和三維工程學應用的圖像處理工具，能夠從醫學數據中選擇特定的感興趣區城進行三維重建，可對重建模型進行距離、面積、角度的測量。目前臨床上已有利用此軟件進行骨骼、肝臟等人體臟器的重建的例子[15-16]。

在本方法中，獲取乳腺MR圖像后導入Mimics和3-Matic軟件，應用Mimics軟件進行腫瘤分割及乳腺表面三維重建（圖5），應用3-Matic軟件進行個性化定位裝置guide的設計（圖6），并選擇合適的3D打印機打印出guide（圖7）。其包括使患者乳頭露出的中心孔、穿戴定位小孔、腫瘤定位小孔、方向標識、圓形注射孔等，其余部分為網狀中空結構，節省材料和打印時間。guide在圓孔邊設置兩個方向標識，第一方向標識指向對側乳頭，第二方向標識指向劍突。圓柱注射孔采用透明材料，內直徑為5.5 mm，高度為5 cm；其外表面設置有刻度尺，刻度尺上標識對應圓柱注射孔位置到腫瘤邊緣的距離；其內表面設置有卡槽。定位裝置的圓柱注射孔及注射深度依據患者MR乳腺腫瘤圖像邊緣應用3-Matics軟件設計完成。

測量研究的13例患者腫瘤與邊緣的距離，所有患者均有明確的切緣，腫瘤邊緣至組織切緣的中位距離為1.65 cm，標準差為0.05 cm。3D打印guide為乳腺腫瘤的手術定位提供了極大的便利，相比之前使用的3D定位裝置，本方法提高了腫瘤的定位精度，節省了打印材料和打印時間（圖8）。

圖5 Mimics軟件處理前后仰臥位腫瘤邊界

圖6 3-Matic導航儀設計

圖7 guide實驗草圖

圖8 乳腺3D定位裝置的發展

2 使用方法

手術時，患者麻醉后戴上個性化設計的guide，手術醫生在guide的指引下對腫瘤進行精準切除。患者術中應用3D打印定位guide時，只需將乳腺表面簽字筆三個標記與guide上的三個穿戴定位小孔相對應即表示3D打印guide與乳腺形態完全貼合一致。通過guide上的圓柱注射口向腫瘤邊緣5 mm處注射亞甲基藍以標出腫瘤需要切除的邊緣。手術切除時切除被染色乳腺組織即表示腫瘤及其邊緣被切除干凈。亞甲基藍染色定位方法具有定位準確、經濟、簡便及變態反應少的優點[17]，不存在附加風險。目前臨床上已有利用亞甲基藍染色定位組織、腫瘤等的實驗研究，且證明了其標記作用和臨床應用價值[18-20]。

3 結果

常規保乳手術切除法及3D打印精準定位法各選取了13例保乳手術乳腺腫瘤切除病例，測量切除后的腫瘤邊緣至組織切緣的中位距離（圖9），3D打印精確定位法的距離為：（1.65±0.05）cm，常規保乳手術切除法的距離為：（1.86±0.11）cm（t=-7.1，P＜0.001），兩者比較有明顯統計學意義，新方法切除的腫瘤邊緣至組織切緣的中位距離明顯小于老方法，說明使用本定位輔助裝置的改進新方法在保證切干凈乳腺腫瘤的基礎上盡量保存了正常的乳腺組織，最大程度的保留了患者乳腺組織。

圖9 手術切除后不同形狀腫瘤的最大徑測量

4 討論

與前人的乳腺腫瘤定位方法相比，本改進方法優點：① 此方法創造性地提出了讓患者在做磁共振檢查前穿戴定位輔助裝置的方法，解決了患者從MR圖像俯臥位到手術時仰臥位的體位變化造成的乳腺變形及腫瘤移位的問題，不需要進行俯臥位到仰臥位腫瘤擬合，解決了俯臥位與仰臥位MR圖像擬合的困難及仰臥位磁共振因沒有專用線圈而導致圖像質量下降的問題，減少檢查時間；② 關于3D打印guide，本方法增加了穿戴定位三角形小孔，與腫瘤定位小孔相結合，提高了手術時的定位精度；③ 滿足定位需求的中空形狀的guide，節省了3D打印材料和打印時間，提高了工作效率，減少經濟花費。缺點：① 做MR檢查時多了穿戴輔助定位裝置的步驟，但沒有額外痛苦；② 多掃描一個仰臥位MR序列，但是沒有輻射不會對患者產生額外影響；③ 手術時多一次定位guide消毒處理。

目前，國外乳腺三維重建技術及三維打印技術已用于對乳腺腫瘤切除的手術指導、個性化治療、乳腺重建（自體脂肪及組織皮瓣移植等）及放化療術后評價等的研究，國內則主要用于指導乳腺腫瘤切除手術及評價化療藥效果[21-22]。不可否認的是，3D打印技術在國內乳腺方面的應用仍不能用大規模來形容。雖然我國女性罹患乳腺癌的年齡呈現年輕化趨勢，但大部分患者的觀念仍是“救命為主”，拒絕保乳手術及額外花費[23]。另外，國內醫療水平的限制、3D打印成本高等，都是目前需要解決的難題。3D打印技術與保乳手術的結合在將來會有越來越多的應用和研究，希望本文提供的輔助定位裝置及改進方法能為解決這些問題提供一些幫助。