3D打印技术在蝶骨嵴脑膜瘤切除术中的应用价值*

2017-12-21刘宇清何炳蔚黄绳跃杨智坤庄江惠陈明武陈寿廖正俭

中国肿瘤临床 2017年22期

刘宇清何炳蔚黄绳跃杨智坤庄江惠陈明武陈寿廖正俭

·术式交流·

刘宇清①何炳蔚②黄绳跃①杨智坤②庄江惠②陈明武①陈寿②廖正俭①

目的：研究3D打印技术在蝶骨嵴脑膜瘤手术中的应用价值。方法：选取福建省立医院2016年9月至2016年12月经头颅MRI及螺旋CT扫描发现的蝶骨嵴脑膜瘤患者5例，利用颅脑螺旋CT增强扫描的DICOM图像，针对颅骨、血管及肿瘤，分别进行数据信息的提取和重建，并在同一坐标系下实现装配融合，建立三维复合虚拟模型，再经3D打印技术制作出3D实体模型，于术前、术中参考。结果：成功重建5例患者的蝶骨嵴脑膜瘤三维复合虚拟模型，并制作出实体解剖模型，模型清晰显示颅骨、肿瘤及其与毗邻血管的位置关系，将其应用于术前规划与术中参考，5例患者手术均获得成功。结论：基于3D打印技术的蝶骨嵴脑膜瘤三维复合虚拟模型及其实体解剖模型在优化手术预案、提高肿瘤切除率、减少手术损伤等方面具有重要意义。

蝶骨嵴脑膜瘤 3D打印技术三维虚拟模型实体模型

蝶骨嵴脑膜瘤为良性肿瘤，起源于蝶骨大、小翼，内始自前床突，外抵翼点，发生率占脑膜瘤的13%～19%，是颅内脑膜瘤的常见类型［1］。由于肿瘤位置深，周围解剖复杂，且与颅神经、海绵窦、颈内动脉及其分支关系密切，其手术风险较大，并发症较多，致死率、致残率均较高，一直是神经外科手术难点之一［2］。术前如能制作出患者蝶骨嵴脑膜瘤区域的颅脑三维虚拟模型及等比例的实体解剖模型，使术者对肿瘤及其周围解剖结构有详细直观的了解，并应用于个性化的术前方案制定及术中参考，将极大提高手术的安全性及成功率。近年来，随着医学影像学技术与3D打印技术的发展，使这一目标的实现成为可能。本研究通过3D打印技术制作蝶骨嵴脑膜瘤的三维虚拟模型及其实体解剖模型，应用于术前规划及术中参考，均取得良好效果。

1 材料与方法

1.1 病例资料

收集福建省立医院2016年9月至2016年12月经头颅MRI及螺旋CT扫描发现的蝶骨嵴脑膜瘤患者5例。其中男性3例，女性2例；年龄为45～71岁，平均年龄为（54.0±4.2）岁；内侧型2例，外侧性3例，所有脑膜瘤直径均＞3 cm；主要症状有头痛、视力下降、癫痫等。拟行蝶骨嵴脑膜瘤切除术。

1.2 方法

根据患者螺旋CT增强扫描的原始数据构建蝶骨嵴脑膜瘤三维虚拟模型，再结合3D打印技术，将该虚拟模型实体化，制作出实体解剖模型，于术前、术中参考。

1.2.1 蝶骨嵴脑膜瘤虚拟模型的建立将患者颅脑螺旋CT增强扫描图像（扫描层厚0.6 mm），以DICOM格式输出（图1）；将此原始数据导入Mimics 15.0（购自比利时Materialise公司）软件，采用动态自适应生长的分割方法，针对不同组织灰度值的差异，取不同阈值分割出颅骨、血管、肿瘤等图像，分别进行三维虚拟模型重建和优化，滤除无关组织图像；将获得的三维图像导入3-matic7.0（购自比利时Materialise公司）软件中，在同一坐标系下将颅骨、血管、肿瘤配准融合（图2）。重建后的三维复合虚拟模型能清楚显示颅骨、血管、肿瘤三者的立体位置关系（图3）。

图1 蝶骨嵴脑膜瘤患者颅脑螺旋CT增强扫描图像（绿色为肿瘤）Figure 1 Cerebral helical CT enhanced scan images of the patients with sphenoid ridge meningioma(green areas represent tumors)

图2 重建的肿瘤、血管、颅骨三维虚拟模型Figure 2 3D virtual models of the reconstructed tumor,blood vessels,and skull

图3 颅骨、血管、肿瘤3D打印实体解剖模型Figure 3 3D-printed entity anatomy model of the skull,blood vessels,and tumor

1.2.2 蝶骨嵴脑膜瘤实体模型的制作将三维复合模拟模型图像保存为3D打印机能识别的文件格式（STL），导入3D打印机（Objet350 Connex3，购自美国Stratasys公司）的前端软件，通过光固化技术，使三维虚拟模型实体化，制作出近真实等比例的蝶骨嵴脑膜瘤实体解剖模型。该模型可清晰显示肿瘤位置、大小、形状、附着部位，以及与蝶骨嵴、眼眶、颈内动脉、大脑中动脉、大脑前动脉、海绵窦等结构的相互关系，骨质破坏或增生情况。

1.3 蝶骨嵴脑膜瘤模型构建及手术成功标准

模型构建成功的标准：将3D打印的实体解剖模型与术中所见比较，模型显示的肿瘤、颅骨、血管与术中所见完全一致为构建成功。手术成功标准：手术过程顺利，肿瘤达到SimpsonⅡ级以上切除，无严重并发症。

2 结果

5例患者均成功重建蝶骨嵴脑膜瘤的三维虚拟模型并制作出实体解剖模型。依据此模型，术前详细了解肿瘤与颅骨及相邻血管的三维位置关系，制定出个性化术前方案；术中参照实体模型，确定手术方式及入路，准确避开、保护重要血管。5例患者肿瘤均达到SimpsonⅡ级以上切除，术后无偏瘫、颅内感染、脑水肿加重等并发症，手术均获得成功。

3 讨论

蝶骨嵴脑膜瘤生长缓慢，按照生发部位，将其简单分为内侧型及外侧型［3］。内侧型位于前中颅窝交界区，毗邻中线，早期可出现神经受压表现如视力下降等；外侧型发病初期症状常不明显，待发现时肿瘤体积已较大。肿瘤一般由颈内、外动脉的分支双重供血，血供丰富，常可侵及眶上裂、海绵窦并包绕颈内动脉、大脑中动脉、视神经，并破坏颅骨［4］。由于肿瘤位置深，加之周围解剖结构因肿瘤生长而更加复杂，致使术中暴露及操作困难，早期报道的全切率仅为23%～25%，死亡率为15%～43%［5］。随着显微神经外科技术的广泛应用，蝶骨嵴脑膜瘤手术效果较以往有很大进步，肿瘤全切率也提高至59%～87%［6］，但仍难以令人满意。因此，如何达到蝶骨嵴脑膜瘤全切并最大程度降低手术风险一直备受神经外科领域关注。而术前详细掌握肿瘤及其与周围颅骨血管的关系、骨质破坏或增生情况等信息对完全切除肿瘤、降低术中脑损伤、减少术后并发症具有重要意义。

目前，蝶骨嵴脑膜瘤术前检查一般是CT、MRI联合应用，这样可以使蝶骨嵴脑膜瘤定性、定位诊断的准确率提高至90%以上，必要时还需行磁共振血管成像（MRA）、CT血管造影（CTA）及全脑数字减影血管造影（DSA）检查［7］。MRA、CTA、DSA可显示肿瘤血供及与周围血管的关系，对手术帮助较大，但上述技术均以二维的方式处理复杂的三维影像，均为各自单独呈现，无法同时体现肿瘤及其供血动脉与引流静脉和周围组织结构的解剖关系，这需要术者对其进行空间想象，此过程的解读偏差会影响手术预案的制定。若判断失误或操作不当，直接导致术中损伤加重，极大降低手术预期效果，给患者带来难以挽回的损害甚至危及生命。因此，寻找一种能够直观表达肿瘤及其周边关系的方法显得日益重要。

1984年，Slavash等［8］首次利用计算机建模并打印出三维实体模型，标志着3D打印技术的诞生。3D打印是一种由计算机辅助设计数据及成型设备组成，将成型材料以“分层制造，逐层叠加”的原理，快速制造所需物件三维实体的一种分层制造技术［9］。近年来，该技术已在骨科、颌面外科、整形外科等领域应用［10］，但目前在神经外科还处于初步尝试阶段。本研究将3D打印技术与神经外科相结合，将患者颅脑CT增强图像经计算机处理，由3D打印机制作出近真实的蝶骨嵴脑膜瘤实体解剖模型，完成从虚拟图像到实体模型的转换，弥补了二维图像立体感差、细节不清晰等缺陷［11］。三维虚拟模型及其实体解剖模型能清晰显示患者颅内的真实情况，对于个性化手术方案的制定及实施提供了极大的帮助。

3.1 三维模型能显示蝶骨嵴脑膜瘤及毗邻血管关系

颅底解剖结构复杂，重要神经血管多，肿瘤发现时往往体积较大，与周围血管关系密切，部分重要血管如颈内动脉、大脑中动脉等受肿瘤推挤而偏离正常位置，甚至被肿瘤包裹。有报道表明，肿瘤对颈内动脉及其主要分支的推挤、黏连和包裹是影响手术全切率的最主要原因［12］。因此，完善的术前检查不仅需要了解肿瘤形态、大小、位置等信息，还应重点了解肿瘤血供及毗邻血管的解剖关系。Abdel-Aziz等［13］将肿瘤与颈内动脉的关系分为：1）HG 0级：肿瘤仅接触或稍推移颈内动脉，没有包绕；2）HG 1级：肿瘤部分包绕颈内动脉；3）HG 2级：肿瘤全部包绕颈内动脉，但颈内动脉没有狭窄；4）HG 3级：肿瘤全部包绕颈内动脉，颈内动脉有狭窄；5）HG 4级：肿瘤全部包绕颈内动脉并使其闭塞。三维虚拟模型及其实体解剖模型能直观显示肿瘤与周围血管真实的三维空间关系，尤其是肿瘤与颈内动脉及其主要分支大脑中动脉、大脑前动脉等重要血管的关系，提供较为准确的肿瘤与颈内动脉关系分级。通过研究、参考模型，手术操作时能有预见性地保护、避开重要血管，减少手术暴露时间，降低手术出血量。

3.2 三维模型能显示蝶骨嵴脑膜瘤与海绵窦的关系

内侧型蝶骨嵴脑膜瘤位于前中颅窝交界区，易侵袭鞍旁海绵窦。由于海绵窦区解剖极其复杂，功能十分重要，对于侵犯海绵窦内的肿瘤，是否积极予以切除目前尚无统一共识。有学者主张尽量全切除以减少肿瘤复发，但Kotapka等［14］研究发现有42%包裹血管肿瘤其肿瘤细胞已经侵犯肌层，真正意义上的全切除很难做到，而全切可能损伤海绵窦内神经及颈内动脉，严重影响患者生存质量，甚至导致灾难性的后果。三维虚拟模型及其实体解剖模型能显示肿瘤侵袭海绵窦的情况，对于术中是否打开海绵窦处理窦内肿瘤组织有重要的参考意义。

3.3 三维模型为蝶骨嵴脑膜瘤手术提供个性化参考

手术方式和入路的选择是蝶骨嵴脑膜瘤手术成败的关键，目前国内学者多数根据肿瘤的位置、大小、生长方向、附着部位及骨质破坏情况采用低位额颞入路（翼点入路）或改良翼点入路［15］。三维虚拟模型及其实体模型可完整显示肿瘤及其周围结构的三维信息。据此，术前应认真观察肿瘤的空间位置、形态、附着部位，测量肿瘤至脑皮层和颅底骨质之间的距离及角度，通过动态旋转模型，探讨不同手术入路可观察到的颅内结构，比较不同术式及入路的优缺点，从而确定最佳的个性化术式与入路。术中参照模型选择最佳头位及手术切口，制作合适的游离骨瓣，达到肿瘤的最佳暴露，减少脑组织牵拉与破坏，最大程度降低手术对患者的损伤。

此外，蝶骨嵴脑膜瘤的实体模型在神经外科临床教学中有很好的应用前景。由于蝶骨嵴脑膜瘤手术复杂，危险性大，年轻医师无法独立完成，手术操作培训相对困难，因此对其解剖关系及手术要点无法准确理解把握。3D打印实体解剖模型很好的解决了这一问题，年轻医师可以结合颅脑CT及MRI影像全方位观察模型，培养立体空间构像能力，准确掌握实际解剖关系，了解各种手术入路的利弊，极大地促进了年轻医生的成长［16］。

本研究制作5例患者的蝶骨嵴脑膜瘤三维虚拟模型及其实体解剖模型，通过对模型的观察与研究，术前能够准确了解肿瘤、颅底及邻近结构的解剖关系，针对性地分析手术中可能遇到的问题及需采取的应对措施，制定个性化最优入路及术式，手术时对照、参考模型，做到准确预判，极大提高术者信心。5例患者肿瘤均达到SimpsonⅡ级以上切除，术后恢复良好。

综上所述，基于3D打印技术制作的三维虚拟模型及其实体解剖模型对临床手术的顺利实施有极大地帮助。但本研究仅为3D打印技术在蝶骨嵴脑膜瘤切除术中的初步探索，仍需更多的临床病例进行经验总结。同时，受限于CT图像分辨率，导致直径较小的血管及颅神经难以重建并制作。因此，医学模型制作工艺的精细化是未来研究的重点方向。

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Application value of 3D printing technology in the surgery of sphenoid ridge meningioma

Yuqing LIU1,Bingwei HE2,Shengyue HUANG1,Zhikun YANG2,Jianghui ZHUANG2,Mingwu CHEN1,Shou CHEN2,Zhengjian LIAO1

1Department of Neurosurgery,Fujian Provincial Hospital,Provincial Clinical Medical College of Fujian Medical University,Fuzhou 350001,China;2School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China

Shengyue HUANG;E-mail:huangshengyue@126.com

Objective:To investigate the value of 3D printing technology in sphenoid ridge meningioma dissection.Methods:By using craniocerebral spiral enhanced CT scan DICOM images,the skull,vessels,and tumor were extracted,reconstructed,and assembled and integrated in the same coordinate system.Then,we constructed a 3D virtual model and a 3D-printed entity model,which was applied for preoperation and postoperation.Results:Virtual models of the brains of five patients were reconstructed successfully and 3D entity models were produced.The models expressed the relationship among tumors,adjacent blood vessels,and the important position of the nerve tissue.Then,the models were applied to the reference before surgery planning and after surgery.Five cases were successfully performed.Conclusion:The use of the entity model of sphenoid ridge meningioma is important in optimizing operation plans,improving tumor resection,and reducing intraoperative bleeding.

sphenoid ridge meningioma,3D printing technology,virtual model,entity model

10.3969/j.issn.1000-8179.2017.22.439

①福建省立医院神经外科（福州市350001）；②福州大学机械工程及自动化学院

*本文课题受福建省自然科学基金项目（编号：2015J01421）、福建医科大学教育教学改革研究项目（编号：J17011）和福建省医学创新课题（编号：2017-CX-14）资助

黄绳跃 huangshengyue@126.com

This work was supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province of China(No.2015J01421),Funded Project of Reform and Research on Education and Teaching of Fujian Medical University(No.J17011),and Medical Innovation Project of Science&Research Personnel Training Program on Health and Family Planning of Fujian Province(No.2017-CX-14)

（2017-04-14收稿）

（2017-11-13修回）