基于CTA的颅内动脉瘤复合体三维模型的建立及应用

杨枫+刘刚+吕华新+柯尊良+胡炜

摘 要 目的：探讨3D-CTA动脉瘤实体模型对颅内动脉瘤诊断和手术指导作用。方法：选取我院2011年1月至2014年1月期间经头颅CT血管造影（CT angiography，CTA）证实的颅内动脉瘤20例（大脑中动脉瘤，大脑前交通动脉瘤，大脑后交通动脉瘤和基底动脉瘤各5例），全部患者采用3D打印技术构建3D-CTA颅内动脉瘤复合体三维模型，并与术前非三维空间的CTA检查结果进行比较分析。结果：3D-CTA与CTA测量值之间比较差异无统计学意义（P>0.05），三维复合体数据模型结果显示血流速度、动脉瘤内动压、血管壁面切应力由大至小为动脉流入道>动脉流出道>动脉瘤体部>动脉瘤顶端，比较差异均具有统计学意义（P<0.05），经Pearson相关性分析发现：血流速度与动脉瘤内动压具有明显正相关（r=0.956，P<0.05），血流速度与血管壁面切应力具有明显正相关（r=0.964，P<0.05）。结论：CTA的颅内动脉瘤复合体三维模型对颅内动脉瘤诊断和模拟手术具有重要的应用价值。

关键词 颅内动脉瘤 CT血管造影 复合体 三维模型

中图分类号：R651.11 文献标识码：B 文章编号：1006-1533（2014）19-0053-04

Establishment of three-dimensional model

of complex intracranial aneurysm based on CTA and its application*

YANG Feng1**， LIU Gang1， LV Huaxin2， KE Zunliang1， HU Wei 1

（1. Department of Neurosurgery， The First Peoples Hospital of Jiujiang City， Jiangxi 332000， China；

2. Department of Cerebral Surgery， Peoples Hospital of Xingzi County， Jiangxi 332800， China）

ABSTRACT Objective： To investigate the guiding role of 3D-CTA aneurysm model in the diagnosis and surgery of intracranial aneurysms. Methods： Twenty patients with intracranial aneurysms confirmed by skull CT angiography （CTA）， including the middle cerebral artery aneurysm， brain aneurysm anterior communicating artery aneurysm， posterior communication artery and basilar artery aneurysm with 5 cases each， were selected as subjects， who were hospitalized from January 2011 to January 2014 in our hospital. Three-dimensional models of 3D-CTA intracranial aneurysm complex were constructed for all of the patients by using 3D printing technology， which were compared with preoperative non-3D CTA examination results. Results： There were no significant differences between the 3D-CTA and CTA measurements （P>0.05）， and the data of three dimensional complex models showed that the velocity of blood flow inside the aneurysm， the dynamic pressure and the shear stress of vascular wall were ranged as follows： the inflow tract>arterial outflow tract>aneurysm body>the top of aneurysm. Their differences were statistically significant （P<0.05）. The correlation analysis of Pearson showed that the velocity of blood flow and the dynamic pressure inside the aneurysm had a significant positive correlation （r=0.956， P<0.05）， and the velocity of blood flow and the shear stress of vessel wall had an obvious positive correlation as well （r=0.964， P<0.05）. Conclusion： The three-dimensional model of complex intracranial aneurysm based on CTA has an important application value in the diagnosis and simulation surgery of intracranial aneurysms.

KEY WORDS intracranial aneurysms； CT angiography； complex； 3D model

颅内动脉瘤（intracranial aneurysm，IAN）是指颅内动脉血管壁囊性膨出性病变，是导致自发性蛛网膜下腔出血（spontaneous subarachnoid hemorrhage，SAH）的主要原因。三维CT血管造影（three dimension CT angiography，3D-CTA）是新型影像学诊断方法，兼容螺旋CT和数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）两者具备的快速、无创、诊断高准确度的优点。在外周静脉造影剂辅助下采用头颅连续薄层螺旋CT扫描，并在电子计算机工作站构建颅骨解剖结构和颅内血管的三维复合体模型，在颅内动脉瘤的诊断中具有重要的价值[1-2]。本研究收集我院2011年1月至2014年1月期间颅内动脉瘤CTA影像数据，采用Mimics 16软件精细化处理和3D打印技术，成功构建颅内动脉瘤复合体三维模型。颅内动脉瘤复合体三维模型有助于术前明确动脉瘤部位、形态、方向和与载瘤动脉关系及术中注意事项等方面，提高手术成功率，探讨3D-CTA动脉瘤复合体模型对颅内动脉瘤诊断和手术指导中的作用，现报道如下。

资料与方法

临床资料

选取我院2011年1月至2014年1月期间经头颅CT血管造影（CT angiography，CTA）证实的颅内动脉瘤20例，其中大脑中动脉瘤，大脑前交通动脉瘤，大脑后交通动脉瘤和基底动脉瘤各5例。

检查方法

①检查前，在操作者与患者沟通良好的前提下采用头托和胶带将头部固定，采用GE 64排Light speed V CT仪器行峰值法容积扫描，扫描前设置参数：层厚0.625 mm，间距0.625 mm，120 kV，200 mAs，视野220 mm，矩阵512×512，从足侧向头侧扫描颅底至颅顶，数据采集成功后测定峰值。②采用Missouri CT专用高压注射器、20G套管针经外周左肘正中静脉注射入非离子造影剂（碘海醇350）15 ml +生理盐水10 ml，注射速度：4.5 ml/s，选取C3～C4作为监测时间点，参照时间密度曲线得出达峰时间，以2 s经验值作为正式增强扫描时间，采用相同注射速度于右肘正中静脉注射入对比剂65 ml+生理盐水20 ml，采用飞利浦 128排I CT平扫影像数据和增强扫描影像数据。原始影像学数据上传至电子计算机工作站，经多种精细化处理并结合3D打印机输出颅内动脉瘤血管三维复合体模型。

3D打印机打印模型方法

影像图数据导入Mimics软件，采用阈值法（threshold value），选取颅内动脉瘤CTA血管阈值，同时采用Calculate 3D 工具构建颅内动脉瘤复合体三维模型，采用Mimics Cut with polyplane 工具预处理颅内动脉瘤复合体三维模型，导出STL格式，去除动脉细小分支，影像图像进行三维计算，获取动脉瘤面网优化模型，生成流体网格和固体网格（图1），参数设置后采用ANSYS+CFX固体和流体耦合计算，3D打印机输出颅内动脉瘤血管三维复合固体模型和流体模型。

血流动力学参数测量方法

采用Fluent软件，导入三维网格文件，自定义条件，将近心端边界作为压力入口，动脉瘤两个出口作为压力出口，并采用多功能生理监测仪器测量血压波形曲线，选取动脉瘤壁感兴趣区域作为观察点，Fluent软件计算动脉流入道、动脉流出道、动脉瘤体部及其顶部各部位的血流速度、动脉瘤内动压和血管壁面切应力数值并保存不同时刻各种参数的图片（图2～4）。

统计学处理

本研究数据采用SPSS 18.0统计软件进行分析，两组间的计量资料采用t检验，采用（±s）表示，采用Pearson相关性分析血流速度与动脉瘤内动压、血管壁面切应力的关系，P<0.05提示差异具有统计学意义。

结果

3D-CTA与CTA测量值的比较

3D-CTA与CTA测量值之间比较差异无统计学意义（P>0.05，表1）。

基于3D CTA的颅内动脉瘤复合体三维模型形态测量资料

三维复合体数据模型结果显示动脉瘤血流动力学参数，其中血流速度由大至小为动脉流入道>动脉流出道>动脉瘤体部>动脉瘤顶端，比较差异具有统计学意义（P<0.05），且动脉流入道的动脉瘤内动压明显高于动脉流出道、动脉瘤体部和动脉瘤顶端，比较差异具有统计学意义（P<0.05），动脉流入道的血管壁面切应力明显高于动脉流出道、动脉瘤体部和动脉瘤顶端，比较差异具有统计学意义（P<0.05，表2）。

血流速度与动脉瘤内动压、血管壁面切应力的关系

经Pearson相关性分析发现：血流速度与动脉瘤内动压具有明显正相关（r=0.956，P<0.05），血流速度与血管壁面切应力具有明显正相关（r=0.964，P<0.05）。

讨论

基于3D-CTA的颅内动脉瘤复合体三维模型对大于3 mm颅内动脉瘤提供明确诊断，同时对于小于3 mm颅内动脉瘤提供诊断依据，其意义为：①通过电子计算机工作占三维成像技术，多方向、多角度旋转，具有直观大脑颅内动脉全貌、动脉瘤特征及其毗邻周围血管及骨性结构关系，为颅内动脉瘤的临床诊断和形态病理学诊断提供依据[3-4]；②通过3D-CTA的颅内动脉瘤复合体三维模型充分了解并掌握颅内动脉瘤患者的解剖学特点，评估手术过程中重要血管、神经、动脉瘤体朝向、瘤颈分离操作的关键，充分避免动脉瘤破裂出血[5]，为正式手术治疗过程中的不必要解剖显露，减少手术创伤，并在掌握手术关键点和注意事项的前提下降低动脉瘤破裂出血发生的风险。

根据颅内血管CTA数据结合3D打印技术构建的颅骨及颅内动脉瘤三维复合体模型，临床手术医师采取手术干预设计，但关于3D打印技术辅助颅内动脉瘤手术的文献报道甚少。为提高手术精准度，经Mimics软件精细化处理将颅内动脉瘤CTA数据转变成精确化空间数据，成功构建三维复合体模型。三维复合体模型将颅底血管、神经、周围组织等组织区分清楚，结合3D打印技术精准打印形成三维复合体模型，动脉瘤模型边界清晰，可清晰直观颅内动脉瘤位置、方向，周围血管，为手术设计提供正确合理的指导。本研究结果显示动脉瘤 CTA表现与动脉瘤实体模型非常吻合，3D-CTA与CTA测量值之间比较差异无显著性。通过分析3D-CTA的颅内动脉瘤复合体三维模型血流动力学参数相关数据表明动脉流入道血流速度、动脉瘤内动压、血管壁面切应力最大，而动脉瘤顶端上述血流动力学参数最小，参照血流动力学改变情况，并结合手术治疗原则和术中注意事项，为手术治疗提供指导[6-7]。另一方面，根据三维复合体模型提供的动脉瘤区骨性标志，降低非模拟手术过程中载瘤动脉和动脉瘤的寻找时间。模拟手术过程中对宽颈、分叶状或鹿角状动脉瘤，载瘤动脉扩张构成瘤颈体一部分，或一部分穿支动脉和分支动脉从瘤体发出的复杂动脉瘤，选择放置合适动脉瘤夹，要注意分支动脉及载瘤动脉通畅，为非模拟手术提供经验，提高患者的手术成功率，降低术中动脉瘤破裂出血等并发症的发生风险[8]。但是，3D-CTA格式的三维模型尚存在不足之处，相信随着3D技术的不断发展，可建立对接良好的真正意义上的颅内动脉瘤复合体三维模型。

综上所述，3D打印技术在临床诊疗中具有广阔的应用前景，颅内动脉瘤复合体三维模型的构建便于医患间沟通，便于直观教学，为颅内动脉瘤的诊断和手术提供指导，在提高手术成功率和降低并发症发生率中具有重要的意义。

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（收稿日期：2014-07-02）