用于鼻颅底外科教学的3D打印鼻-鼻窦-颅底解剖模型制作*

喻国冻，何承诚，张 田

(贵州医科大学附属医院耳鼻咽喉科，贵州 贵阳 550004)

三维 (3D) 打印发明于20世纪80年代，可以准确地复制微小三维立体空间的结构，在描述具体形态上有巨大的优势，在医学领域有广泛的应用[1]，如外科手术前后病变结构形态模拟模型[2]、病理组织形态模型展示[3]，微小不易理解复杂解剖结构的局部放大模型[4]等。鼻-鼻窦-颅底外科学所涉及领域解剖结构微小复杂，相关重要组织形态异形，相互间重合混杂互相遮挡，大多为骨性结构包裹如血管、神经等细小的软质组织，具体解剖操作上比较困难，常规的解剖图谱、解剖录像等对于医学生学习来说难以表述清楚，对初学手术的耳鼻喉科医生来说难以理解。人体解剖标本因为不易保存，易损坏且数量有限，普通医学生和基层的耳鼻喉科医生不能便捷接触到，不能满足其日常学习和工作需求。随着材料技术和电脑技术的不断进步，3D打印技术取得了长足的进展，已广泛应用于医学领域[5-9]。所以，本项目使用3D打印技术设计制作了易于保存、可反复学习的鼻-鼻窦-颅底解剖模型，为临床解剖的学习、教学、手术操作模拟提供一种新的方法。

1 材料与方法

1.1材料来源 根据临床资料选取垂体瘤疾病患者1例，从放射科图片归档和通信系统(PACS)中调取其影像资料。

1.2方法

1.2.1制作鼻-鼻窦-颅底数3D解剖模型

1.2.1.1导入数据 采用Mimics Research 17.0 软件(比利时 Materialise company)，将该例患者的CT影像医学中的数字成像和通信(Dicom) 数据(西门子 definition AS 128 排CT,扫描层厚 0～5 mm，层间距0～25 mm)导入，进行运算并核对数据。

1.2.1.2鼻-鼻窦-颅底数字模型的设计 采用阈值分割法将-700～3 000 HU的数据分割并重构出3D数字解剖模型。将3D模型裁剪至鼻-鼻窦-颅底解剖区域大小，即上界为中颅底窝上方0.5 cm，下界为蝶窦底下方0.5 cm，后界为斜坡。

1.2.1.3解剖区域层面的选择 对于鼻-鼻窦-颅底模型，选择分为前、后2个模型，以蝶窦作为冠状面的标准平面中心。

1.2.2制作解剖模型 采用弘瑞公司H1型3D打印机导入gcode 数据文件后制作3D打印解剖子模型。将解剖数据模型用STL+功能在Mimics software中导出为Stl格式文件，然后用Cura 15.0software (荷兰 Ulti maker BV 公司)打开各解剖数据模型的stl文件，并制作gcode切片数据文件供3D打印机使用，打印材料为175 mm 直径的聚乳酸(PLA)环保材料，打印温度210 ℃，主要操作参数为层厚2 mm，壁厚6 mm，打印速度60 mm/s,模型打印比例设置为100%。开启结构支撑，打印结束后根据实际解剖形态，修整和去除可能存在的底座和支撑结构。

1.2.3CT影像解剖与复合 将已分割子模型的解剖层面的CT影像图片数据，根据调至与3D模型匹配的大小数据，用激光打印机(HP MFP M225)打印，裁剪去除主要空洞区域，将其粘贴到3D模型的断面上，重建复合CT影像的解剖模型。

1.2.4校验打印模型的临床还用度和实用价值 选取10位工作10年以上的耳鼻喉科医生，从3D打印解剖模型上定位和辨认各鼻-鼻窦-颅底解剖学标志，以校验3D打印模型的还原度和实用价值。

2 结 果

依靠3D打印技术成功制作了鼻-鼻窦-颅底3D打印模型和3D数字模型，见图1、2。以蝶窦作为冠状面的中心剖面将鼻-鼻窦-颅底分成了前、后2个子模型，主要用于观察鼻-鼻窦-颅底重要的解剖结构即视神经、颈内动脉和垂体，包括可以观察蝶窦、垂体窝、前后床突、垂体、垂体柄、颈内动脉、视神经等一系列结构(图2)，可以观察蝶窦气化程度和颈内动脉、视神经的立体结构和方向。

A.正面；B.上面；C.底面；D.右侧面；E.左侧面。图1 垂体瘤3D打印模型

A.正面观；B.右斜侧面；C.左侧面；D.右后斜面；E.后面。图2 垂体瘤术前3D数字模型

10位耳鼻喉科医生仔细观察鼻-鼻窦-颅底的3D打印解剖模型，对鼻-鼻窦-颅底的解剖标志进行了蝶窦、垂体窝、前后床突、垂体、垂体柄、颈内动脉、视神经等一系列结构辨认，以上这些鼻-鼻窦-颅底的解剖标志均能准确识别，其相对空间位置和形态与CT描述一致，但鼻-鼻窦-颅底的细小结构还原度不够，特别是细小血管及神经未得到重建。

3 讨 论

作为医学教育中最基础、最重要的组成部分人体解剖教学。课堂教授、小组学习、解剖图谱、人体标本解剖实习等作为传统医学解剖主要教学方式，平面图谱因为空间位置描述困难和绘画技巧难以精确还原3D结构和空间位置关系，人体标本因医学伦理原因量小、不易为普通医学生接触，存放中不完整，解剖结构不易辨认，虚拟3D软件目前仍不成熟，使用感受差，对医学生学习帮助不大。3D打印解剖模型可以直接观察3D结构，而且还有易复制、易存放、生产成本低、易于推广学习等[10]优点。近年来，随着医学的发展，对解剖标本的需求也不断增加，且临床各学科不同解剖重心和手术需求点不同，对解剖标本的各种需求也不同。随着3D打印解剖模型技术的进步，其在医学临床模拟和教育中的应用更加广泛。目前已发展出较好的3D打印材质可以打印出具有良好质感、色彩、硬度的3D打印模型，但对于软质组织，其触感仍较差，总的来说，因为影像分辨率和打印材料限制的关系，3D 打印模型技术比较适用于骨性结构展示[2,4,6,11-12]。

鼻-鼻窦-颅底外科临床解剖教学着重于鼻腔内的鼻甲、鼻道和鼻窦气房及和颅底类型如颅底低位、后颅底弯曲、蝶筛气房(Onoid 气房)等。所以，本次研究选择了鼻腔和颅底2个区域作为研究对象。虽然本次研究只选择了1例样本作为基础进行设计制作，但同样的方法可以制作相同类型不同解剖特点的3D打印模型，如鞍前型蝶窦、鞍型蝶窦、硬化型蝶窦等。以往其他研究的3D打印模型均以正常人体整体标本为基础，而本次研究是具体的临床病例，强调在具体病例中的实际应用，强调整体外观的解剖标志研究外，更着重研究的是不同研究截面的选择和子模型的制作[6]，了解人体各器官内部的解剖构造是研究其结构和功能的重要研究点。目前，MATTEO等[13]已根据临床病例CT影像数据重建了鼻窦和颅底的 3D打印模型，其根据研究需求选择相应的截面制作可拆分的3D打印模型。电脑数字化设计和制作3D打印模型具有设计灵活、便捷、变化丰富的特点，可满足医学生从不同角度视角观察学习的需求。截面的选择对解剖结构的观察和教学效果非常重要。例如在鼻-鼻窦-颅底模型观察蝶窦气化程度和颈内动脉走行对垂体形态的影响，应选择经垂体中份的轴位(水平)截面。观察视神经和颈内动脉的走形，选择经颈内动脉海绵窦段的斜矢状位可以更清晰观察到以上解剖结构。对于鼻窦、颅底模型，冠状位是观察颅底结构和蝶气房关系和引流方式的最佳截面 。

综上所述，截面的CT影像与断面解剖是医学生和临床医学理解和学习获取临床信息的重点。本次研究项目将CT影像与3D打印模型相结合后，通过研究3D打印模型取得的临床解剖信息远超过了二维层面的CT影像。与CT影像、CT动态影像阅片相比，3D打印模型向医学生和临床医生展示了具体的3D空间和各解剖组织的具体大小、形态、相互关系，将不易观察到的重要解剖结构立体想象结构予以具体化和过程简单化，以上这些都有助于临床影像学的教学，也利于更好地制定手术计划，可作为典型病例更好地对医学生进行医学教育。