基于导航模板的遮挡性病灶模型的曲针穿刺效果分析

聂 慧，马立武，李 伟*，段光峰，刘 琦，张汝森，彭俊琴，林培颖

（1.广州医科大学附属肿瘤医院保健病区，广州 510095；2.广州医科大学附属肿瘤医院核医学科，广州 510095；3.广州医科大学附属肿瘤医院介入科，广州 510095；4.广州医科大学附属肿瘤医院放射科，广州 510095）

0 引言

医疗穿刺是医学临床的基础操作技术之一，除了常见的静脉注射、肌肉注射等护理操作，还主要见于活检[1]、粒子插植[2]、局部消融[3]、深部引流[4]等临床微创介入操作。目前的临床常规介入穿刺使用的穿刺针都是直针，其穿刺路径也是直线，因此，当靶病灶被障碍物遮挡时，直线的穿刺路径很难避开而只能选择穿过障碍物。如果这些障碍物是机体重要的组织或器官，穿刺可能会造成额外的损伤甚至严重的并发症。如果这些障碍物的硬度大而难以穿透，则可能会导致无法完成穿刺任务，或者较大的穿刺力度可能造成穿刺路径的偏移。因此，对于这些被遮挡的病灶，目前的介入穿刺技术存在明显的局限性。

为此，本研究设计了一种弧形的穿刺曲针，并通过3D 打印导航模板引导，使穿刺曲针能顺利绕过障碍物，从而完成对病灶的穿刺。目前已在体外模型上进行了实验，初步验证了采用导航模板进行曲针穿刺的便捷性和安全性。

1 材料和方法

1.1 穿刺模型

通过123D Design 软件预先设计3 款模拟遮挡性病变的体外模型，每个模型具有2 个障碍区和1 个靶区。障碍区是穿刺路径无法通过的地方，代表体内重要的神经、血管、器官、骨骼等。靶区是需要穿刺的目标，代表体内的病灶。靶区被障碍区不同程度遮挡，根据靶区的遮挡程度从小到大分别标注为模型A、模型B 和模型C。通过3D 打印获得树脂外壳，并填充发泡材料（辐照交联聚乙烯泡沫）获得实物模型（如图1 所示）。

模型A：靶区被轻度遮挡，曲针和直针均可穿刺到靶区，其中直针穿刺的角度接近垂直（倾斜角≤30°）。

模型B：靶区被中度遮挡，曲针和直针均可穿刺到靶区，其中直针穿刺的角度明显倾斜（倾斜角＞30°）。

模型C：靶区被重度遮挡，直针无法穿刺到靶区，只有曲针可穿刺到靶区。

1.2 穿刺针

本实验包括直针穿刺（straight needle puncture，SNP）和曲针穿刺（curved needle puncture，CNP）。选择临床常规14G 脊髓穿刺针作为穿刺实验用直针。曲针为自行设计的圆弧形针，即整个针杆符合1 个固定半径值的标准圆弧（如图1 所示），这种设计有利于通过圆弧形轨迹准确预测针道的路径。制作时先在123D Design 软件上设计曲针的结构，再使用不锈钢材料通过3D 打印制成曲针。

1.3 术前CT 扫描与导航模板制作

对所有模型行术前CT 扫描（GE 16 层CT）。由具有10 a 以上介入穿刺经验的专家对CT 图像进行分析，确定直针和曲针的穿刺点及穿刺路径，且穿刺路径须尽量避开遮挡区。

根据曲针形态、穿刺路径和体外模型的3D 结构设计导航模板（如图1 所示）。导航模板中有1 个弧形通道，其管径及圆弧度与曲针一致，这使得曲针可以在通道内顺畅滑行。导航模板的底部与体外模型的顶面相吻合。最终，使用树脂材料通过3D 打印获得实物导航模板。

1.4 穿刺操作

穿刺操作由上述专家在CT 引导下进行，包括3种穿刺模式：SNP、CNP、导航模板辅助曲针穿刺（navigation template guided curved needle puncture，简称“T-CNP”）。操作时须尽量避开遮挡区，具体操作过程如下：

（1）进行CT 扫描，确认体外模型上的穿刺路径和表面穿刺点，或者将导航模板精确地固定在模型表面的相应位置。

（2）选择相应的直针或曲针，通过表面穿刺点，沿着预设的穿刺路径将穿刺针向靶区推进，或者将曲针沿着导航模板的通道向靶区推进。

（3）在推进过程中，可进行CT 扫描，以确定针尖及路径的情况。如果针道偏离预期路径或累及了遮挡区，可相应地调整穿刺针的角度或适当退针后重新进针，以使路径返回预期路径；如果操作中的针头累及遮挡区，则认为造成了不必要的损伤。

（4）针尖沿预期路径抵达靶区，即完成穿刺任务。

（5）沿穿刺路径退出穿刺针。

1.5 数据收集和结果评价

对模型A 和模型B 行SNP、CNP、T-CNP，模型C仅行CNP、T-CNP，每项穿刺操作重复30 次，记录每次穿刺操作的损伤次数及CT 扫描次数，用于评价穿刺结果。根据损伤次数评价操作的安全性，分为X1（0 次）、X2（1 次）、X3（2 次）、X4（≥3 次）；根据CT 扫描次数评价操作的便捷性，分为Y1（≤3 次）、Y2（4～5 次）、Y3（≥6 次）。其中，X1 和Y1 分别定义为安全操作和便捷操作，分别计算X1 和Y1 的占比。

1.6 统计学分析

采用SPSS 13.0 软件进行统计学分析。数据以次数或占比（%）表示。安全操作、便捷操作方面，组间比较采用配对样本t 检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 穿刺结果

本实验共进行穿刺操作240 次，可分为SNP 60次、CNP 90 次、T-CNP 90 次，或模型A 90 次、模型B 90 次、模型C 60 次；共行CT 扫描1046 次，其中SNP 229 次、CNP 459 次、T-CNP 358 次；共记录发生损伤183 次，其中SNP 9 次、CNP 138 次、T-CNP 36次。损伤次数和CT 扫描次数与模型及穿刺模式的关系如表1 和图2 所示。在模型A 中，损伤次数和CT扫描次数都是CNP＞T-CNP＞SNP。随着靶区遮挡程度的逐步增大，从模型A 到模型B 再到模型C，CNP和T-CNP 的损伤次数和CT 扫描次数都呈逐步增加趋势，其中CNP 的损伤次数和CT 扫描次数的增幅均大于T-CNP；从模型A 到模型B，SNP 的CT 扫描次数和损伤次数均呈逐步增加趋势，其中CT 扫描次数的增幅大于损伤次数。

图2 穿刺结果与模型及穿刺模式的关系

表1 损伤次数和CT 扫描次数与模型及穿刺模式的关系 单位：次

2.2 穿刺结果安全性评价

各模型及穿刺模式的安全性评价结果如表2 和图3 所示。随着靶区遮挡程度的增大，从模型A 到模型B，SNP 和T-CNP 的X1 占比均逐步降低（93.3%→83.3%，80.0%→73.3%）；从模型A 到模型B 再到模型C，T-CNP 的X1 占比呈缓慢减速下降趋势（80.0%→73.3%→70.0%）。在模型B 中，SNP 的X1 与X2 占比之和（93.3%）接近于T-CNP（90.0%）。在所有穿刺模式中，CNP 的X1 占比均最低，且略低于T-CNP（t=2.636，P=0.119）；从模型A 到模型B 再到模型C，X1 占比呈逐步加速下降趋势（60.0%→53.3%→13.3%）。

图3 安全操作X1 占比与各模型及穿刺模式的关系

表2 各模型及穿刺模式的安全性评价结果单位：次（%）

2.3 穿刺结果便捷性评价

各模型及穿刺模式的便捷性评价结果如表3和图4 所示。随着遮挡程度的增大，从模型A 到模型B，SNP 和T-CNP 的Y1 占比均逐步降低（50.0%→26.7%，33.3%→23.3%），SNP 的降幅大于T-CNP；而从模型A 到模型B 再到模型C，T-CNP 的Y1 占比呈逐步减速下降趋势（33.3%→23.3%→20.0%）。在所有穿刺模式中，CNP 的Y1 占比均最低，且显著低于T-CNP（t=8.000，P=0.015）；从模型A 到模型B 再到模型C，CNP 的Y1 占比呈加速下降趋势（13.3%→10.0%→0%）。

表3 各模型及穿刺模式的便捷性评价结果单位：次（%）

图4 便捷操作Y1 占比与各模型及穿刺模式的关系

3 讨论

常规介入穿刺技术存在局限性，直线的穿刺路径很难绕过障碍物实现对病灶的穿刺。如果能采取曲线的穿刺路径，则有可能绕过障碍物，实现对病灶的穿刺。但是目前尚没有标准化、成熟的曲针穿刺技术应用于临床实践，这是因为曲针穿刺存在其固有的缺陷，如路径预测不准确、路径易偏移、操作不便等，临床可行性差，因而很少应用于临床实践。

目前国内外已有部分学者进行了曲针或弯针穿刺在临床应用方面的研究。邵成伟等[5]在CT 引导下采取弯针穿刺的方式实现对腹腔神经丛的阻滞。左长京等[6]、Cao 等[7]使用弯曲穿刺针进行肝脏肿瘤消融术。袁海宾等[8]在肺外周消融术中使用可弯曲的微波消融针。Schulze-Hagen 等[9]对常规直针无法到达的病灶应用曲针进行活检。但是这些研究所使用的曲针几乎是针杆前段仅少部分弯曲，针杆中后段大部分仍是直的。这种部分弯曲的曲针术中对CT 引导的依赖性较大，仍然存在无法准确预测路径、路径易偏移的缺点。因此，这种曲针仍因临床可行性差的问题而无法推广应用。

基于3D 打印的导航模板辅助介入穿刺是目前的一项新的热门技术。导航模板引导介入穿刺已经被报道应用于骨肿瘤的经皮穿刺活检[10]、脊柱矫形[11]、脑出血穿刺引流[12]、125I 粒子植入[13-15]等多种微创治疗操作。导航模板的优势在于通过3D 打印获得与体表轮廓完全吻合的基板及与穿刺路径完全一致的通道，从而实现体表精确定位和稳固维持针道路径，可显著提高穿刺操作的便捷性与准确性，减少对CT 图像引导的依赖性。基于此，本研究创造性地提出将导航模板与曲针穿刺相结合，以提高曲针穿刺的临床可行性。其中，曲针被设计为标准圆弧形，导航模板亦具有弧度、管径一致吻合的曲形通道，这种设计有利于通过圆弧轨迹便捷而准确地预测穿刺路径及针尖的预期位置，从而精准判断路径是否发生偏移。同时，在导航模板稳固维持针道的优势下，提高操作便捷性，降低曲针穿刺对CT 引导的依赖。

模型穿刺结果显示，在模型A 和模型B 中，SNP的安全性和便捷性均是最高的，但模型间的数值变动较大，而T-CNP 的安全性和便捷性虽然低于SNP，但是其数值变动较小，且SNP 无法用于遮挡程度最大的模型C，而T-CNP 在模型C 中的穿刺结果与模型B 接近。因此，T-CNP 的穿刺结果较为稳定，受病灶遮挡程度的影响较小，更适于遮挡程度大的病灶。由此证明，在导航模板的辅助下，曲针穿刺的效果得到明显提高。

由于受实验条件的限制和伦理因素的影响，曲针穿刺实验尚未在活体动物或人体上进行。本研究仅属于体外模型的实验验证，靶病灶不对应人体的具体解剖位置，操作过程和穿刺手感与临床实践有较大的不同。大部分实验物品（模型、曲针、导航模板）都是通过3D 打印所得，其物理性能与临床常规产品存在较大差异，尤其是曲针的硬度、模型的穿刺阻力和柔韧度等。此外，曲针穿刺过程中的力学变化、组织形变特征及其相互影响亦尚不明确。这些都是本研究存在的不足之处，在后续研究中需要进行深入分析。

综上所述，在导航模板的辅助下，曲针穿刺的临床可行性（安全性和便捷性）得到明显提高，实现了对被遮挡病灶的穿刺。推广基于导航模板的曲针穿刺技术，对于完善介入穿刺技术、解决目前介入穿刺在被遮挡病灶方面的局限性、拓宽其临床适用范围具有重要意义。