多模态影像融合结合3D打印技术在大脑镰旁脑膜瘤切除术中的初步应用

廖正俭，刘宇清，何炳蔚，黄绳跃，陈 寿，杨智坤，洪文瑶，陈忠仪

大脑镰旁脑膜瘤是较常见的颅内良性肿瘤之一，起病慢，病程长，发现时往往肿瘤体积较大，由于所在位置毗邻重要的神经血管结构，其手术一直是神经外科的难点之一[1]，术中瘤周皮层静脉及侧支静脉的保护和上下矢状窦的妥善处置是大脑镰旁脑膜瘤手术成功的关键。本研究回顾性收集5例患有大脑镰旁脑膜瘤患者的CT与MRI多模态影像数据，利用计算机建立三维虚拟模型，结合正向设计及3D打印技术，制作出高逼真度、等比例、多色彩的实体解剖模型，并评价融合CT与MRI图像的多模态结合3D打印技术在大脑镰旁脑膜瘤外科手术中的应用价值，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料:选取2017年3-9月我科收治的5例大脑镰旁脑膜瘤患者，其中男2例，女3例；平均年龄(44.6±4.3)岁。术前常规颅脑CT(CTV、CTA)与MRI检查诊断为大脑镰旁脑膜瘤，根据病变周围的结构特点，选择性扫描MRA、MRV等序列。

1.2 方法:应用多模态影像融合分析CT、MRI术前影像学资料，获得关于肿瘤及其毗邻神经血管结构的关系信息，以DICOM格式输出。将DICOM格式的CT、MRI影像数据分别导入医学逆向建模软件Mimics 15.0(Materialise公司，比利时)，利用阈值选取技术，根据颅骨、血管、肿瘤、脑组织、大脑镰等组织结构的灰度特点进行阈值划分，利用区域增长技术重建获得各个组织结构的三维虚拟模型；最后以CT、MRI数据中分别重建得到的模型为基准进行配准融合，实现不同模态数据坐标的统一，完成原始颅脑三维虚拟模型构建，以直观地显示脑膜瘤的部位、形态、大小及与周围组织血管的关系。3D打印技术将三维虚拟模型以STL格式导入快速成型机处理软件，将三维虚拟模型进一步实体化，制作出和实际同样比例的实体模型。同时，术中可随时单独调用CT、MRI图像或融合图像，显微镜下进行手术。

1.3 观察指标:根据患者术前及术后复查的影像学资料计算肿瘤的切除程度(EOR)，并于术后4周再次进行KPS评分。

2 结果

所有研究对象均成功构建出三维虚拟模型，同时进一步实体化制作出大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型，清晰显示出肿瘤与矢状窦、周边引流静脉及大脑镰等重要解剖结构的关系。术者利用该模型制订出完善的手术预案，并在融合CT与MRI图像的多模态3D打印技术指引下避开重要血管，顺利完成手术。5例病例通过影像学随访，肿瘤全切除4例，次全切除1例；无术后明显脑水肿、颅内出血及新增神经功能障碍，无1例死亡。术后随访4～12个月，4周后KPS评分均>60分，生活均可自理；其中1例肿瘤残留于术后3个月行γ刀治疗，5例均未见肿瘤复发。

典型病例：男性，45岁，主因左侧肢体无力1年，于2017年8月30日入院，在外院行头部CT检查显示右侧额顶部占位伴周围水肿，为求进一步治疗收住我科。入院时患者神志清楚，脑神经检查无异常，KPS评分90分。术前CTV及MRI检查考虑为右额顶部大脑镰旁脑膜瘤。该患者通过融合CT与MRI多模态图像构建3D实体解剖模型，依据实体肿瘤模型制订手术预案，术前向患者及其家属展示实体模型，使患者对自身所患疾病有更为直观的了解，同时术中参照解剖模型，设计手术切口及手术入路，了解肿瘤与周围重要结构的解剖关系，避免因定位偏差造成不必要的损伤，同时能增加肿瘤的显露，精准切除肿瘤，手术过程顺利。术后的影像检查也进一步证实肿瘤全切除，尽管该患者短期临床症状较术前稍加重，但术后4周随访其临床症状恢复至术前状态，且KPS评分为100分，病理证实为脑膜瘤。

3 讨论

大脑镰旁脑膜瘤是脑膜瘤的好发部位之一，与其他部位脑膜瘤不同，肿瘤常埋入大脑半球实质内，与矢状窦、中央沟等引流静脉关系密切，基底部较宽，且位置较深，手术空间狭窄，暴露困难，既要争取全切肿瘤，又要注意保护皮层组织、引流静脉，尤其要保护那些比较粗大的引流静脉[2]，并妥善处理上下矢状窦。因此，手术难度相对较大，操作不当容易导致脑组织及动静脉血管损伤，出现严重并发症。

近年来，随着解剖学、影像学和医学科学技术的飞速发展，既往基于单一MRI或CT图像的技术应用于显微神经外科已显示出明显局限性。简单地说，多模态影像融合技术就是将同一研究对象的不同影像信息经过空间配准和叠加后合成一幅图像，克服了单一影像模式的局限性，可获得更为准确、全面的细节描述，达到综合利用、优势互补的目的[3]。其多源影像数据叠加技术，可以同时对患者术前[包括CT(CTA、CTV)、MRI(MRA、MRV、MRS、DWI等]任意两种以上影像数据信息进行融合，提供直观的、精确的肿瘤位置信息及其与矢状窦、皮层引流静脉等静脉系统及功能区的解剖关系，辅助术者安全、顺利进行手术。目前已有较多文献报道将CT、MRI图像融合应用于垂体肿瘤及颅底肿瘤等手术中[4-5]。

3D打印技术是快速成型技术之一，通过计算机读取图像数据，经数据转换处理、图像融合，建立三维虚拟模型，该模型可按照需求任意设计、修改，最终打印制作出不同颜色、质地的实体模型。20世纪80年代3D打印技术首先应用于工程领域，近年来，已在医学模型制造、个性化医疗器械制作、人工组织器官替代品制作等医学领域中逐步应用[6-8]，基于神经解剖结构复杂多样，目前该技术应用于神经外科正处于起步阶段[9-10]。在本次研究中，我们选择在大脑镰旁脑膜瘤的外科手术中，应用MRI-CT多模态影像融合技术，提取相关数据信息重建形成三维虚拟模型，再结合3D打印技术打印肿瘤及其周围组织血管等实物模型，并利用该模型交代病情、模拟手术、制订诊治方案及指导术中操作，以相对较小的创伤代价到达肿瘤部位，在切除肿瘤的同时，避开重要的神经血管结构，提高了手术的快捷性、准确性、安全性。

本研究应用多模态影像融合结合3D打印技术构建实体模型，其具有以下明显优势：①头部CTV可以清晰显示大脑静脉系统，对术前评估静脉窦的侵犯程度和侧支静脉吻合有帮助。②MRI能明确肿瘤的边界及其与周围脑组织的关系。③显示每位患者肿瘤周围血管解剖关系存在的明显个体差异。实体肿瘤3D模型逼真直观的视觉效果对个性化手术预案的设计及实施有极大的帮助；对非医学的患者来说，颅脑结构神秘且复杂，术前向患者及其家属展示实体模型，可使其对疾病有直观了解，并有助于医患间的有效沟通。目前，国内外应用多模态影像融合结合3D打印技术重建的大脑镰旁脑膜瘤实体模型暂无相关报道。本研究5例患者均采用多模态影像融合结合3D打印技术重建大脑镰旁脑膜瘤实体模型，实体解剖模型可清晰显示肿瘤与周围神经、血管的关系，术前有助于医务人员讨论患者病情及与患者进行有效沟通，制订完善的手术预案；术中参照实体模型，准确设计手术切口及入路，可提高手术的准确性，避免因定位偏差对周围重要组织结构造成损伤，减少术中的盲目性，缩短手术时间，提高手术安全性，使手术取得良好效果。

尽管目前应用多模态医学影像融合技术并结合3D打印技术构建实体模型处于刚刚起步的阶段，但我们相信可以通过努力克服多模态医学影像融合中存在的问题，并不断提高三维重建及3D打印精度，为颅内肿瘤手术治疗提供更全面准确的实体模型。