颅内动脉瘤3D打印模型构建及临床研究*

2020-04-01周赤忠张雪梅

中国医学装备 2020年3期

杨学周赤忠* 张雪梅陈俊罗宽

显微外科修剪是脑动脉瘤手术的标准技术，合适的手术方案是该手术成功的关键[1]。术前成像无法清楚地向外科医生清楚地显示动脉瘤与周围颅神经，脉管系统和其他关键解剖结构之间复杂的解剖关系[2-3]。三维(three dimensional，3D)打印技术的发展为动脉瘤的外科治疗提供了一种新方法。3D打印技术已广泛应用于口腔外科和整形外科，但目前关于其在动脉瘤治疗中的应用报道较少[4]。为此，本研究探讨制作3D打印个体动脉瘤模型的材料其价值以及构建3D打印模型的方法，评估颅内动脉瘤的治疗价值，为临床3D打印技术在颅内动脉瘤的应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年1月至2019年1月在武汉科技大学附属普仁医院神经外科诊断治疗的50例自发性蛛网膜下腔出血或脑内血肿患者，均经头颅3D-CT血管造影(3D-computed tomography angiography，3D-CTA)及全脑血管造影确诊为颅内动脉瘤。患者中男性22例，女性28例；年龄40～65岁，平均年龄(49.34±7.38)岁；入院时患者经亨特·赫斯(Hunt-Hess)评分[5]：Ⅰ级9例，Ⅱ级23例，Ⅲ级15例，Ⅳ级3例；动脉瘤部位中颈内动脉瘤4例，大脑前与中动脉瘤10例和14例，前与后交通动脉瘤12例和6例，基底动脉2例，椎动脉2例。

1.2 仪器与试剂

采用Toshiba Aquilion one型320排CT扫描仪(日本东芝公司)。碘普罗胺注射液300(拜耳医药保健有限公司广州分公司，碘浓度300 mg/mL，国药准字H10970417)。

1.3 3D打印模型构建及应用方法

1.3.1 3D虚拟模型构建

采用Aquilion one型320排CT扫描仪，从颅底至颅顶进行颅内动脉瘤3D-CTA扫描，采集原始数据。扫描参数：视野250 mm，矩阵512×512，管电压120 kV，管电流300 mAs，探测器覆盖范围20～40 mm，螺旋厚度0.625 mm，间距0.625 mm；基于C3～C4椎体为监测时间点，使用高压注射器静脉，注射速度5.0 ml/s，注射液成分为10 ml生理盐水+20 ml碘普罗胺注射液300(碘浓度300 mg/ml)，根据时间密度曲线与增强扫描最终获得原始像数据，导入Mimics软件。采用动态自适应区域分割脑血管区域，设置X轴、Y轴和Z轴，定义阈值界限。根据颅骨和血管的灰度值差异，重建3D虚拟模型，并优化处理。根据原始CT坐标装配融合，继而获得颅骨和血管的3D虚拟模型，清楚的展示动脉瘤的部位、大小、朝向及其与颅骨和周边血管的空间位置。

1.3.2 3D打印模型建立

颅内动脉瘤3D打印模型的建立。将3D虚拟模型导入快速成型机前处理软件，采用光固化成型技术(Prisim 400，耗材光敏树脂，成型速度1000 g/s，打印精度254×379×508 dpi)，通过紫外线或者其他光源照射凝固成型，逐层固化。将颅内动脉瘤3D虚拟模型按照原比例进行打印制作出实体模型，在术前、术中的应用提供全面直观的参考。

1.3.3 3D打印模型应用

3D打印模型在术前和术中的应用。术前将3D实体打印模型向患者家属展示有助于建立良好的沟通，请有丰富经验的两位主任医师与专家多角度观察3D模拟模型，评估3D打印模型，并设计手术入路，模拟上夹。

1.4 临床评价指标

(1)采用格拉斯哥预后量表(Glasgow outcome scale，GOS)评分[6]评估术后脑损伤恢复程度及预后情况：①痊愈良好，恢复正常生活，轻度小残疾；②中度残疾，但尚可独立生活，在有保护的情况下工作；③重度残疾，不能独立日常生活与工作，需要照顾；④一直为植物生存状态，保留眼部活动与睡眠周期；⑤死亡。

(2)3D打印模型对在CTA下已行手术方案比较，评估3D打印模型的应用价值。

2 结果

2.1 部分动脉瘤患者的3D打印模型与已行手术方案情况

在50例患者中发现75枚动脉瘤，经手术夹闭71枚，行包囊术4枚。术后1周内复查，CTA结果显示完全夹闭69枚。术后GOS评分：死亡1例，重度4例，轻度、中度残疾12例，良好33例，GOS评分4～5分占90%，1～3分占10%。手术不良事件：无误夹重要的穿支动脉及毗邻血管病例，而瘤颈残留2例，载瘤动脉狭窄2例，不良发生率为8 %。见表1。

2.2 典型病例分析

(1)病例一。患者女性，52岁，因“突发头痛13 h”入院，经头颅CTA示动脉瘤存在左侧大脑前动脉A3段与中动脉M1段、左侧椎与基底动脉段分别存在1枚(蓝色箭头示)。经3D打印模型后，发现处于脑干腹外侧面的椎动脉动脉瘤，行远外侧入路并手术夹闭；基底动脉段的瘤体朝向上，采用眶上锁孔入路并夹闭动脉瘤M1段，与术中所见基本一致，见图1。

(2)病例二。患者女性，44岁，因“突发人事不省8 h”入院，经头颅CTA示动脉瘤存在左侧椎动脉段、右侧大脑中动脉M1段与后交通段各1枚(蓝色箭头示)。由于动脉瘤椎动脉段破裂出血，行右侧远外侧入路术。3D打印模型可见斜坡岩骨交界处与动脉瘤粘连，磨除骨窗时可见动脉瘤显露不完全，舌下骨性突起阻挡视野，致术者操作不便，见图2。

表1 部分动脉瘤患者的3D打印模型与已行手术方案情况

图1 颅内动脉瘤3D打印模型示图

图2 颅内动脉瘤重建后图像

3 讨论

脑动脉瘤中的血流动力学常用于评估动脉瘤破裂风险、生长或再通的可能性[7]。目前，采用CTA和数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)的标准成像方案不能够测量或量化血液速度或体积流速，故附加成像检查的实施是研究的主题，并且如果患者的治疗被不适当地延迟则可能是不能预料的[8]。作为替代技术已经提出计算建模来研究动脉瘤血流动力学，但其结果的有效性和适用性尚未确定，或者已经提出了使用简化或患者特异性几何形状的动脉瘤复制品的离体成像[9-10]。3D打印的增材制造技术已在各种医疗中应用，为患者创建个体患者解剖结构的精确模型，在手术期间和用于手术训练和(或)计划的视觉辅助，以及作为患者特定的模型[11-12]。新一代消费级3D打印机使整个打印过程实现现场、快速且经济高效，但是以此种方式创建的复制品的准确性仍有待确定[13-14]。3D打印技术的发展为手术治疗提供了一种新的方法，但目前关于其在动脉瘤治疗中应用的报道较少。

Yin等[15]报道，3D打印模型可用作操作物理模型来设计手术方案，有助于手术计划，尤其是治疗难治性多发性骨折的术前计划动脉瘤和巨大动脉瘤。通过3D实体打印的动脉瘤特征可准确的为术中选择最佳体位与手术入路提高直观的参考，暴露出最佳的动脉瘤颈，使临床手术操作者很好的掌握动脉瘤颈部及周边血管的关系。金国良等[16]采用颅内动脉瘤3D打印模型可很好展示脑血管(载瘤动脉的关系和周围分支血管)和颅内动脉瘤大小、形状及瘤体朝向的情况，可以为开颅动脉瘤术前、术中颅内动脉瘤瘤夹选择和夹闭方式提供良好的参考价值。颅内动脉瘤的介入治疗日趋完善，尤其在开颅手术中可以很好地暴露手术位置。动脉瘤栓塞中微导管的精准塑形直接决定手术的成功与否，关键是微导管精准到位动脉瘤囊内以及微导管头端需保持良好的稳定性，而3D打印技术可以三维重建动脉瘤复合体获得较好的动脉瘤与载瘤动脉成角、空间位置的变化，指导微导管塑形，提高手术成功率[17-18]。

Anderson等[19]研究表明，对10名受试者创建3D打印的动脉瘤模型与源解剖结构之间存在良好的一致性，印刷模型和源图像的动脉瘤直径测量值相关性良好，提示3D打印动脉瘤模型是准确的且能够在室内生产，可以用于先前引用的应用，解剖学的精确度还能够将其用于MRI流动模型。钱希颖等[20]研究显示，3D打印技术能较好的显示动脉瘤及其毗邻解剖结构的空间关系，具有良好的临床应用前景。周路球等[21]采用全仿真模型明显提高动脉瘤手术的质量，改善预后。

本研究应用3D打印的动脉瘤模型，设计手术入路，模拟上夹，显示出较好的临床价值，50例患者发现75枚动脉瘤，经手术夹闭71枚，行包囊术4枚。术后1周内复查CTA，其结果显示，完全夹闭69枚；术后GOS评分4～5分占90%，1～3分占10%。手术无误夹重要的穿支动脉及毗邻血管病例，不良发生率为8%，表明3D打印的动脉瘤模型具有较高的临床应用价值。