3D打印技术在颅内动静脉畸形个体化治疗中的初步应用体会

洪文瑶 刘宇清* 黄绳跃 何炳蔚 庄江惠 廖正俭 潘儒君

(1福建省立医院神经外科，福建 福州 350001; 2福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350116)

3D打印技术通过连续的物理层叠加，逐层增加材料，最后生成三维实体，是近年来迅猛发展的一项新技术[1]。随着医学影像技术和材料工程的不断发展，3D打印技术开始应用到医疗实践中。本研究通过应用3D打印技术制作颅内动静脉畸形(arteriovenous malformations, AVM) 的实体模型，加强与患者沟通及指导AVM治疗，现介绍如下。

一、对象与方法

1.对象：选取2016 年2月至5月于福建省立医院神经外科进行治疗的AVM 患者3例。其中男2例，女1例；平均年龄25岁。临床表现：3例均有头痛、呕吐症状，2例合并嗜睡。Spetzler-Martin分级：Ⅰ级1例，Ⅲ级1例，IV级1例；畸形血管团位于左侧额叶1例，右颞叶1例，左侧丘脑1例。

2.影像学检查：所有病例入院时均行颅脑CT血管成像(CT angiography, CTA)，采集其影像数据，重建颅内AVM三维虚拟模型。具体步骤如下：首先，利用颅脑血管成像CTA扫描(层间距0.6 mm)原始数据，以DICOM格式输出。然后，将此原始数据导入Mimics 15.0软件，采用动态自适应区域生长的分割方法，根据颅骨和血管的灰度值差异，取不同阈值分割出目标区域图像，重建三维虚拟模型。最后，对三维头颅虚拟模型进行优化处理，根据原始CT坐标关系进行配准融合，获得同一坐标系下颅骨和血管的三维复合虚拟模型。

3.3D打印颅内AVM三维实体模型及其应用：将三维复合虚拟模型保存为STL格式的文件，并导入3D打印机(Objet350 Connex3，Stratasys 公司，美国)的前端处理软件，采用光固化成型技术，将三维重建的虚拟可视化模型按照1 ∶1比例进行实体化，最终打印出实体模型。将实体模型向患者及家属展示，与其充分沟通。研究模型所显示的AVM特征，制定个性化治疗方案。

4.随访：门诊随访，随访时间平均约9个月，每3～6个月复查颅脑CTA检查。

二、结果

1.3D打印的实体模型效果：应用3D打印技术成功打印出3 例颅内AVM 的实体等比例模型，根据建模的原始数据及需求不同可获取不同显示内容的颅脑AVM 畸形模型(图1)，能清晰地显示AVM的部位、大小、供血动脉、引流静脉、及其空间结构位置关系。

2.实体模型临床应用效果：根据该模型，可鲜明、客观地向患者及其家属介绍病变及其治疗方案。3例患者分别伽马刀治疗、手术切除与保守治疗。随访期间3例患者均无再次出血。其中，1例伽马刀术后1年复查见畸形血管团明显缩小；1例切除AVM术中，应用实体模型辅助术者准确定位病灶及其供血动脉和引流静脉，从而顺利切除病灶，术后无再出血、脑梗塞等并发症，6个月后复查CTA显示未见病灶残留或复发。

图1 颅脑AVM三维实体模型

A为畸形血管团，其中黑色箭头为供血动脉，白色箭头为AVM引流静脉

三、讨论

近年来，颅脑CTA已广泛应用于临床，将成像的原始数据通过计算机进行三维虚拟模型的重建和融合，可直观显示AVM病灶，这是国内排查颅内血管病的首选检查方法之一[2-3]。3D打印是在计算机创建三维虚拟模型的基础上，对材料进行分层“打印”叠加，最终整体成形的一种快速成型技术[4]。在医学领域主要用于医学模型制造、个性化医疗器械制作和人工组织器官代替品制作等[5-6]。将患者CTA原始数据经计算机处理并制作出AVM三维实体模型，实现了从二维影像到虚拟三维影像，再到真实三维实体模型的跨越性飞跃，其逼真直观的视觉效果使得AVM 患者实现个体化诊疗成为可能。本研究采用3D打印技术重建颅内AVM实体模型，均可清晰地显示AVM的部位、大小、供血动脉、引流静脉、及其空间结构位置关系。根据模型进行关于疾病宣教、治疗决策等方面的医患沟通取得了良好的效果。

颅内动静脉畸形的治疗手段，主要有开颅手术切除[7]、血管内介入、立体定向放射治疗等。如何选择最佳个体化治疗方案不仅需要主管医师充分了解各种治疗手段，还需要结合患者的具体情况，考虑患者的价值和愿望，制定出最合理的治疗决策。因此，进行有效的医患沟通，让患者充分认识自身疾病，是进行个体化治疗的必要条件，也是获得患者良好的就医依从性以及提高治疗效果满意度的重要因素。在以前，我们只能通过影像图片、手绘简易示意图对患者进行宣教、说明，加上患者本身医学知识不足，沟通效果并不理想。绝大多数患者仅能被动的简单接受结果，而不是理解，这是造成医患纠纷的一个重要因素。有研究显示[8]，AVM的3D实体模型可以显著节省术前与患者及其家属谈话时间，提高谈话效率，并且可以提高在医患沟通中患者及家属的满意程度。3D打印AVM模型可以为患者提供视觉和触觉上的直观感受，按照个体真实的实体模型进行宣教，有效加深其对治疗方案利弊的理解，有助于提高医患沟通的效果，建立良好的医患关系，从而制定出更加个性化的治疗方案。本文3例患者均能够充分了解自身疾病，并作出符合个体需求的治疗方案，在随访过程中对治疗过程与效果均满意。因此，利用3D打印技术制作AVM畸形血管团的三维实体模型，在进行医患沟通中，将有利于改善医患关系，减少医疗纠纷，在医患共同解除疾病的过程中起到非常重要的辅助作用。

此外，3D打印AVM模型还对病灶切除手术具有一定的指导意义。在术中，准确定位AVM病灶及辨认其供血动脉与引流静脉是规划最佳手术路径的基础，更是避免正常血管以及减少脑组织损伤的保障。由于AVM 本身结构复杂，以往医师对疾病的了解仅限于对二维图片的解读，即使是3D图像的旋转，也是多幅二维图像的连续播放而已。由于血管间的重叠，无法分辨其真实的空间结构。因此，简单根据影像图片难以准确辨认及定位AVM病灶及其供血动脉等结构。近年来，随着神经导航仪的应用，术中血管定位的问题已得到初步解决，但由于该设备价格昂贵、操作复杂，在我国许多医院尚未广泛推广。利用3D打印技术制作实体模型可以直观观察及分析AVM的位置、大小、供血动脉、引流静脉、及其空间结构位置关系，有助于AVM病灶的精准定位，选择最佳手术路径。本文1例患者利用3D打印模型实时指导术者准确辨认AVM供血动脉和引流静脉，不仅顺利完整切除病灶，而且减少了脑组织和血管的损伤。

综上所述，3D打印模型有助于促进医患沟通，指导个体化治疗。但目前制约3D打印技术的临床应用存在以下因素：①影像设备的清晰度和分辨率，直接影响图像数据的质量，从而影响图像切割和融合的效果，制约着3D打印模型的逼真性；②制作模型面临多方面的挑战，如成本较高、精细程度(如对畸形团内结构的显示欠清晰) 等[9-10]。现阶段该技术处于初步临床应用阶段，尚需积累更多的病例，以取得更好的临床效果与经验。随着3D打印设备及材料的不断发展，3D打印技术将更加广泛的应用于临床，成为医疗过程实现个体化治疗必不可少的一种重要辅助工具。

参考文献

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2SCHWARTZ A, MONEY K, SPANGEHL M, et al. Office-based rapid prototyping in orthopedic surgery: a novel panning technique and review of the literature [J]. Am J Orthop (Belle Mead NJ), 2015, 44(1): 19-25.

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8陈光忠, 李鉴轶, 秦琨, 等. 3D打印技术在颅内动静脉畸形血管内介入治疗中的初步应用 [J]. 中国脑血管病杂志, 2016, 13(1): 25-28.

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