多模态图像融合联合3D打印在中央区窦镰旁肿瘤手术中的应用效果

廖正俭，陈忠仪，刘宇清，何炳蔚，黄绳跃，洪文瑶，潘儒君

(1.福建省立医院神经外科，福建医科大学省立临床学院，福建 福州 350001；2.福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350116)

中央区窦镰旁肿瘤的解剖结构比较复杂，位置深，尤其常累及矢状窦、中央沟静脉等重要引流静脉及中央前后回的重要脑组织解构，术中极易损伤这些解剖结构而导致术后脑肿胀、肢体偏瘫、再出血、难治性癫痫等严重并发症，严重的甚至危及到生命。目前临床上主要依靠计算机断层扫描成像(computed tomography，CT)与磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等二维图像，根据临床经验和相关解剖知识判别病变的位置及毗邻组织结构关系，容易出现认识偏差，导致术中损伤重要结构，手术难度较大[1]。本研究分享24例符合上述条件的患者并且应用CT与MRI等多模态影像数据，利用图像融合技术生成三维虚拟模型并3D打印出实体化模型，观察肿瘤及其与周围组织结构的关系，将应用效果及心得体会报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料选取2019年8月至2021年2月福建省立医院神经外科收治的24例大脑中央区窦镰旁肿瘤患者作为研究对象，其中男16例，女8例，年龄34～76(48.52±9.98)岁，术前影像分析考虑脑膜瘤11例，胶质瘤9例，转移瘤3例，淋巴瘤1例。术前常规完善颅脑CT(CTV、CTA)与MRI(MRA、MRV)检查，根据需要进一步行正电子发射断层显像等检查。

1.2 方法收集术前CT、MRI等影像学资料，计算机读取患者的CT与MRI的DICOM原始数据，扫描参数：层厚2 mm，利用Mimics 15.0(Materialise公司，比利时)软件建模，根据颅骨、肿瘤、血管、脑组织等结构的不同灰度特点进行阈值划分，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头皮模型为基准进行配准融合，区域阈值法对不同组织的阈值进行选择，完成原始颅脑三维虚拟模型构建，以STL格式输出进行后处理，将图像数据信息转化为三维虚拟模型，即可清晰、直观地显示肿瘤形态及周围组织关系。应用3D打印技术(Objet350 Connex3彩色3D打印机，Stratasys公司，美国)，将虚拟模型打印出与实际大小等比例、多色彩、多材质的高逼真度实体训练模型。

1.3 观察指标收集患者术前及术后的影像学资料进行对比分析，计算肿瘤的切除程度(extent of resection，EOR)：根据术前颅脑磁共振及术后2周复查了解肿瘤切除情况进行对比，可分为全切除(1级)、近全切除(2级)、次全切除(3级)和部分切除(4级)[2]。4周后随访并依据卡氏(Karnofsky，KPS)功能状态评分标准[3]进行评分：生活自理级为KPS评分>80分；生活半自理级为KPS评分50～80分；依赖级为KPS评分<50分。分数越高证明身体健康状态越佳，预后越好。

2 结果

2.1 应用效果根据患者术前颅脑CT(CTV、CTA)与MRI(MRA、MRV)等检查数据资料构建出三维可视化复合虚拟模型，利用Mimics 15.0软件进一步提取数据信息，将建模结果导入3D打印机制作出实体模型，清晰显示出肿瘤与周围重要组织结构，特别是中央前后回、引流静脉及矢状窦的解剖关系。术前通过该模型进行谈话沟通、制定完善的手术方案及指导术中操作，达到安全切除肿瘤，其中全切除13例，近全切除6例，次全切除3例和部分切除2例，患者均顺利出院及随访，无死亡病例。回顾24例患者的多模态融合影像重建后三维可视化复合虚拟模型与术前原始影像及术中所见基本相符，提供全面直观的立体解剖信息。所有患者密切随访2～20个月，随访患者术后言语、体动、认知等情况，恢复良好。术后4周KPS评分均>80分，生活自理；其中3例肿瘤残留于术后3个月行γ-刀治疗，1例淋巴瘤术后于血液科进一步规范治疗，胶质瘤患者术后于肿瘤科继续辅助放化疗。

2.2 典型病例汇报男性患者，45岁，反复头痛伴左侧肢体无力3个月，完善手术前各项检查，增强磁共振发现右额顶窦镰旁脑膜瘤伴瘤周水肿，系富血供肿瘤。术前融合CT与MRI的多模态图像构建三维虚拟模型，将建模结果导入打印机进行实体模型制作，于术前精确还原了患者右侧额顶部窦镰旁脑膜瘤及周围重要组织的解剖关系，依据实体模型做术前谈话沟通、手术预案、模拟手术体位，针对性地分析术中可能碰到的问题及可采取的措施，术中设计手术入路、指导手术操作，实现精准化、个体化手术治疗，过程顺利。术后2周复查MRI影像提示肿瘤全切，病理结果为良性脑膜瘤(WHO I级)，因一过性脑水肿出现短期肢体肌力减退，适度甘露醇脱水、白蛋白和激素减轻水肿等治疗后恢复正常，长期随访结果良好，KPS评分100分。见图1～4。

图1 CTV扫描图像

注：A为术前；B为术后。

图3 原始3D虚拟模型

注：A为术前标记；B为术中所见肿瘤；C为肿瘤全切。

3 讨论

大脑中央区窦镰旁肿瘤是颅内肿瘤的常见发病部位之一，其与上下矢状窦、上引流静脉、胼周动脉及中央区脑组织等关系极其密切，其解剖结构复杂，加上病变后结构发生变化。此区域的肿瘤位置较深，往往与周围组织粘连紧密，暴露困难，手术操作空间小，又要注意保护周围重要组织，尤其保护那些比较粗大的引流静脉[4]，极大增加了手术难度与风险，即使经验丰富的临床医生也很难轻松完成，一旦定位出现偏差，或者暴露不够完全等情况，术中极易损伤这些静脉而导致术后脑肿胀、肢体偏瘫、再出血、难治性癫痫等严重并发症，甚至危及到生命。因此，术前了解肿瘤及其与周边的解剖关系对于手术的顺利实施起着关键性意义。

现代医学快速发展，多学科技术相互融合，计算机技术的飞速发展促进了医学影像技术的重大进步，为精准微创外科手术创造了有力保障，神经外科手术也不断追求微创、精准的治疗理念，单一MRI或CT图像无法满足目前流行的微创神经外科要求，而融合术前颅脑CT(CTV、CTA)与MRI(MRA、MRV)的多模态图像技术克服了这一模式的局限性，给术者提供全面直观的位置信息，清晰地显示肿瘤与功能区及矢状窦等静脉系统的解剖关系，并且通过多模态影像融合来实现可视化三维解剖结构还可以帮助临床医生增加对肿瘤病理性质和复杂颅脑结构的理解，减少不必要的损伤，在实际手术过程中提供更大的辅助作用。目前已有较多文献研究发现利用CT、MRI等多模态图像资料相互融合应用于颅脑肿瘤的精准化手术方面具有很大临床价值[5-7]。

3D打印技术始于1986年，作为一种新型快速成型技术受到国内外媒体广泛关注并快速发展，已经应用于多个领域，多种媒体杂志对其密集报道[8-10]。其最早应用于工程、工业领域，近年来在医疗领域应用更引人注目，如医疗器材制造、医学模型制作、人工器官以及生物组织工程等应用，以及在医学“科-教-研”方面起到重要的推进作用[11-15]。3D打印将个体化的多模(CT、MR等)图像转化为三维可视化复合虚拟模型，通过“分层打印并逐层堆积”的原理打印出立体物理模型呈现真实的解剖结构，制作出与实际1∶1比例的解剖实体模型，这一技术使得复杂的颅内情况直观化、可视化、个体化，非常适合应用于神经外科教学及临床实践，其应用临床具有广阔前景[16-18]。本次研究中选择24例中央区窦镰旁肿瘤手术切除中，应用多模态影像融合技术联合3D打印技术，形象直观地描述肿瘤与周围重要组织的相互关系，进行充分术前评估及有效沟通，设计具有针对性的手术方案及指导术中操作，从而有效减少并发症及手术创伤，改善预后。

神经外科学是一个专业性极强的临床学科，本研究应用多模态影像融合联合3D打印在神经外科的应用，有效指导手术入路的选择及脑肿瘤的精准切除，发现其具有以下优势。(1)对复杂的中央区窦镰旁肿瘤手术切除病例中，通过术前CT和MR等多模态影像资料评估矢状窦的侵犯程度和侧支静脉走行情况，明确肿瘤形态及与周围组织关系，改变了传统单模态的影像信息，满足精准神经外科的手术理念。(2)3D打印实体颅内肿瘤模型，改变了既往简单阅片方式，术者观察到的直接是立体的实体解剖模型，为临床医生学习颅脑解剖及诊疗提供新思路，缓解传统尸头模型资源紧张、可重复性差、价格昂贵的困恼。例如本研究中的1例中央区窦镰旁肿瘤手术切除应用中，清楚地了解脑肿瘤及其与周围解构的解剖关系，和手术所见相吻合，手术过程就能够有效避开引流静脉，应用效果良好。(3)术前应用实体模型的观察及讲解，患者及家属对自身疾病有直观了解，解决医患双方专业知识不对称和信任危机等客观问题，例如通过实体模型通俗易懂地讲述手术过程、手术的必要性、风险及可能存在的并发症，得到高效认可。本研究也发现其临床应用中还是存在不尽人意之处，比如怎样进一步提高重建与打印模型精准度，特别是微小血管重建方面，如何应用到急诊危重患者等特殊情况，并积累更多的临床病例。

综上所述，多模态影像融合联合3D打印可为中央区窦镰旁肿瘤手术提供全面直观的立体解剖信息，并且随着该技术的不断完善，其应用范围也会随之进一步拓展，以提高手术安全性及取得更好预后。