自主3D打印技術在神經外科的應用價值探索

游慧超 李文琦 孫登江 歐陽和平

1江漢大學附屬湖北省第三人民醫院神經外科，武漢 430032；2江漢大學附屬湖北省第三人民醫院超聲科，武漢 430032

隨著技術和材料的發展，3D 打印技術目前被越來越多地應用于神經外科，對顱腦手術定位定向［1-2］、手術規劃［3］和教學演示［4-6］等起到重要作用。該技術可使手術更加簡單、便捷且精準，具有廣闊的應用前景，然而受費用和耗時等各方面的影響［7］，3D 打印技術并沒有推廣普及。醫生自主設計制作患者個性化3D 打印器材，可節省打印耗時、減少費用、擺脫3D 打印公司的限制，自由設計個性化手術導板及三維影像模型，促進3D 打印在醫療領域的應用與推廣。本研究介紹江漢大學附屬湖北省第三人民醫院神經外科自主設計制作3D 打印器材的經驗與效果，分析其應用價值，以供同行借鑒。

資料與方法

1、一般資料

選擇2021 年2 月至11 月在江漢大學附屬湖北省第三人民醫院利用3D打印輔助顱腦手術的6例患者。其中高血壓腦出血2 例、顱內腫瘤2 例、顱內動脈瘤2 例；男4 例，女2 例；年齡34～73 歲，平均53.7 歲。具體病例信息見表1。本研究選用3D-Slicer軟件進行影像重建及模板制作，采用Ultimaker Cura 軟件設計打印流程并切片，選用熱熔堆積固化成型打印機，打印材料為PLA（聚乳酸）材料，三維建模、切片設計及3D 打印均由同一名醫師制作。本研究取得江漢大學附屬湖北省第三人民醫院倫理委員會同意及患者知情同意。

2、三維建模方法

下載患者的CT（圖1A）或磁共振的DICOM 數據，導入3D-Slicer 軟件，在Segment Editor 模塊中利用Threshold 與Paint 等工具進行目標病變分割，建立血腫、腫瘤、顱骨及頭皮等結構的三維模型。如需設計穿刺導板，則在Segment Editor 模塊內利用Margin、Logical Operators、Subtract 等工具制作好頭皮貼合模塊；根據血腫形態與手術入路，利用Curve Maker 模塊與Segment Editor 模塊設計穿刺通道，然后利用Logical Operators 將上述貼合模塊與穿刺通道進行融合，最后利用剪刀工具把模塊修剪成最終需要的形狀，建立個性化的指向病變的穿刺導板三維模型（圖1B）。

3、模型與導板的打印方法

將制作好的模型以stl 格式保存，并導入Ultimaker Cura軟件，根據模型的形態與打印機的類型設計合適的打印角度，制作切片數據（圖1C），將數據導入3D打印機進行打印。將打印的支撐結構（圖1D）進行拆除，用剪刀與打磨工具將支撐結合處打磨平整。

4、手術方法

將打印的導板與患者相應部位貼合，進行初步的定位，用記號筆標記病變的體表投影部位與穿刺點，設計手術切口，消毒鋪巾，將包裝消毒好的導板再次貼合于相應部位，確認匹配準確后在導向孔的指引下（圖1E），根據軟件測量的深度進行穿刺。在模型的實物下觀察病變形態與解剖結構關系。將打印的動脈瘤病例模型，觀察前床突與動脈瘤的位置關系，判斷開顱動脈瘤夾閉術中是否需要磨除前床突及是否需要進行顱外段頸內動脈阻斷；觀察動脈瘤與載瘤動脈的形態，輔助動脈瘤栓塞術中微導管的塑形。

圖1 血腫穿刺導板的制作與應用示意。A 為額葉出血的CT影像。B 為用3D-Slicer軟件制作導板示意圖；紅色為血腫建模，淡綠色為制作的穿測導板，貼合于面部，藍色為穿刺路徑示意，可測量穿刺深度為7 cm。C 為導板數據導入Ultimaker Cura 軟件進行切片處理，圖為打印材料走線預覽，紅色為導板模型，青色為支撐材料；盡可能使支撐面避開貼合面與穿刺通道。D為導板的打印模型，導板下方有大量支撐結構（黑箭），需要拆除。E 為打印好的穿刺導板用于引導穿刺手術示意；導板貼合面部，從導向孔（紅箭）置入7 cm深度即可。F為術后圖，可見引流管位于血腫中央

5、效果判定標準

血腫穿刺導板能一次穿刺血腫且復查CT 導管頭位于血腫腔內為滿意，不能為差；定位導板能用于定位且根據其定位的手術切口能精準顯露顱內病變為滿意，不能為差；模型能用于指導手術術前規劃為滿意，不能為差。

結果

6例患者均成功進行三維建模，建模平均耗時15～52 min，平均31.2 min。4 例患者的導板與2 例患者的模型均3D 打印成功，打印耗時12～1 419 min，平均343.0 min（表1）。2 例導板均能與面部完全貼合，穿刺血腫均一次成功，復查CT 提示引流管頭端均位于血腫腔內，效果滿意；2例腫瘤定位導板打印成功，根據定位孔能快速定位并完成切口設計，術中腫瘤位于切口內，效果滿意。2 例模型均為動脈瘤患者，其中1 例為頸內動脈床突上段大動脈瘤，打印的血管及顱骨模型與三維影像一致，但是模型的血管與其下方的支撐結構相融合，影響動脈瘤與顱骨的分辨（圖2），效果差，但是制作三維模型的過程中獲取的三維立體影像及手術模擬，可以輔助我們判斷動脈瘤與前床突的位置關系；另1 例為眼動脈段動脈瘤，打印的動脈瘤及載瘤動脈模型與三維影像一致，能指導微導管的塑形，微導管一次塑形后即可到位進入動脈瘤瘤體，效果滿意。自主3D 打印能滿足手術的需求，用于引導穿刺、術前手術模擬與手術規劃；對于復雜且關系緊密的結構，自主3D 打印技術獲取的三維建模影像與打印模型，二者相輔相成，可共同引導手術的進行。

圖2 模型的制作與應用示意。A為右側頸內動脈床突上段動脈瘤的CT血管造影影像；B為用3D-Slicer軟件制作的動脈瘤與顱骨建模；C為模擬翼點入路可見前床突（綠箭）阻擋載瘤動脈近端顯露；D為模擬切除前床突后的效果，載瘤動脈近端的頸內動脈被顯露（藍箭）；E為打印的動脈瘤模型與右側翼點開顱視野；F為模型的血管與其下方的支撐結構相融合（黃箭），阻擋視野，影響動脈瘤與前床突的細節分辨

表1 6例利用3D打印輔助顱腦手術患者的臨床資料

討論

3D打印技術能實現三維可視化［8］，制作個性化模型，能更加形象、直觀地展示神經、血管、顱骨及顱內病變的形態與相互關系。利用該技術，設計個性化的手術導板，能精準地、個性化地用于顱內病變的定位定向，使手術更加簡單、便捷且精準。該技術順應精準醫學的理念，具有廣闊的應用前景，被越來越多地應用于神經外科［9］。目前該技術主要應用于腦出血穿刺引流術與三叉神經球囊擴張術的導板制作以引導手術［10］；顱腦的模型制作以優化手術方案［11］、模擬手術［12］及教學演示［6］等。有研究認為，3D 打印模型能避免術中對正常腦組織的牽拉和損傷，減少意外，縮短手術時間，提高操作的準確性［10］。然而，當前該技術也面臨著一定的局限性，打印的耗時［13］、導板的設計與溝通及打印的費用是目前限制其普及的主要因素［7］。自主3D 打印可以根據手術團隊自身的需求自由設計符合手術需求的個性化模型，減少導板制作過程不必要的許多中間環節，節省打印時間；同時降低患者的醫療費用。

本研究利用自主3D 打印手術導板用于腦出血及顱內腫瘤的定向定位取得良好效果，打印的血管模型能反映其三維形態與走形，但是打印的顱底結構效果較差，這與我們選用的打印機類型和顱底結構緊湊復雜有關。熱熔堆積固化成型打印機可以快速打印，但是其支撐結構嵌入復雜的顱底結構中容易混成一團，且我們使用的打印機為單色打印，導致顱底結構難以清晰分辨。我們認為，對于簡單結構的導板及模型，自主3D 打印能滿足手術的需求；對于復雜、關系緊密的結構，需要更專業的設計與打印機器。本研究中，導板及模型的制作與設計耗時較短，打印時間差別較大，這也是當前3D 打印技術共同的不足，較長的打印耗時使之難以應用于急診手術。例5打印耗時長達23 h，這與我們初次打印3D 模型時意圖打印整個顱底結構有關，對于實際手術，并不需要打印整個顱腦結構，而只需要打印手術相關區域即可。這也是我們探索自主3D 打印技術的優勢所在，術者可以根據每例手術的實際需要，在滿足需求的前提下選擇最小的打印區域，可以大大節省打印時間與打印耗材。另外，本研究例5 打印的顱底結構并不滿意，但是在制作三維模型的過程中獲取的三維立體影像及手術模擬可以輔助我們判斷動脈瘤與前床突的位置關系，自主3D 打印技術獲取的三維建模影像與打印模型，二者相輔相成，可共同引導手術。

自主3D 打印技術的實現，首先需要將醫學影像進行三維重建，獲得立體可視化的三維影像模型，在此基礎上進一步設計立體定位導板，最后進行三維切片與打印。實現自主3D 打印技術，門檻相對較低，僅需要一臺普通的臺式電腦和3D 打印機，數萬元即可長期用于臨床。相對于向3D打印公司購買服務，自主打印所需的成本極為低廉。掌握3D 打印技術，最重要的是學會醫學三維影像的重建與導板的設計。目前有許多醫學影像處理的軟件，如3D-Slicer 及MIMICS［14］，均可以免費下載獲取，利用上述軟件實現三維影像的重建并不困難，且網絡上有大量關于上述軟件的學習教程與視頻，普通臨床醫師可以在短時間內快速掌握。實現自主3D 打印技術，可為臨床帶來豐富的收益。自主3D打印過程中制作的三維影像數據，不同于第三方付費3D打印服務，可在本醫療機構內隨時調取并閱覽，利于科室進行病例討論、術前規劃、經驗總結及模擬手術［15］，達到預測手術風險、增加精確性、降低風險的效果［16］；同時可根據術者的需求快速設計手術通路與導板，減少遠程溝通帶來的不變與時間成本；最重要的是，節省患者醫療費用的同時，為醫生提供了自由的3D 打印需求。自主3D 打印技術成本低，收益豐富，可行性強，適合各級醫院開展應用。

自主3D 打印技術存在一些局限性，主要有以下三方面：⑴掌握醫學影像后處理重建及3D 打印技術，雖然門檻低，但是耗時耗力，大部分神經外科醫生精力有限，難以持續投入時間與精力于該技術；⑵相對于購買3D 打印服務，本技術的優點在于醫師可以自由設計打印，不受患者費用的約束，但也正因如此，該技術增加科室人力投入的情況下并不增加科室收益，限制該技術的發展；⑶自主3D 打印技術對臨床醫師而言，屬于交叉學科，專業壁壘讓臨床醫師望而止步，自制的打印模型與導板的精確性未經專業的驗證，增加臨床診療的潛在風險。這些局限的存在，限制了自主3D 打印技術的應用與推廣。我們認為，自主3D 打印技術為臨床提供自由的3D 打印服務以輔助精準臨床診療的同時，更多收益在于該技術的潛在價值。科室成熟的自主3D打印技術，可獲取多模態影像融合的三維可視化立體影像和1∶1 的打印模型，對病例討論、術前規劃、模擬手術、經驗總結、病情溝通、臨床教學都有非常重要的作用，對各級醫師加深顱腦解剖結構的理解［17-18］、提高臨床診療能力和手術技能［19-20］都有幫助，雖然不能增加科室收益，但能促進科室發展。臨床醫師的興趣與科室的支持對該技術的應用發展同等重要。當前網絡資源豐富，互聯網中有大量影像建模及3D 打印的教學視頻，臨床醫師學習并掌握該技術應用并不困難。對于初次開展該技術，可以將制作好的模型與三維影像進行測量對比，確定打印成品的精準度，尤其是對于穿刺導板，可將導板成品扣于對應部位再次行影像檢查，明確其定位定向的效果，以提高安全性。

3D 打印技術可實現個性化的精準醫療服務，目前已逐漸應用于腦出血、腦腫瘤、腦血管病及腦功能性疾病的診療，具有廣闊的發展前景［10，21］。自主3D 打印，可優化設計、精簡打印流程、減少耗時、降低費用，是當前環境下促進該技術成熟發展的方式之一。隨著3D 打印技術與打印材料［5］的發展，圖形處理軟件的優化，自主3D 打印會越來越多地應用于臨床醫學。

總之，自主3D 打印能滿足手術的需求，用于引導穿刺、術前手術模擬與手術規劃；對于復雜且關系緊密的結構，自主3D 打印技術獲取的三維建模影像與打印模型，二者相輔相成，可共同引導手術的進行。本文初步探索了自主3D 打印技術在顱內病變的定位、定向及指導神經外科手術的價值；所采用的自主3D 打印技術的實現方法與步驟，亦可以為同行提供參考，具有一定的借鑒意義。本研究亦存在一定的局限性，采用的熱熔堆積固化成型打印機打印的模型表面粗糙，不適合精細結構的研究，未來在光固化打印機的探索可能更能反映自主3D 打印技術在顱底精細結構上應用的價值；本研究為自主3D 打印技術在神經外科應用的初步探索，病種及例數均較少，仍需更多的臨床病例進行經驗總結。