多模态影像融合联合多介质3D打印在复杂颈椎管内外沟通性肿瘤手术中的应用

何光建，薛兴森，陈欣，张洪燕，刘静静，林江凯，储卫华

颈段椎管内外沟通性肿瘤比较常见，占颈椎管肿瘤的比例可达30%[1-3]。复杂的颈椎管内外沟通性肿瘤常严重压迫脊髓、破坏颈椎骨质、侵犯椎动脉，涉及重要结构多、解剖复杂，手术全切难度大、风险大[4-6]。一种影像学检查方法并不能对各种组织都清楚显示，如MRI对肿瘤显像、CT薄层扫描对骨质显像、CTA对血管显像有明显的优势；而构建准确的术区重要组织结构的三维模型，为术者提供病变区域的全景影像，将有助于提高肿瘤全切率、降低手术误伤风险。陆军军医大学第一附属医院(西南医院)神经外科2016年1月—2020年9月收治21例复杂颈椎管内外沟通性肿瘤患者，在术前对患者的MRI、CT薄层扫描、CTA检查信息通过多模态影像AI融合技术，构建肿瘤、血管、骨质三介质的三维可视化数字模型，并通过多介质3D打印技术将模型实体化，用于规划手术方案、指导术中操作，取得了良好效果。现分析报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组患者中男12例，女9例；年龄16～69岁，平均年龄43.2岁；主要临床表现为颈部疼痛19例(90.5%)、肢体麻木疼痛17例(80%)、肢体无力7例(33.3%)和括约肌功能障碍2例(9.5%)。同时满足下列3个条件的颈椎管内外沟通性肿瘤定义为复杂颈椎管内外沟通性肿瘤：(1)肿瘤长径超过4 cm；(2)破坏脊柱骨质；(3)包裹或挤压椎动脉。

1.2 方法

1.2.1 多模态影像融合联合3D打印 所有患者术前均行颈椎MRI、CT薄层扫描及CTA检查。将MRI、CT薄层扫描及CTA检查数据以DICOM格式输出，导入3D Slicer(Version 4.10.2)软件中；采用动态自适应区域生长的分割方法，根据肿瘤、骨质、血管的信号值和密度值差异，分割出目标区域的图像，提取相应的组织结构。基于CT影像重建出脊柱骨质，基于CTA影像重建出椎动脉、颈内动脉、颈内静脉等大血管，基于CT及MRI融合影像重建出肿瘤的三维数字模型。通过软件自动分割及手动调整去除冗杂数据，剔除无关的组织结构，优化三维虚拟模型。并根据CT原始坐标系，用AI技术将肿瘤、血管和脊柱骨质等组织融合，获得同一坐标系下各组织结构的复合三维可视化虚拟模型，直观地显示肿瘤与毗邻区域骨骼及神经血管结构之间的立体结构关系。再应用多介质3D打印技术，将三维可视化模型数据导入Magics软件(Version 21.0)，采用立体光固化成形技术，打印制作出与实际大小一致的实体模型。对需要内固定的患者，同时在模型上设计并打印出最佳钉道。

1.2.2 手术方法 根据患者肿瘤、血管、脊柱骨质的三维可视化数字模型和3D打印实体模型，设计手术入路并用于术中指导操作。常规手术准备，按照如下标准进行入路选择：(1)对椎间孔外直径≤2 cm的肿瘤实施单纯后路切除；(2)对椎间孔外直径>2 cm的肿瘤实施前后联合入路切除；(3)对未突破椎间孔内侧的肿瘤实施单纯前路或侧路切除。根据多介质3D打印实体模型显示的肿瘤对脊柱骨质侵蚀程度和术中需要咬除的骨质范围，达到以下标准之一的患者建议实施一期内固定：(1)侧块关节完全破坏；(2)椎体骨质破坏超过1/2；(3)侧块关节合并椎体骨质破坏均在1/3～1/2之间。

2 结 果

2.1 多模态影像融合联合3D打印指导手术的效果 本组患者术前均构建了多模态影像融合的三维可视化数字模型和3D打印实体模型，清晰立体地显示肿瘤与脊柱骨质、大血管(椎动脉、颈动静脉)的位置关系，较二维及单模态影像提供了更加丰富全面的解剖结构信息(图1)。所有患者均有侧块及椎弓根的破坏，伴椎体骨质破坏者7例，其中2例患者的破坏程度超过1/2；肿瘤包裹椎动脉的患者9例，压迫椎动脉的患者12例，对颈部血管鞘有显著挤压的患者4例。手术全部按照模型设计的入路进行，其中实施单纯后路切除者12例、前后联合入路者7例、单纯前路和侧路者各1例。本组患者的肿瘤均实现了镜下全切；术后病理诊断：神经鞘瘤17例、神经纤维瘤2例、孤立性纤维瘤1例、血管淋巴管瘤1例。同期行单独后路侧块或椎弓根钉棒内固定者7例，行单侧后路钉棒联合前路椎体切除椎间融合(ACCF)固定者2例(图2)。

A：颈椎CT薄层扫描骨窗位示颈7右侧椎弓根缺失、椎体部分破坏；B：CT增强扫描示肿瘤部分强化；C：轴位; D：矢状位; E：冠状位，MRI增强扫描示肿瘤明显强化；F：CTA; G：多模态影像融合重建清晰显示肿瘤与周围结构关系；H-J：多介质3D打印模型显示肿瘤及颈椎和动静脉血管(黄色—肿瘤，白色—骨质，红色—动脉，蓝色—静脉)

A：术前颈椎CT薄层扫描骨窗位示颈5椎体破坏、左侧椎弓根缺失；B：CT增强扫描示肿瘤无强化；C：轴位; D：矢状位; E：冠状位，MRI增强扫描示肿瘤明显强化；F：血管与骨质影像融合重建；G：3D打印模型；H-J：术后MRI增强扫描示肿瘤全切；K：术后X线片示，前方颈5椎体次全切植骨融合内固定(ACCF)联合单侧后方侧块钉棒内固定

2.2 手术疗效及预后 术后，本组患者中颈部疼痛改善者17例(17/19，89.5%)，肢体麻木疼痛改善13例(13/17，76.5%)，肢体无力改善4例(4/7，57.1%)，括约肌功能障碍改善2例(2/2，100%)。有2例患者的神经损伤症状加重(局部感觉减退、部分肌肉肌力下降)，但日常活动均能自理；无瘫痪病例。9例行一期内固定的患者共植入螺钉41枚，均位置良好，未出现脊髓、大血管及相邻脏器损伤等并发症。本组患者术后随访6～52个月，平均22.7个月；随访期间均无肿瘤复发，内固定均在位。

3 讨 论

椎管内外沟通性肿瘤,又称“哑铃型”肿瘤，是起源于椎管内，通过椎间孔或椎板、椎体间隙等解剖结构，由椎管内长出椎管外的一类肿瘤[7]。椎管内外沟通性肿瘤在颈段最为多见，也可见于胸、腰段锥体；其中神经源性的肿瘤约占椎管内外沟通性肿瘤的95%[8]。对于复杂的颈椎管内外沟通行肿瘤的手术治疗，考虑到其与椎动脉、椎弓根、横突、锥体前外侧部分以及大多数颈神经根的近端有密切关系，此类手术对术前评估、手术方案制定、手术操作等方面均有较高要求[9-10]。充分了解患者以上解剖结构，以及其与瘤体之间的相互关系，为肿瘤一期全切、血管神经保护及脊柱稳定性保护与重建提供了更好的保证。各种传统影像学检查虽然各具特点，但由于其成像原理的不同，单模态影像学检查信息量比较片面，存在着各自的不足，很难做到在单一模态下对所有组织结构进行清晰显像。如MRI检查的优势在于对软组织和神经结构的分辨率高，但对骨质和血管的显示不够清楚；而CT薄层扫描能提供高分辨率的骨结构影像，CTA能显示清晰的血管影像，但对肿瘤等软组织的显像通常不佳。术者往往只能通过空间拟合的方式，将在MRI检查中观察到瘤体的大致情况，转换到CT三维重建的图像中的椎体；增加了术者准确判断肿瘤与周围解剖结构位置关系的难度。对复杂的颈椎管内外沟通性肿瘤，建立术区解剖的三维结构影像尤为重要。传统单模态影像使术者难以精准评估肿瘤与重要组织结构的关系，在手术全切肿瘤时易误伤椎动脉，导致灾难性后果；而如手术偏保守时又会残留肿瘤，需要二次甚至多次手术[11-15]。因此，构建肿瘤与周围重要组织结构的三维影像对精确评估术区解剖、降低术后血管神经损伤并发症有重要意义。

随着计算机辅助手术、3D打印技术的不断发展，3D打印技术在辅助手术治疗，特别是神经外科手术方面得到越来越多的关注[16]。将2D影像或相关解剖结构转化以3D视角展示，为以解剖学知识为基础的外科手术提供了极大的便利。在颈椎内固定手术方面，Kawaguch等应用3D打印技术构建手术导航模型，开发了一种使用三维图像引导的颈椎椎弓根螺钉和Magerl螺钉植入的新技术，取得了满意的手术效果[17]。Lu等则通过使用3D打印的导板，开发出一种新型计算机辅助钻孔引导模板放置颈2椎板螺钉的技术，能在术前制定螺钉安放轨迹及提前调整安放螺钉大小，将螺钉更安全地固定于环枢椎这一曾经的“手术禁区”[18]。然而，这类单一的3D数字及打印模型在神经外科临床应用中还存在不足，应用价值有限。由于大多数常见临床应用的3D打印模型都是使用CT作为单一的成像源来创建的，因此只能对诸如骨骼等解剖结构进行准确分割[19]。而对于颅脑和脊柱肿瘤手术来说，更要关注瘤体与神经和血管的位置关系。CT对软组织的显像对比度远不及MRI，无法高精度地区分病变与神经血管之间的解剖关系[20]，所以在神经系统病变单纯使用CT进行3D打印建模是远远不够的。如何融合两个乃至多个成像模态的数据，获得更加真实、准确的“杂交”3D数字及打印模型，是其在神经外科临床应用的主要难题。

通过将CT或MRI设备在协议上进行适配，能够将不同成像原理下得到的多种图像进行空间配准和叠加，使得多模态影像融合更为精准和便捷。在经过提取单模态影像的目标组织数据，删除其他组织的冗余信息等后处理过程后，综合各种模态影像检查的优势，从而克服单一影像模式的局限性，得到更为准确、全面、严谨及更具细节的影像学信息[21-23]。而这些影像学信息，也为生成高质量的3D重建图像，乃至更精确地生成可打印的3D模型成为可能[24]。有研究表明，以3D打印模型制定的颈椎外科手术计划，能通过减少手术时间和术后并发症提高外科手术的安全性[25-26]，使外科医生获得技能训练的方式也得到了改进[27]，促进了患者个体化的精准治疗[28]。

本研究将MRI影像中的肿瘤和神经、CT薄层扫描中的骨质及CTA中的血管数据提取后，通过多模态影像融合技术将肿瘤、骨质、血管三种与手术密切相关的组织进行三维融合，重建了颈椎管内外肿瘤术区的立体解剖结构，再现了肿瘤与毗邻重要结构的三维位置关系。同时通过多介质3D打印技术，将数字影像转为实体模型，进一步提升了可视化和直观性。本研究对21例复杂颈椎管内外沟通性肿瘤患者，应用多模态影像融合的数字及实体模型指导制定手术计划和术中实时导航参照；实现了所有患者的肿瘤一期全切除，同时对椎动脉和脊髓零损伤；肿瘤全切率较以往同类手术有明显的提升，而并发症发生率明显降低[29-30]。多模态影像融合及多介质3D打印技术用于复杂颈椎管内外沟通性肿瘤手术的主要优势在于：(1)多模态数字及实体模型直观呈现了骨、血管、肿瘤三种主要组织解剖关系，能显示二维影像不能分辨的一些隐匿信息。如可以了解椎动脉在肿瘤中的走行，指导术中采取保护措施避免损伤；(2)3D打印模型对手术操作有很好的指导作用，方便术中实时参考椎动脉的走行，避免误伤，还可计划多种切除路径，减少对关键骨质的破坏，避免术后出现脊柱不稳。对需要进行脊柱内固定的患者3D模型不仅给予直观参考，还可利用导板术中准确定位进针点和方向以指导置钉；(3)便于病情告知，提高沟通效率。患者及其家属可直观了解病情的复杂性和手术相关风险，减少沟通障碍和时间；(4)良好的临床教学工具。作为临床手术培训教具，能使年轻医生快速掌握相关知识和理解手术方案，不仅利于提高考试成绩，也可使其作为助手能更好地配合术中操作。

综上所述，多模态影像融合联合多介质3D打印技术能直观地显示，复杂颈椎管内外沟通性肿瘤患者的骨、血管与肿瘤的三维空间位置关系；有助于术前手术规划和术中对神经血管和脊柱稳定性的保护，提高了肿瘤全切率、降低了并发症；具有重要的临床应用和教学价值，值得推广应用。