多模態(tài)影像融合聯(lián)合多介質(zhì)3D打印在復(fù)雜頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用

何光建，薛興森，陳欣，張洪燕，劉靜靜，林江凱，儲衛(wèi)華

頸段椎管內(nèi)外溝通性腫瘤比較常見，占頸椎管腫瘤的比例可達(dá)30%[1-3]。復(fù)雜的頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤常嚴(yán)重壓迫脊髓、破壞頸椎骨質(zhì)、侵犯椎動脈，涉及重要結(jié)構(gòu)多、解剖復(fù)雜，手術(shù)全切難度大、風(fēng)險大[4-6]。一種影像學(xué)檢查方法并不能對各種組織都清楚顯示，如MRI對腫瘤顯像、CT薄層掃描對骨質(zhì)顯像、CTA對血管顯像有明顯的優(yōu)勢；而構(gòu)建準(zhǔn)確的術(shù)區(qū)重要組織結(jié)構(gòu)的三維模型，為術(shù)者提供病變區(qū)域的全景影像，將有助于提高腫瘤全切率、降低手術(shù)誤傷風(fēng)險。陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院(西南醫(yī)院)神經(jīng)外科2016年1月—2020年9月收治21例復(fù)雜頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤患者，在術(shù)前對患者的MRI、CT薄層掃描、CTA檢查信息通過多模態(tài)影像AI融合技術(shù)，構(gòu)建腫瘤、血管、骨質(zhì)三介質(zhì)的三維可視化數(shù)字模型，并通過多介質(zhì)3D打印技術(shù)將模型實體化，用于規(guī)劃手術(shù)方案、指導(dǎo)術(shù)中操作，取得了良好效果。現(xiàn)分析報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組患者中男12例，女9例；年齡16～69歲，平均年齡43.2歲；主要臨床表現(xiàn)為頸部疼痛19例(90.5%)、肢體麻木疼痛17例(80%)、肢體無力7例(33.3%)和括約肌功能障礙2例(9.5%)。同時滿足下列3個條件的頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤定義為復(fù)雜頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤：(1)腫瘤長徑超過4 cm；(2)破壞脊柱骨質(zhì)；(3)包裹或擠壓椎動脈。

1.2 方法

1.2.1 多模態(tài)影像融合聯(lián)合3D打印 所有患者術(shù)前均行頸椎MRI、CT薄層掃描及CTA檢查。將MRI、CT薄層掃描及CTA檢查數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出，導(dǎo)入3D Slicer(Version 4.10.2)軟件中；采用動態(tài)自適應(yīng)區(qū)域生長的分割方法，根據(jù)腫瘤、骨質(zhì)、血管的信號值和密度值差異，分割出目標(biāo)區(qū)域的圖像，提取相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)。基于CT影像重建出脊柱骨質(zhì)，基于CTA影像重建出椎動脈、頸內(nèi)動脈、頸內(nèi)靜脈等大血管，基于CT及MRI融合影像重建出腫瘤的三維數(shù)字模型。通過軟件自動分割及手動調(diào)整去除冗雜數(shù)據(jù)，剔除無關(guān)的組織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化三維虛擬模型。并根據(jù)CT原始坐標(biāo)系，用AI技術(shù)將腫瘤、血管和脊柱骨質(zhì)等組織融合，獲得同一坐標(biāo)系下各組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合三維可視化虛擬模型，直觀地顯示腫瘤與毗鄰區(qū)域骨骼及神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)之間的立體結(jié)構(gòu)關(guān)系。再應(yīng)用多介質(zhì)3D打印技術(shù)，將三維可視化模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Magics軟件(Version 21.0)，采用立體光固化成形技術(shù)，打印制作出與實際大小一致的實體模型。對需要內(nèi)固定的患者，同時在模型上設(shè)計并打印出最佳釘?shù)馈?/p>

1.2.2 手術(shù)方法 根據(jù)患者腫瘤、血管、脊柱骨質(zhì)的三維可視化數(shù)字模型和3D打印實體模型，設(shè)計手術(shù)入路并用于術(shù)中指導(dǎo)操作。常規(guī)手術(shù)準(zhǔn)備，按照如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行入路選擇：(1)對椎間孔外直徑≤2 cm的腫瘤實施單純后路切除；(2)對椎間孔外直徑>2 cm的腫瘤實施前后聯(lián)合入路切除；(3)對未突破椎間孔內(nèi)側(cè)的腫瘤實施單純前路或側(cè)路切除。根據(jù)多介質(zhì)3D打印實體模型顯示的腫瘤對脊柱骨質(zhì)侵蝕程度和術(shù)中需要咬除的骨質(zhì)范圍，達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)之一的患者建議實施一期內(nèi)固定：(1)側(cè)塊關(guān)節(jié)完全破壞；(2)椎體骨質(zhì)破壞超過1/2；(3)側(cè)塊關(guān)節(jié)合并椎體骨質(zhì)破壞均在1/3～1/2之間。

2 結(jié) 果

2.1 多模態(tài)影像融合聯(lián)合3D打印指導(dǎo)手術(shù)的效果 本組患者術(shù)前均構(gòu)建了多模態(tài)影像融合的三維可視化數(shù)字模型和3D打印實體模型，清晰立體地顯示腫瘤與脊柱骨質(zhì)、大血管(椎動脈、頸動靜脈)的位置關(guān)系，較二維及單模態(tài)影像提供了更加豐富全面的解剖結(jié)構(gòu)信息(圖1)。所有患者均有側(cè)塊及椎弓根的破壞，伴椎體骨質(zhì)破壞者7例，其中2例患者的破壞程度超過1/2；腫瘤包裹椎動脈的患者9例，壓迫椎動脈的患者12例，對頸部血管鞘有顯著擠壓的患者4例。手術(shù)全部按照模型設(shè)計的入路進(jìn)行，其中實施單純后路切除者12例、前后聯(lián)合入路者7例、單純前路和側(cè)路者各1例。本組患者的腫瘤均實現(xiàn)了鏡下全切；術(shù)后病理診斷：神經(jīng)鞘瘤17例、神經(jīng)纖維瘤2例、孤立性纖維瘤1例、血管淋巴管瘤1例。同期行單獨后路側(cè)塊或椎弓根釘棒內(nèi)固定者7例，行單側(cè)后路釘棒聯(lián)合前路椎體切除椎間融合(ACCF)固定者2例(圖2)。

A：頸椎CT薄層掃描骨窗位示頸7右側(cè)椎弓根缺失、椎體部分破壞；B：CT增強(qiáng)掃描示腫瘤部分強(qiáng)化；C：軸位; D：矢狀位; E：冠狀位，MRI增強(qiáng)掃描示腫瘤明顯強(qiáng)化；F：CTA; G：多模態(tài)影像融合重建清晰顯示腫瘤與周圍結(jié)構(gòu)關(guān)系；H-J：多介質(zhì)3D打印模型顯示腫瘤及頸椎和動靜脈血管(黃色—腫瘤，白色—骨質(zhì)，紅色—動脈，藍(lán)色—靜脈)

A：術(shù)前頸椎CT薄層掃描骨窗位示頸5椎體破壞、左側(cè)椎弓根缺失；B：CT增強(qiáng)掃描示腫瘤無強(qiáng)化；C：軸位; D：矢狀位; E：冠狀位，MRI增強(qiáng)掃描示腫瘤明顯強(qiáng)化；F：血管與骨質(zhì)影像融合重建；G：3D打印模型；H-J：術(shù)后MRI增強(qiáng)掃描示腫瘤全切；K：術(shù)后X線片示，前方頸5椎體次全切植骨融合內(nèi)固定(ACCF)聯(lián)合單側(cè)后方側(cè)塊釘棒內(nèi)固定

2.2 手術(shù)療效及預(yù)后 術(shù)后，本組患者中頸部疼痛改善者17例(17/19，89.5%)，肢體麻木疼痛改善13例(13/17，76.5%)，肢體無力改善4例(4/7，57.1%)，括約肌功能障礙改善2例(2/2，100%)。有2例患者的神經(jīng)損傷癥狀加重(局部感覺減退、部分肌肉肌力下降)，但日常活動均能自理；無癱瘓病例。9例行一期內(nèi)固定的患者共植入螺釘41枚，均位置良好，未出現(xiàn)脊髓、大血管及相鄰臟器損傷等并發(fā)癥。本組患者術(shù)后隨訪6～52個月，平均22.7個月；隨訪期間均無腫瘤復(fù)發(fā)，內(nèi)固定均在位。

3 討 論

椎管內(nèi)外溝通性腫瘤,又稱“啞鈴型”腫瘤，是起源于椎管內(nèi)，通過椎間孔或椎板、椎體間隙等解剖結(jié)構(gòu)，由椎管內(nèi)長出椎管外的一類腫瘤[7]。椎管內(nèi)外溝通性腫瘤在頸段最為多見，也可見于胸、腰段錐體；其中神經(jīng)源性的腫瘤約占椎管內(nèi)外溝通性腫瘤的95%[8]。對于復(fù)雜的頸椎管內(nèi)外溝通行腫瘤的手術(shù)治療，考慮到其與椎動脈、椎弓根、橫突、錐體前外側(cè)部分以及大多數(shù)頸神經(jīng)根的近端有密切關(guān)系，此類手術(shù)對術(shù)前評估、手術(shù)方案制定、手術(shù)操作等方面均有較高要求[9-10]。充分了解患者以上解剖結(jié)構(gòu)，以及其與瘤體之間的相互關(guān)系，為腫瘤一期全切、血管神經(jīng)保護(hù)及脊柱穩(wěn)定性保護(hù)與重建提供了更好的保證。各種傳統(tǒng)影像學(xué)檢查雖然各具特點，但由于其成像原理的不同，單模態(tài)影像學(xué)檢查信息量比較片面，存在著各自的不足，很難做到在單一模態(tài)下對所有組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行清晰顯像。如MRI檢查的優(yōu)勢在于對軟組織和神經(jīng)結(jié)構(gòu)的分辨率高，但對骨質(zhì)和血管的顯示不夠清楚；而CT薄層掃描能提供高分辨率的骨結(jié)構(gòu)影像，CTA能顯示清晰的血管影像，但對腫瘤等軟組織的顯像通常不佳。術(shù)者往往只能通過空間擬合的方式，將在MRI檢查中觀察到瘤體的大致情況，轉(zhuǎn)換到CT三維重建的圖像中的椎體；增加了術(shù)者準(zhǔn)確判斷腫瘤與周圍解剖結(jié)構(gòu)位置關(guān)系的難度。對復(fù)雜的頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤，建立術(shù)區(qū)解剖的三維結(jié)構(gòu)影像尤為重要。傳統(tǒng)單模態(tài)影像使術(shù)者難以精準(zhǔn)評估腫瘤與重要組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在手術(shù)全切腫瘤時易誤傷椎動脈，導(dǎo)致災(zāi)難性后果；而如手術(shù)偏保守時又會殘留腫瘤，需要二次甚至多次手術(shù)[11-15]。因此，構(gòu)建腫瘤與周圍重要組織結(jié)構(gòu)的三維影像對精確評估術(shù)區(qū)解剖、降低術(shù)后血管神經(jīng)損傷并發(fā)癥有重要意義。

隨著計算機(jī)輔助手術(shù)、3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)在輔助手術(shù)治療，特別是神經(jīng)外科手術(shù)方面得到越來越多的關(guān)注[16]。將2D影像或相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化以3D視角展示，為以解剖學(xué)知識為基礎(chǔ)的外科手術(shù)提供了極大的便利。在頸椎內(nèi)固定手術(shù)方面，Kawaguch等應(yīng)用3D打印技術(shù)構(gòu)建手術(shù)導(dǎo)航模型，開發(fā)了一種使用三維圖像引導(dǎo)的頸椎椎弓根螺釘和Magerl螺釘植入的新技術(shù)，取得了滿意的手術(shù)效果[17]。Lu等則通過使用3D打印的導(dǎo)板，開發(fā)出一種新型計算機(jī)輔助鉆孔引導(dǎo)模板放置頸2椎板螺釘?shù)募夹g(shù)，能在術(shù)前制定螺釘安放軌跡及提前調(diào)整安放螺釘大小，將螺釘更安全地固定于環(huán)樞椎這一曾經(jīng)的“手術(shù)禁區(qū)”[18]。然而，這類單一的3D數(shù)字及打印模型在神經(jīng)外科臨床應(yīng)用中還存在不足，應(yīng)用價值有限。由于大多數(shù)常見臨床應(yīng)用的3D打印模型都是使用CT作為單一的成像源來創(chuàng)建的，因此只能對諸如骨骼等解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確分割[19]。而對于顱腦和脊柱腫瘤手術(shù)來說，更要關(guān)注瘤體與神經(jīng)和血管的位置關(guān)系。CT對軟組織的顯像對比度遠(yuǎn)不及MRI，無法高精度地區(qū)分病變與神經(jīng)血管之間的解剖關(guān)系[20]，所以在神經(jīng)系統(tǒng)病變單純使用CT進(jìn)行3D打印建模是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如何融合兩個乃至多個成像模態(tài)的數(shù)據(jù)，獲得更加真實、準(zhǔn)確的“雜交”3D數(shù)字及打印模型，是其在神經(jīng)外科臨床應(yīng)用的主要難題。

通過將CT或MRI設(shè)備在協(xié)議上進(jìn)行適配，能夠?qū)⒉煌上裨硐碌玫降亩喾N圖像進(jìn)行空間配準(zhǔn)和疊加，使得多模態(tài)影像融合更為精準(zhǔn)和便捷。在經(jīng)過提取單模態(tài)影像的目標(biāo)組織數(shù)據(jù)，刪除其他組織的冗余信息等后處理過程后，綜合各種模態(tài)影像檢查的優(yōu)勢，從而克服單一影像模式的局限性，得到更為準(zhǔn)確、全面、嚴(yán)謹(jǐn)及更具細(xì)節(jié)的影像學(xué)信息[21-23]。而這些影像學(xué)信息，也為生成高質(zhì)量的3D重建圖像，乃至更精確地生成可打印的3D模型成為可能[24]。有研究表明，以3D打印模型制定的頸椎外科手術(shù)計劃，能通過減少手術(shù)時間和術(shù)后并發(fā)癥提高外科手術(shù)的安全性[25-26]，使外科醫(yī)生獲得技能訓(xùn)練的方式也得到了改進(jìn)[27]，促進(jìn)了患者個體化的精準(zhǔn)治療[28]。

本研究將MRI影像中的腫瘤和神經(jīng)、CT薄層掃描中的骨質(zhì)及CTA中的血管數(shù)據(jù)提取后，通過多模態(tài)影像融合技術(shù)將腫瘤、骨質(zhì)、血管三種與手術(shù)密切相關(guān)的組織進(jìn)行三維融合，重建了頸椎管內(nèi)外腫瘤術(shù)區(qū)的立體解剖結(jié)構(gòu)，再現(xiàn)了腫瘤與毗鄰重要結(jié)構(gòu)的三維位置關(guān)系。同時通過多介質(zhì)3D打印技術(shù)，將數(shù)字影像轉(zhuǎn)為實體模型，進(jìn)一步提升了可視化和直觀性。本研究對21例復(fù)雜頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤患者，應(yīng)用多模態(tài)影像融合的數(shù)字及實體模型指導(dǎo)制定手術(shù)計劃和術(shù)中實時導(dǎo)航參照；實現(xiàn)了所有患者的腫瘤一期全切除，同時對椎動脈和脊髓零損傷；腫瘤全切率較以往同類手術(shù)有明顯的提升，而并發(fā)癥發(fā)生率明顯降低[29-30]。多模態(tài)影像融合及多介質(zhì)3D打印技術(shù)用于復(fù)雜頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤手術(shù)的主要優(yōu)勢在于：(1)多模態(tài)數(shù)字及實體模型直觀呈現(xiàn)了骨、血管、腫瘤三種主要組織解剖關(guān)系，能顯示二維影像不能分辨的一些隱匿信息。如可以了解椎動脈在腫瘤中的走行，指導(dǎo)術(shù)中采取保護(hù)措施避免損傷；(2)3D打印模型對手術(shù)操作有很好的指導(dǎo)作用，方便術(shù)中實時參考椎動脈的走行，避免誤傷，還可計劃多種切除路徑，減少對關(guān)鍵骨質(zhì)的破壞，避免術(shù)后出現(xiàn)脊柱不穩(wěn)。對需要進(jìn)行脊柱內(nèi)固定的患者3D模型不僅給予直觀參考，還可利用導(dǎo)板術(shù)中準(zhǔn)確定位進(jìn)針點和方向以指導(dǎo)置釘；(3)便于病情告知，提高溝通效率。患者及其家屬可直觀了解病情的復(fù)雜性和手術(shù)相關(guān)風(fēng)險，減少溝通障礙和時間；(4)良好的臨床教學(xué)工具。作為臨床手術(shù)培訓(xùn)教具，能使年輕醫(yī)生快速掌握相關(guān)知識和理解手術(shù)方案，不僅利于提高考試成績，也可使其作為助手能更好地配合術(shù)中操作。

綜上所述，多模態(tài)影像融合聯(lián)合多介質(zhì)3D打印技術(shù)能直觀地顯示，復(fù)雜頸椎管內(nèi)外溝通性腫瘤患者的骨、血管與腫瘤的三維空間位置關(guān)系；有助于術(shù)前手術(shù)規(guī)劃和術(shù)中對神經(jīng)血管和脊柱穩(wěn)定性的保護(hù)，提高了腫瘤全切率、降低了并發(fā)癥；具有重要的臨床應(yīng)用和教學(xué)價值，值得推廣應(yīng)用。