漏斗胸NUSS手术治疗中3D打印技术应用价值研究
2020-11-23尹小青
徐 翔，于 洋，尹小青
空军军医大学唐都医院信息科(西安 710038)
漏斗胸(Pectus excavatum，PE)在临床是一种十分常见的胸廓凹陷性畸形，通常由小儿先天发育异常所致，占胸壁畸形的87%～90%，发病率在0.1%～0.3%，统计数据显示男性较女性多见，男女比约 4︰1，出生后1年内90%患儿即有临床表现，随年龄增长逐渐加重[1-3]。临床体征主要表现为胸骨及肋骨凹陷，胸骨两侧的肋软骨组织向患者背侧压迫性弯曲，胸骨下部剑骨部分呈漏斗状，严重者胸骨和肋骨压迫限制心肺有效空间，不仅使胸腔有效容积减小，导致心肺受压，继而出现一系列相关呼吸系统症状，并且因为患者多为小儿和青少年，会引起发育不可逆伤害，并易引起心理疾病(如抑郁症等)。有研究[4]表明，随着“漏斗”程度的加深和时间的推移，患者心理问题日渐明显。我院根据CT影像计算出Haller指数，把漏斗胸患者分为轻度漏斗胸(Haller指数≤3.2)、中度漏斗胸(3.2
资料与方法
1 一般资料 选取空军军医大学唐都医院2015年 5月至2019年 10月收治的 11例漏斗胸患者。其中男8例，女3例，平均年龄(9.0±1.2)岁，胸骨平均Haller指数>4.3。病例纳入标准[7]：①经 X 线、CT 检查诊断为漏斗胸的患者；②年龄在3～20岁；③均为先天发育造成的漏斗胸患者；④患者身体情况能耐受手术，无手术禁忌证；⑤患者和家属同意接受3D打印技术；⑥Haller指数>3.3。排除标准[8]：①同时伴有其他先天胸廓畸形者；②伴有先天性心脑血管疾病者；③伴有严重肝、肾功能不全者；④伴有恶性肿瘤等疾病者；⑤对塑形钢板严重过敏者；⑥术后无法进行完整随访者。
现以1例接受我院改良后的NUSS钢板植入的患者为例，简要介绍3D打印制作手术导板和植入钢板的过程：患者，男，18岁，8年前无明显诱因发现前胸壁塌陷，感乏力、胸痛等不适，无恶心、呕吐、发热等症状，给予口服钙片行保守治疗，症状未见好转。来我院准备进一步治疗。来院后查体：胸骨及剑突处向内凹陷，大小约15 cm×10 cm×1.5 cm。脊柱无侧弯，无前凹；双侧呼吸动度一致，语颤无增强或减弱。双肺叩诊呈清音，肺肝界于右锁骨中线上第5肋间，双肺呼吸音清晰，未闻及干、湿啰音。从图1中可以清晰地看出患者漏斗胸表象明显。
入院后完善胸部正侧位 X 线、胸部CT检查(图2)。CT报告显示胸骨下部及剑突向内凹陷，胸廓前后径变短，Haller指数约5.1，心影形态位置未见明显异常，肺纹理走行自然。
图1 典型病例漏斗胸表象
图2 典型病例术前X 线(A)、CT(B)检查影像学表现
2 逆向工程建立胸骨模型 患者入院后完成64排CT薄层扫描，层厚0.5～1.0 mm。CT数据以DICOM 格式导出，使用Mimics 17.0软件进行医学三维重建。Mimics 17.0软件利用 Split Mask功能可以清晰地提取胸骨中硬质骨骼部分，胸骨中较低密度的纤维质软骨将不会被选中。可以使用Multiple Slice Edit功能自带的套索、画笔等对模型进行逐层编辑，去除对模型产生干扰的无用组织器官后进行胸骨三维重建，重建后的模型以STL格式保存并输出。输出后的数据导入到后处理软件Geomagic Wrap中，进行表面光滑处理，以使其呈现最为接近患者本体的效果，最后以STL格式输出。见图3。
3 设计3D打印NUSS伸缩钢板 根据重建后的三维数字胸骨模型[9-10]，使用Geomagic Wrap软件设计3D打印NUSS伸缩钢板。因患者受漏斗胸疾患影响，胸骨塌陷，无法通过逆向工程得到植入钢板数据，所以笔者与我院放射科通过PACS医学影像系统筛选出与患者年龄、身高、体重相同的正常人的CT影像数据，通过逆向工程得到植入钢板数据以及同层面胸骨后缘到椎体前缘的距离，再通过统计学方法与胸外科医生商定钢板植入3～4年患者可能的发育情况[11]，在钢板伸缩部分预留出患者在矫形钢板植入期间胸骨可能生长的大小，以保证不会因为植入钢板而限制患者生长，最大限度地保证手术的效果和预防因正常生长而引起的钢板移位[12]。利用NX 软件(Version 10.0，USA)设计手术所需的伸缩钢板，钢板的伸缩结构5 cm。钢板一侧设计为加宽和打孔结构，以方便手术中固定钢板。另一侧无加宽，为钢板穿过患者身体一方。见图4。
4 3D打印方法
4.1 3D打印胸骨模型[13]：将Geomagic Wrap中最后输出的STL格式文件导入切片软件中，设置为线性支撑，打印模型壁厚1.5 mm，每层厚度0.3 mm，打印速度为45 mm/s，内部填充系数设置为30%，使用直径为0.4 mm挤出头，打印温度恒定230 ℃。通过切片软件生成.gcode格式文件，最后将生成的切片文件导入我院自行开发研制的3D打印设备进行打印。打印结束后去掉支撑并进行表面处理。见图5。
4.2 3D打印NUSS伸缩钢板：将设计好的伸缩钢板数字模型导出为STL格式文件并提供给合作公司，由合作公司打印并进行后期表面打磨和热处理，再交付我院使用。见图6。
A、B：逐层编辑数据影像；C：无纤维质软骨三维重建；D：初始三维CAD 模型
A、B：通过NX设计伸缩钢板；C、D：在患者三维胸骨上确定钢板尺寸
5 模拟手术确定最终手术方案 通过对患者3D打印后的模型及三维重建后的三维图片进行分析[14]，可以得到更为直观、全面的数据和效果，这些数据是无法从X线、CT等医学影像数据显示得到的，通过与我院胸腔外科专家团队之间的术前沟通和在患者3D打印模型上的模拟手术，最后确定了患者的手术方案：在胸腔镜引导下，首先手术植入点通过漏斗胸凹陷处的最低点确定两侧胸骨最高点的胸骨位置，然后在所确定点左右两侧取一长约2 cm的切口，位于腋前线与中线之间。在切口处逐层分离胸壁直达肋骨，在右侧切口处利用胸腔镜导入导向穿通器，将术前打印好的3D打印植入钢板凸面向后通过穿通器引导穿过漏斗胸最低点，到达右侧胸骨预定位置。在确定未造成其他损伤后，将矫形板翻转180 °，胸廓矫正达到前期预设形状[15]。植入器械完成固定，通过胸腔镜寻找有无误操作出血点，确定完成后鼓肺排气，置入胸腔引流管，缝合切口，手术完成。见图7。
图5 3D打印患者胸骨模型
图6 3D打印NUSS钢板拉伸状态(A)与收缩状态(B)
A：确定手术路径；B：在模型上模拟手术；C：在模型上预估手术效果
结 果
1 医学影像学检查 11例患者均行漏斗胸NUSS手术治疗及3D打印手术导板模拟手术确定手术路径，其中3例患者采用3D打印可伸缩钢板植入。11名患者术后均达到了手术预期，Haller指数<2.9，体格检查显示恢复正常，主诉无乏力、胸痛等不适以及漏斗胸所引起的其他症状。术后通过CT及三维重建后的医学影像显示，植入后的钢板与胸壁完全吻合，钢板撑起了漏斗胸的凹陷最低点到脊柱前方的距离值，与在3D打印模型中模拟手术的效果一致[16]。见图8。
2 患者手术前后相关指标比较 见表1。与手术前相比，手术后“漏斗”最深点到脊柱前方的距离较高，Haller指数较低，差异均有统计学意义(均P<0.01)。
表1 患者手术前后相关指标比较
A、B：CT影像中高亮处为3D打印伸缩钢板；C：X线检查可清楚看到钢板植入位置；D：三维重建后钢板位置
讨 论
漏斗胸使用胸腔镜引导下NUSS矫正术具有创伤小、手术时间短、术后恢复快、矫正效果好等技术优点，但是随着NUSS 矫正术的推广，其诸多不足一一暴露，如：①NUSS矫正术在手术操作过程中易损伤胸内脏；②在手术过程中大范围翻转胸骨造成软组织损伤；③因患者个体差异，无定制植入器械；④手术后期效果难以评估；⑤矫正钢板植入后，因钢板尺寸限制患者骨骼发育而未达到矫形效果，被迫二期手术取出[17]。
鉴于以上诸多不利因素，我院在原NUSS 手术基础上，使用MRI、CT血管造影(CT angiography，CTA)等辅助检查的影像学DICOM数据进行三维人体骨骼和器官重建，针对不同患者的三维医学指标，利用3D打印技术制作可伸缩钢板，改良后植入矫形钢板，做到了个性化定制。3D打印技术改良后的NUSS矫形术相较传统手术的优点有：①利用3D打印患者胸骨1︰1手术模型以指导手术，可以做到术前心中有数，术中避开易损器官；②不再依靠医生个人经验手工弯制矫形钢板，而是利用3D打印技术制作的矫正钢板，实现矫形植入器械的精准化；③通过三维重建数字模型所制作的矫形钢板可以预估后期矫形效果；④3D打印所设计的钢板可以在患者体内放置更长时间，最大限度地使矫形达到预期效果。
3D打印NUSS手术植入钢板可依据患者CT影像得到三维数据定制个性化植入物，生物契合度高，手术中不会因个体性差异调整钢板尺寸，钢板更易放置，缩短了手术中固定时间，置钉成功率也随之大大提高，降低了手术风险和复杂度。笔者在制作NUSS手术植入钢板时，不仅按照患者生长因素定制了可伸缩部分，减轻了重量，有利于胸骨生长，还定制了用来固定钢板的契合部位，使得在手术置钉效率和成功率大大提高的同时植入后的稳定性也得到了加强。手术后CT复检显示临床效果满意。3D打印技术和数字化医疗技术的引入，使传统的依靠医生个人经验矫形的手术实现了个性化定制，提前做到手术方案和手术器械的“私人订制”。在NUSS 手术矫治漏斗胸中应用改良后的植入矫形钢板，取得了很好的临床治疗效果。未来3D 打印技术在胸腔外科的临床应用会有更大的发展空间，最终达到精确医疗、个体化治疗的目的。
