用于鼻顱底外科教學的3D打印鼻-鼻竇-顱底解剖模型制作*

喻國凍，何承誠，張 田

(貴州醫科大學附屬醫院耳鼻咽喉科，貴州 貴陽 550004)

三維 (3D) 打印發明于20世紀80年代，可以準確地復制微小三維立體空間的結構，在描述具體形態上有巨大的優勢，在醫學領域有廣泛的應用[1]，如外科手術前后病變結構形態模擬模型[2]、病理組織形態模型展示[3]，微小不易理解復雜解剖結構的局部放大模型[4]等。鼻-鼻竇-顱底外科學所涉及領域解剖結構微小復雜，相關重要組織形態異形，相互間重合混雜互相遮擋，大多為骨性結構包裹如血管、神經等細小的軟質組織，具體解剖操作上比較困難，常規的解剖圖譜、解剖錄像等對于醫學生學習來說難以表述清楚，對初學手術的耳鼻喉科醫生來說難以理解。人體解剖標本因為不易保存，易損壞且數量有限，普通醫學生和基層的耳鼻喉科醫生不能便捷接觸到，不能滿足其日常學習和工作需求。隨著材料技術和電腦技術的不斷進步，3D打印技術取得了長足的進展，已廣泛應用于醫學領域[5-9]。所以，本項目使用3D打印技術設計制作了易于保存、可反復學習的鼻-鼻竇-顱底解剖模型，為臨床解剖的學習、教學、手術操作模擬提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1材料來源 根據臨床資料選取垂體瘤疾病患者1例，從放射科圖片歸檔和通信系統(PACS)中調取其影像資料。

1.2方法

1.2.1制作鼻-鼻竇-顱底數3D解剖模型

1.2.1.1導入數據 采用Mimics Research 17.0 軟件(比利時 Materialise company)，將該例患者的CT影像醫學中的數字成像和通信(Dicom) 數據(西門子 definition AS 128 排CT,掃描層厚 0～5 mm，層間距0～25 mm)導入，進行運算并核對數據。

1.2.1.2鼻-鼻竇-顱底數字模型的設計 采用閾值分割法將-700～3 000 HU的數據分割并重構出3D數字解剖模型。將3D模型裁剪至鼻-鼻竇-顱底解剖區域大小，即上界為中顱底窩上方0.5 cm，下界為蝶竇底下方0.5 cm，后界為斜坡。

1.2.1.3解剖區域層面的選擇 對于鼻-鼻竇-顱底模型，選擇分為前、后2個模型，以蝶竇作為冠狀面的標準平面中心。

1.2.2制作解剖模型 采用弘瑞公司H1型3D打印機導入gcode 數據文件后制作3D打印解剖子模型。將解剖數據模型用STL+功能在Mimics software中導出為Stl格式文件，然后用Cura 15.0software (荷蘭 Ulti maker BV 公司)打開各解剖數據模型的stl文件，并制作gcode切片數據文件供3D打印機使用，打印材料為175 mm 直徑的聚乳酸(PLA)環保材料，打印溫度210 ℃，主要操作參數為層厚2 mm，壁厚6 mm，打印速度60 mm/s,模型打印比例設置為100%。開啟結構支撐，打印結束后根據實際解剖形態，修整和去除可能存在的底座和支撐結構。

1.2.3CT影像解剖與復合 將已分割子模型的解剖層面的CT影像圖片數據，根據調至與3D模型匹配的大小數據，用激光打印機(HP MFP M225)打印，裁剪去除主要空洞區域，將其粘貼到3D模型的斷面上，重建復合CT影像的解剖模型。

1.2.4校驗打印模型的臨床還用度和實用價值 選取10位工作10年以上的耳鼻喉科醫生，從3D打印解剖模型上定位和辨認各鼻-鼻竇-顱底解剖學標志，以校驗3D打印模型的還原度和實用價值。

2 結 果

依靠3D打印技術成功制作了鼻-鼻竇-顱底3D打印模型和3D數字模型，見圖1、2。以蝶竇作為冠狀面的中心剖面將鼻-鼻竇-顱底分成了前、后2個子模型，主要用于觀察鼻-鼻竇-顱底重要的解剖結構即視神經、頸內動脈和垂體，包括可以觀察蝶竇、垂體窩、前后床突、垂體、垂體柄、頸內動脈、視神經等一系列結構(圖2)，可以觀察蝶竇氣化程度和頸內動脈、視神經的立體結構和方向。

A.正面；B.上面；C.底面；D.右側面；E.左側面。圖1 垂體瘤3D打印模型

A.正面觀；B.右斜側面；C.左側面；D.右后斜面；E.后面。圖2 垂體瘤術前3D數字模型

10位耳鼻喉科醫生仔細觀察鼻-鼻竇-顱底的3D打印解剖模型，對鼻-鼻竇-顱底的解剖標志進行了蝶竇、垂體窩、前后床突、垂體、垂體柄、頸內動脈、視神經等一系列結構辨認，以上這些鼻-鼻竇-顱底的解剖標志均能準確識別，其相對空間位置和形態與CT描述一致，但鼻-鼻竇-顱底的細小結構還原度不夠，特別是細小血管及神經未得到重建。

3 討 論

作為醫學教育中最基礎、最重要的組成部分人體解剖教學。課堂教授、小組學習、解剖圖譜、人體標本解剖實習等作為傳統醫學解剖主要教學方式，平面圖譜因為空間位置描述困難和繪畫技巧難以精確還原3D結構和空間位置關系，人體標本因醫學倫理原因量小、不易為普通醫學生接觸，存放中不完整，解剖結構不易辨認，虛擬3D軟件目前仍不成熟，使用感受差，對醫學生學習幫助不大。3D打印解剖模型可以直接觀察3D結構，而且還有易復制、易存放、生產成本低、易于推廣學習等[10]優點。近年來，隨著醫學的發展，對解剖標本的需求也不斷增加，且臨床各學科不同解剖重心和手術需求點不同，對解剖標本的各種需求也不同。隨著3D打印解剖模型技術的進步，其在醫學臨床模擬和教育中的應用更加廣泛。目前已發展出較好的3D打印材質可以打印出具有良好質感、色彩、硬度的3D打印模型，但對于軟質組織，其觸感仍較差，總的來說，因為影像分辨率和打印材料限制的關系，3D 打印模型技術比較適用于骨性結構展示[2,4,6,11-12]。

鼻-鼻竇-顱底外科臨床解剖教學著重于鼻腔內的鼻甲、鼻道和鼻竇氣房及和顱底類型如顱底低位、后顱底彎曲、蝶篩氣房(Onoid 氣房)等。所以，本次研究選擇了鼻腔和顱底2個區域作為研究對象。雖然本次研究只選擇了1例樣本作為基礎進行設計制作，但同樣的方法可以制作相同類型不同解剖特點的3D打印模型，如鞍前型蝶竇、鞍型蝶竇、硬化型蝶竇等。以往其他研究的3D打印模型均以正常人體整體標本為基礎，而本次研究是具體的臨床病例，強調在具體病例中的實際應用，強調整體外觀的解剖標志研究外，更著重研究的是不同研究截面的選擇和子模型的制作[6]，了解人體各器官內部的解剖構造是研究其結構和功能的重要研究點。目前，MATTEO等[13]已根據臨床病例CT影像數據重建了鼻竇和顱底的 3D打印模型，其根據研究需求選擇相應的截面制作可拆分的3D打印模型。電腦數字化設計和制作3D打印模型具有設計靈活、便捷、變化豐富的特點，可滿足醫學生從不同角度視角觀察學習的需求。截面的選擇對解剖結構的觀察和教學效果非常重要。例如在鼻-鼻竇-顱底模型觀察蝶竇氣化程度和頸內動脈走行對垂體形態的影響，應選擇經垂體中份的軸位(水平)截面。觀察視神經和頸內動脈的走形，選擇經頸內動脈海綿竇段的斜矢狀位可以更清晰觀察到以上解剖結構。對于鼻竇、顱底模型，冠狀位是觀察顱底結構和蝶氣房關系和引流方式的最佳截面 。

綜上所述，截面的CT影像與斷面解剖是醫學生和臨床醫學理解和學習獲取臨床信息的重點。本次研究項目將CT影像與3D打印模型相結合后，通過研究3D打印模型取得的臨床解剖信息遠超過了二維層面的CT影像。與CT影像、CT動態影像閱片相比，3D打印模型向醫學生和臨床醫生展示了具體的3D空間和各解剖組織的具體大小、形態、相互關系，將不易觀察到的重要解剖結構立體想象結構予以具體化和過程簡單化，以上這些都有助于臨床影像學的教學，也利于更好地制定手術計劃，可作為典型病例更好地對醫學生進行醫學教育。