个案报道：基于3D打印技术的乳腺肿瘤精准手术治疗2例

孙 涛，张鹤达，李 建，唐金海

作者单位： 210029 江苏 南京，南京医科大学第一附属医院 放射科(孙 涛)； 210029 江苏 南京，南京医科大学第一附属医院 普外科(张鹤达，唐金海)； 210009 江苏 南京，江苏省肿瘤医院 普外科(李 建)



论 著

个案报道：基于3D打印技术的乳腺肿瘤精准手术治疗2例

孙 涛，张鹤达，李 建，唐金海

目的 探讨3D打印技术在乳腺外科精确手术治疗中的意义。方法 2例女性患者均是经查体、B超检查发现右侧乳腺有占位性病变，疑为恶性，要求手术切除。行多排CT胸部平扫、乳腺3.0TMR平扫+增强检查获得CT和MRI的DICOM数据，输入计算机进行立体模拟建模，而后打印，据此精准定位后手术。结果 3D重建模型能清晰地显示乳腺解剖结构、肿瘤所在的三维空间及周围血供。精准定位后完整切除肿瘤，最大限度地保全腺体组织，手术时间大为减少。结论 3D打印技术应用于乳腺肿瘤的手术治疗，能够清晰显示出解剖结构，辨识肿瘤毗邻血管，避免遗漏病灶，更有效地辅助术前规划，对提升乳腺复杂手术的安全性、加快手术速度，提高手术精确性有益，在乳腺外科精确手术治疗方面具有极大的应用前景。

3D打印； 精确手术； 乳腺肿瘤

在世界范围内，乳腺癌都是常见的危及女性生命的恶性肿瘤之一，其发病率不仅呈现逐年上升趋势，而且越来越年轻化，因此保乳手术及乳房重建将会成为年轻患者最主要的选择。虽然现在的医学检查比较完善，但是仍不能完全的反应肿块与乳房的真实空间立体表现，比如血流的来源、走向，管径大小，各穿支间是否还存在交通支，距离乳头乳晕的空间实际距离等情况，因此无法术前准确设计手术方案。3D打印的问世使攻克这一难题成为可能。3D打印技术，又称快速成型技术(rapid prototyping，RP)或增材制造技术(additive manufacturing，AM)，是一种以数字模型文件为基础，应用粉末状、液态塑料或金属等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造物理模型的技术[1-3]。3D打印技术在国内外医学领域案例不少，主要应用于骨科、颌面整形、肝胆、血管等学科[4-7]，但目前在国际上鲜有将此技术应用于乳腺精确手术治疗方面的报道。本文报道2例3D打印的乳腺模型制作方法、流程、术前规划及手术方案制定的临床应用成功案例，供同道们参考与讨论。

1 病例资料

病例1：女，60岁，发现右乳肿块2月余，居右乳上方，约核桃大小，无疼痛感，乳头无溢血溢液。于2016-6-28从门诊收住入院。肿瘤标记物：癌胚抗原为3.03 ng/ml，糖类抗原125为10.39 U/ml，糖类抗原199为5.38U/ml，糖类抗原153为15.28U/ml，甲胎蛋白2.46 ng/ml。乳腺彩超示：双侧乳腺腺体增生，右乳低回声，BI-RADS 4C。胸部CT平扫：右乳偏外侧象限稍致密，右侧腋窝淋巴结稍肿大，左侧腋窝、纵隔小淋巴结；两肺散在斑片条索影，两下肺明显，似炎性或陈旧性改变。乳腺MRI：似右乳癌伴右侧腋窝淋巴结稍肿大；左乳增生性改变。专科检查：双乳对称，双乳头齐平；触及右乳外上象限一片增厚区，大小约4.3 cm×3.0 cm，增厚区中可及两个肿块，稍大者约2.5 cm×1.0 cm，边界欠清，质硬，活动一般，余乳未及明显肿块。双腋下未触及明显肿大淋巴结。于2016-7-7行乳腺肿瘤精准手术治疗。

病例2：女，26岁，发现右乳肿块半年，居右乳上方，无压痛，无乳头溢血、溢液。于2016-5-11从门诊收住入院。肿瘤标记物：癌胚抗原0.28 ng/ml，甲胎蛋白2.01 ng/ml，糖链抗原125为27.42 U/ml，糖链抗原199为16.64 U/mL，糖链抗原153为4.65 U/ml。乳腺B超：右侧乳腺结节，BI-RADS 4B类。乳腺MRI：右乳外上象限类圆形肿块，BI-RADS 4b，右腋下多发肿大淋巴结，BI-RADS 4a。专科查体：双乳发育正常，基本对称，右乳11点方向距乳头2 cm处可及一3 cm×2 cm肿块，质硬，界不清，可活动，不伴乳头溢液。于2016-5-25行乳腺肿瘤精准手术治疗。

2 方法

2.1 数据收集

2.1.1 多排CT胸部平扫 采用患者头先进方式仰卧于检查床上，双手高举抱头，运用PHILIPS 16排螺旋CT进行扫描，扫描范围从胸廓入口至肺底。具体参数：Kv 120，mAs 180，pitch 1.063，准直厚度1.5 mm。扫描过程中患者需要深吸气屏住。

2.1.2 乳腺3.0T MR平扫加增强扫描 检查设备有Siemens Trio Tim 3.0 T超导型磁共振扫描仪、Invivo乳腺专用8通道相控阵线圈，频率123.2MHz，高压注射器。采用患者头先进方式俯卧于乳腺专用8通道相控阵线圈上，双乳自然悬垂于乳腺线圈的两个圆孔内，横向光标与乳头对齐进入磁体中心。依次对双侧乳腺行轴位T2-tirm、DWI、T1WI动态增强扫描，矢状位T2WI脂肪抑制(FS)扫描。

(1)轴位T2-tirm：反转恢复预备脉冲磁化准备的快速自旋回波序列(turbo inversion recovery magnitude)，TR/TE：5 000 ms/61 ms，FOV：340 mm×340 mm，层厚4.0 mm。

(2)轴位弥散加权成像(diffusion weighted MR imaging，DWI)：单次激发平面回波序列(single-shot echo planner imaging sequence，SS-EPI)，频率选择脂肪抑制技术，扩散敏感因子(b值)=50 s/mm2和800 s/mm2X、Y、Z 轴3个扩散方向。TR/TE：6 300 ms/88 ms，FOV：340 mm×117 mm，层厚4.0 mm。

(3)轴位T1WI动态增强扫描(1+5)：快速小角度激发三维成像序列(3D-FLASH)，加脂肪抑制，TR/TE：4.23 ms/1.57 ms，翻转角为10°，矩阵256×256，FOV：340 mm×340 mm，层厚：0.9 mm，动态增强扫描注射造影剂前先平扫1次，平扫结束后静脉团注造影剂(Gd-GTPA，15 ml，流速3 ml/s)，继而快速推注20 ml生理盐水，第23 s开始增强扫描，连续无间断扫描5次，采用并行采集，总时间为203 s。

(4)选择性T2WI脂肪抑制(T2-FS)延迟矢状位扫描：TR/TE：3 000 ms/72 ms， 矩阵256×256，FOV：180 mm×180 mm。

2.2 3D重建

对获取的MRI、CT扫描图像均采用MITK软件(Medical Imaging ToolKi)处理，MITK是一款开源的医用图像处理软件，可以直接读取CT、MRI等设备采集到的DICOM文件，通过对影像数据内的兴趣区域进行可视化分割提取，可以计算生成并导出STL格式(STereo Lithography)的三维网格模型，图1为三维重建处理流程图。

图1 三维重建处理流程

由于整个区域内包含有腺体、肿瘤、血管、皮肤、脂肪、胸廓骨骼和胸廓前壁胸肌等多种组织，并且需要使用不同的颜色进行区分，所以我们使用多分割蒙版方式来创建模型，每种组织对应一个分割蒙版，而每个分割蒙版都是由兴趣体素构成的。患者的影

像学检查包含CT和MRI数据，两次数据采集时患者的体位有所区别，所以需要事先使用Point Based Registration功能来将两组数据进行配准。

核磁影像中的肿瘤边缘清晰、强化明显，使用Segmentation分割工具栏下的3D Tools中的Threshold阈值工具即可分离出肿瘤(图2a、2d)。乳腺内部的腺体组织同样有强化，但信号强度比肿瘤组织略低，我们使用3D Tools下的UL Threshold工具来提取腺体(图2b、2e)。不同于Threshold仅能设定一个最低值，此工具能同时设置一个最低值和最高值，信号强度位于设定值区间内的组织都会被选中。由于乳房的有些皮肤的信号强度和乳腺类似，所以会被选择进来，此时需要借助2D Tools下的Subtract工具将这部分选择区域擦除，最后仅留下腺体区域即可。皮肤、胸廓骨骼和胸廓前壁胸肌的重建方法与创建乳腺腺体的方法类似，不过为了创建更为平滑的皮肤，我们将皮肤内部完全填充为实体。

乳腺周围的毗邻血管组织的信号强弱不一，很难使用阈值分割工具来进行选择，所以我们使用了3D Tools下的Region Growing工具来进行提取(图2c、2f)。此工具允许操作者选择影像中的一点，然后所有与该点相连并且灰阶值位于设定偏差范围内的体素都会被提取出来，所以非常适合于创建血管类结构。不过由于有些乳腺组织与血管紧邻，分割时也会被误选进来，此时可以使用2D Tools下的多种分割工具擦除这些误选组织。

图2 乳腺肿瘤、正常腺体及毗邻血管组织的分割提取(病例1：A；病例2:B)

当所有组织的分割蒙版都被准确的建立后，其将会作为子对象数据自动存储在影像数据下，在选中某个分割蒙版后，可以在右键快捷菜单中使用Create Smoothed Polygon创建三维网格模型，创建出来的三维网格模型可以通过Save保存功能将其存储为单独的STL模型。由于打算将皮肤做成一个可拆卸的壳装物体，所以我们将皮肤的STL模型导入到3ds MAX软件中，使用Shell工具为皮肤创建了一层壳。此外为了减少打印时间并方便于教学讲解，我们使用3ds MAX软件将模型进行了裁剪和切割，并手动添加了一些卡扣结构。

2.3 打印和后处理流程

如图3，将STL格式数据导入至Objet 350 Connex3 3D打印机系统后，操作步骤具体如下：

(1)检测3D模型是否满足打印要求；

(2)在模型满足打印要求的情况下，对模型进行自动切片处理并评估打印耗费的材料；

(3)估算打印时间并开始打印；

(4)去除支撑物。

图3 打印流程图

由于血管等组织形态比较复杂，所以打印时手动添加了一些支撑物。打印完成后取出3D模型，浸泡入水大约30 min后移除支撑物，最后再次用水冲刷掉模型表面的琐碎支撑，至此即完成3D 乳腺模型打印的整个过程。

打印材料使用多种颜色的树脂材料，考虑到打印时间和成本，最薄打印层厚设置为0.2 mm。模型重建和打印花费的总时间大约为22 h。

2.4 手术

通过3D重建和打印，我们清晰地确认了肿瘤的数目、大小、空间位置、与乳头乳晕的空间距离，周围毗邻的血管的来源和走向(图4A)。我们可以看到肿块位于外上象限，形态不规则，范围较大，大小约92.64 mm×37.38 mm×69.63 mm，占位体积47.01ml，占位体表面积213.20 mm2，乳头到肿块的中心距离为57.55 mm,乳头到肿块的最近距离为19.33 mm，最远距离为112.49 mm，在肿块周围有较多的血流分支；在大肿块的外侧有一小肿块，大小约11.0 mm×8.0 mm，形态规则，但血供丰富，两个肿块之间有共同的血供。图4B中肿块位于乳头后方，大小约28.0 mm×25.2 mm×21.3 mm，占位体积7.41 ml，占位体表面积19.23 mm2，乳头到肿块的中心距离为33.73 mm，乳头到肿块的最近距离为22.16 mm，最远距离为47.22 mm。肿块上方有2支血管分支经过。

根据3D结果准确定位。在全麻下取患者右乳外上切口，切开皮下暴露乳腺组织，电刀游离及剖开腺体组织，根据3D影像，可以清楚的了解肿瘤的血管分支，在血管附近缓慢剥离腺体组织，及时避开主要血管分支，沿肿瘤表面完整切除肿瘤。

图4 重建设计图和打印实物对比(A:病例1；B：病例2)

3 结果

病例1根据快速病理结果(右乳高级别导管内癌，是否浸润等常规)，根据术前影像学检查及与患者的沟通，决定行右乳癌改良根治术。患者常规病理：右乳高级别导管内癌，伴多小灶微小浸润，最大直径约1 mm，是否为微小浸润或浸润性导管癌存在争议；右腋窝(0/15)淋巴结未见转移癌。免疫组化示：ER(-)，PR(-)，HER-2(3+)，Ki-67(+5%)，CK7(+)。

病例2的快速病理示：右乳梭形细胞瘤，倾向软组织来源，待常规及免疫组化进一步明确。常规病理：肿块大小3 cm，右乳梭形软组织肿瘤，考虑(1)结节性筋膜炎；(2)肌纤维母细胞瘤，等免疫组化进一步明确。右乳肿瘤细胞：Vimentin(+)，S-100(-)，Desmin(-)，SMA(+)，CD34(-)，ER(-)，PR(-)，Catenin-β(+)，P63(-)，Ki-67(3%+)，CK-pan(-)，CK7(-)。结合HE切片，本例符合结节性筋膜炎。

患者术后均恢复良好。

4 讨论

近几年来，3D打印技术已应用于医学领域，主要包括血管外支架植入术[8]、先天性心脏病三维模型[2]、骨骼假体置换[9-10]等。目前在国际上鲜有将此技术应用于乳腺精确治疗方面的报道。目前B超、CT 、MRI等医学图像虽然能很好的显示肿块的位置、毗邻结构，但仍然只是2D平面图像。3D打印的乳腺肿瘤模型能够更直观地显示解剖结构，克服了原始2D图像无法随意融合CT、MRI数据的缺点，可以同时清晰地呈现软组织和骨骼等硬组织。由于3D打印的实体模型可以随意切换视角进行观察，方便整个治疗团队观察和手术方案讨论。此外,对于没有医学知识背景的患者而言，也更加容易进行术前沟通和手术方案展示。就本实验而言，通过3D打印的模型能在手术前确定肿瘤的位置、大小以及与周围血管的毗邻关系，并且能够更加精准的测定复杂外形肿瘤的体积和表面积。这对于现在倡导的精准外科具有重要的指导意义，可提高手术的成功率及减少手术所需要的时间。

虽然3D打印技术为医学提供了一种新的影像学展示方法和治疗手段，但就现阶段而言，3D技术在乳腺领域乃至外科领域的应用还存在以下不足：(1)构建分割蒙版过程繁琐。由于软组织不同于骨骼建模，其信号强弱不等，需要大量的后期人工修补工作，尤其是血管等结构，当造影剂含量较低时，细小的血管分支往往无法重建，血管强化效果较好的数据可减少重建所需时间。(2)打印材料昂贵。3D打印材料常用的有塑料类材料和树脂材料，但随着技术的发展，材料的更新，打印价格也会随之下降。(3)不同检查影像数据融合困难。由于乳腺属于软组织，并且会随着呼吸运动而上下浮动，这就给图像融合带来了一个巨大的难题。此外由于是基于原始医学图像重建而成，所以也会受到运动伪影、扫描时间、图像信噪比低等因素的影响，对于后期图像处理建模将会是一个巨大的挑战。(4)无法清晰显示真实的乳腺腺体走形和细微的血管结构。但随着影像学技术的不断发展，这类问题也将会随之解决。

目前3D打印虽然处于起步阶段，但随着科学的发展，医疗的精确，患者的需求，未来3D打印技术在乳腺外科的临床应用会有广阔的发展空间，便于术前沟通、术前评估规划、提高手术质量，最终达到精确医疗、个体化治疗的目的。

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TANGJinhai，E-mail：jinhaitang1@hotmail.com

Objective To explore the significance of 3D printing technology in the treatment of breast surgery. Methods Two female patients were found to have occupying lesion in right breast after physical investigation and B ultrasonic examination. After carrying out multi-slice CT and 3.0 TMR scanning, the DICOM data of images were input into computer to build the three-dimensional model, and then to print. Results The 3D reconstructed model not only can display breast anatomical structure clearly, but also better reflect the three-dimensional space of the tumor and peripheral blood supply. Under its guidance, the tumor was completely resected, and the mammary tissue was preserved as much as possible, and the whole operation time was greatly reduced. Conclusions 3D printing technology can be applied in the treatment of breast diseases. It can avoid missing tumor，similarly，it also can clearly display the anatomical structure, identify tumor adjacent vessels and more effectively assist preoperative planning. So it can enhance the security of the complex operation, accelerate the speed of operations and improve the operation accuracy. Therefore, it has great application prospect in breast precise surgery.

3D printing; Precise operation; Breast tumor

江苏高校优势学科建设工程资助项目(JX10231801)

作者单位： 210029 江苏 南京，南京医科大学第一附属医院 放射科(孙 涛)； 210029 江苏 南京，南京医科大学第一附属医院 普外科(张鹤达，唐金海)； 210009 江苏 南京，江苏省肿瘤医院 普外科(李 建)

孙 涛，男，副主任技师，研究方向：影像学与乳腺肿瘤的治疗，E-mail：632913474@qq.com

唐金海，男，主任医师，教授，研究方向: 乳腺肿瘤的治疗，E-mail：jinhaitang1@hotmail.com

10.3969/j.issn.1674-4136.2016.04.005

1674-4136(2016)04-0235-05

2016-06-13][本文编辑：李筱蕾]

Cases report: 2 cases of treatment of breast tumor precise operation based on 3D printing technologySUNTao1，ZHANGHeda2，LIJian3，TANGJinhai2.(1.DepartmentofRadiology,theFirstAffiliatedHospitalWithNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029,China；2.DepartmentofGeneralSurgery,theFirstAffiliatedHospitalWithNanjingMedicalUniversity，Nanjing210029,China；3.DepartmentofGeneralSurgery，JiangsuCancerHospital，Nanjing210009,China)