3D打印導板技術在神經外科腫瘤定位教學中的應用

王 拓,張北辰,周浩宇,杜昌旺,吳 偉,崔 波

西安交通大學第一附屬醫院神經外科,西安 710061

準確定位是神經外科顱內腫瘤手術的前提和保障,若要術前準確地標記出腫瘤體表投影位置需要經過專業的培訓學習。傳統的顱內腫瘤定位教學方法主要是依靠體表多處解剖標志[1-2],如冠狀縫、中央溝、外耳道、外側裂等相對位置比較固定的解剖標志作為參考點,再結合術前影像資料中腫瘤與參考點的位置關系,從而確定腫瘤在體表的位置。然而,基于解剖標志等傳統的顱內腫瘤定位的教學方法存在比較明顯的缺點,在一定程度上對神經外科醫師的臨床經驗要求較高,因此對于經驗不足的醫師而言準確定位難度較大,容易造成較為明顯的誤差,且開顱范圍更大、手術時間更長,存在損傷大、術后感染比例高、出血量較多等并發癥,難以滿足神經外科精細化、微創化的手術要求;同時也可能存在手術時間過長、腫瘤切除不完整等缺點[3]。

隨著醫學技術的進步和微創理念的發展,神經外科手術方式也在不斷地向著精準和微創的方向推進,即通過快速精確的術前定位,利用微創理念以期最大限度地切除病變組織,減少術后并發癥的發生,而術前準確定位是達到此目標的前提保證。因此,對傳統的顱內腫瘤定位方法提出了巨大的挑戰。目前,隨著數字技術和醫學的聯系變得日益緊密,基于諸如3D Slicer、ITK-Snap等計算機輔助下的醫學圖像處理方法也得到了飛速發展,通過術前對顱腦腫瘤患者的多維度影像學資料的整合與處理,可以最大程度地模擬并還原顱內腫瘤的解剖位置、毗鄰結構、形狀大小等信息,極大地提高了神經外科醫師在術前對顱內腫瘤的解剖學認知;不僅如此,通過利用工科3D打印技術的優勢并結合計算機輔助定位,使得虛擬化的視覺圖像轉化成實物化的3D模型成為可能,可以在術前就能快速打印出相應的體表導板以幫助醫師準確地鎖定腫瘤在顱腦中的位置[4]。3D手術導板是一種術前協助醫師進行體表定位的工具,在導板的輔助下,術前可以快速地定位腫瘤位置、設計手術入路、了解手術切除的深度與范圍,以此提高術者的手術精確性、安全性和可靠性,簡化復雜手術的步驟,縮短臨床醫師的學習曲線,加速年輕醫師的成長;且與神經導航系統相比,3D打印導板更加便捷且不受醫院等級限制,在提高手術質量的同時節約了大量醫療成本,受到越來越多的臨床醫師的青睞[5-7]。目前,有文獻報道,通過在3D Slicer輔助下聯合3D打印導板及神經內鏡技術,可以在術前快速地定位包括顱腦腫瘤及慢性硬膜下血腫等顱內病灶,在術中快速完成病灶清除,后經術后影像學證實顱內病灶完全清除[8]。因此,該技術的出現不僅幫助神經外科醫師擺脫了人為經驗的干擾,而且也能夠有效地避免不必要的神經損傷,合理規劃手術入路,實現精確化、個體化和數字化的模式來診斷治療個體患者。

基于此,該文將3D打印導板技術應用于神經外科腫瘤定位教學,以期在教學中更加精準地定位顱內腫瘤,并對比在傳統教學模式和基于3D打印導板技術的教學方法中的學習效果[9-11]。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

納入2020年1月—2021年12月在西安交通大學第一附屬醫院神經外科進修醫師40人為研究對象。通過報名順序的單雙數隨機分為對照組和試驗組,每組20人。研究對象對此次研究知情同意。

1.2 3D導板打印方法

第一步,收集數據。選取需要術前準確定位的腦腫瘤患者,拷貝其頭顱磁共振及頭顱CT數據(1 mm/層)備用。第二步,三維模型構建。將拷貝的磁共振及CT數據傳導入3D-Slicer軟件進行三維重建,重點重建顱內腫瘤、頭面部皮膚、眉弓、鼻根等部位。第三步,設計并打印導板模型,根據手術實際情況設計需要打印的導板大小,且必須包括腫瘤體表投影位置,鼻根及眉弓等部位。使用ABS樹脂作為打印材料,連接3D打印機逐層打印。

1.3 教學方法

對照組采用傳統定位方法教學,即由副主任以上醫師授課,選取典型病例,如腦膜瘤的術前定位。第一步,掌握常用的解剖標志。如冠狀縫體表定位(如圖1A所示)、外側裂的體表定位(如圖1C所示)、中央溝的體表定位(如圖1C所示),以及經典的Kronlein顱腦定位法(如圖1D所示)。第二步,解讀術前磁共振等影像資料(如圖1B所示)。按照比例尺測量腫瘤與常用解剖標志的距離。第三步,實際定位。患者頭部備皮后,學員在患者頭部用記號筆定位出腫瘤的大小位置(如圖1C所示)。

A.ab線為冠狀縫位置;B.展示對照組腦膜瘤患者術前影像資料;C.cd線為中央溝位置,ce線為外側裂位置,黃線為腫瘤定位體表位置;D.經典的Kronlein顱腦定位法;E.展示試驗組腦膜瘤患者術前影像資料;F.3D導板精準定位腫瘤體表投影

試驗組采用3D導板打印技術定位方法教學,即由副主任以上醫師授課,在傳統定位方法授課的基礎上,詳細指導3D導板打印定位技術。計算機和3D打印機準備步驟如下:第一步,計算機上安裝3D-Slicer軟件,按照3D導板打印方法授課(具體方法見1.2);第二步,選取典型病例,學員在3D-Slicer軟件自主建模,完成后連接3D打印機逐層打印;第三步,驗證結果,患者頭部備皮后,使用3D導板精準定位腫瘤體表投影(如圖1E、F所示)。

1.4 教學效果評價

首先,教學效果評價有一個評估指標,即兩組學員的定位結果與手術開顱后的實際腫瘤位置是否一致,是驗證定位是否準確的金標準,其具體衡量指標包括:腫瘤中心位置差,即術前體表定位的腫瘤中心與開顱后實際腫瘤中心位置的直線距離。

其次,采取理論考試(客觀指標)和自我評價(主觀指標)兩部分成績,評價兩組學員的教學效果。理論考試圍繞顱內正常解剖結構、常用定位標志,以及磁共振影像上腫瘤的位置描述等,滿分100分。自我評價是通過問卷調查的形式,采用匿名方式,讓學員進行自我評價,兩組學員對于腫瘤定位的自信程度,定位方法的接受程度,以及定位能力的提高情況等,總分30分,分為三檔,即0～10分為自我認定仍無法定位,11～20分為學員自我認為可大致定位,21～30分為學員自我認為可準確定位。

1.5 統計分析方法

2 結果

2.1 研究對象一般情況

兩組學員均為男性,學員年齡28～45歲,其中試驗組學員平均年齡(35.1±4.2)歲,對照組學員平均年齡(33.7±5.6)歲;試驗組學員包括住院醫師6名(30.0%)、主治醫師10名(50.0%)、副主任醫師4名(20.0%);對照組學員包括住院醫師4名(20.0%)、主治醫師11名(55.0%)、副主任醫師5名(25.0%),兩組學員的年齡、職稱分布均無統計學差異。試驗組的腫瘤中心位置差(4.3±1.2)mm,小于對照組的(10.5±3.8)mm,差異具有統計學意義(t=7.469,P=0.009)。

2.2 兩組學員理論考試結果比較

在總分100分的理論考試中,試驗組學員平均成績為(76.2±7.8)分,對照組學員平均成績為(73.6±9.1)分,兩組學員成績比較,差異無統計學意義(t=0.223,P=0.495)。

2.3 自我評價結果

試驗組和對照組學員完成授課后,從自身感受、腫瘤定位的自信程度、定位方法的接受程度、學習成本的付出等方面進行自我評價,自我評價的腫瘤定位能力有所不同。試驗組中仍然覺得對顱內腫瘤無法定位的學員0人(0.0%),認為自己可以大致定位的學員有8人(40.0%),認為自己能夠獨立準確定位腫瘤的學員有12人(60.0%);對照組中認為無法定位的學員有6人(30.0%),能夠大致定位的學員有10人(50.0%),認為自己能夠獨立準確定位腫瘤的學員有4人(20.0%),兩組間的自我評價差異具有統計學意義(P=0.004)。如表1所示。

表1 兩組學員自我評價結果分析

3 討論

神經外科腫瘤手術被稱為外科手術中的皇冠,之所以有如此高的地位,是因為顱腦手術要求的精確度非常高,在極力保護正常腦組織的前提下,徹底地切除腫瘤是手術的基本原則。那么術前精準的定位腫瘤位置,盡量準確的開顱范圍成為減少創傷的前提保障,因此年輕醫師開顱前對腫瘤的精確定位尤為重要。術前腫瘤定位是較難掌握的一項技能,因此針對年輕醫師進行顱內腫瘤定位技術的培訓成為十分迫切的需求。而傳統的定位方法較難掌握,且誤差較大,即便是高年資醫師定位,誤差范圍也可能達到1 cm以上。為提高年輕醫師腫瘤定位的準確性和自信心,研究者在傳統定位方法授課的基礎上,引入3D導板打印技術,使年輕醫師更直觀、更精準地進行定位,使其在術前對腫瘤的位置了然于心,開顱的范圍更加精準,也給患者減少不必要的損傷。

此次,研究者所使用的三維影像處理軟件是3D Slicer軟件(簡稱Slicer),這是一款開源、免費、可擴展的醫學圖像處理應用平臺,最早由波士頓布里格姆婦女醫院和麻省理工學院聯合開發,可用于神經外科手術的引導治療、可視化和分析等用途。目前,Slicer軟件已經成為一種不僅能夠應用于各種臨床研究,還能夠用于非醫療圖像分析的綜合平臺[12-14]。研究者通過Slicer軟件先將患者皮膚、顱骨、眉弓、鼻根等體表定位標志進行三維重建,并使用3D打印機進行打印,由此使腫瘤定位更加精準,這對手術切口的設計具有重要的指導意義,也為腫瘤定位方法教學提供了新的思路。該研究在腫瘤定位方法的教學中,通過Slicer軟件對顱內腫瘤患者影像資料進行三維重建,結合體表的定位標志,模擬皮膚后進行3D導板打印,實現術前精確定位。與傳統的定位方法相比,3D導板的定位方式更加精確,兩組學員的定位結果相比,試驗組的腫瘤中心位置更小,二者的差異具有統計學意義(P<0.05)。不僅如此,通過教學滿意度問卷調查結果顯示,試驗組的學員對腫瘤定位更有自信,切口的設計更加精準,手術當中對正常腦組織的保護更加徹底。

雖然3D Slicer聯合3D導板打印技術在該研究中具有較為明顯的優勢,但不得不承認3D導板定位技術也存在一定弊端:首先,3D打印材料的種類尚需進一步開發,傳統的樹脂材料打印精度欠佳,容易損壞變形;以鈦合金為主的打印材料雖然能夠克服上述缺點,但價格昂貴,對打印設備的要求較高,限制了其廣泛使用,因此需要研發更多物美價廉的打印材料[15-16]。其次,導板的設計和制造、3D打印機的成本等價格相對高昂,3D打印技術和計算機輔助定位技術相對復雜,不利于基層醫院尤其是偏遠地區的開展,同時設計導板花費的時長不等,無法滿足急診手術的需求[17]。最后,由于設計制造廠家過多,尚未形成統一的質量評價體系,缺乏相關的行業標準和法律法規要求,可能引起導板質量參差不齊,難以滿足臨床需要[18]。因此,在新的3D導板技術教學的同時,也要掌握傳統的定位方法,在時間緊急或條件不具備的時候傳統定位方法不失為另一個選擇。

總之,研究者認為通過3D打印導板進行顱內腫瘤定位的方法,準確、可靠、容易掌握,為年輕的神經外科醫師掌握術前腫瘤定位提供了高效的方法,在實際手術中減少不必要的創傷,值得在今后的教學工作中進一步推廣。