3D打印技术在大脑镰旁脑膜瘤切除术中的初步应用

刘宇清，黄绳跃，何炳蔚，姚立纲，吕 翱，沈恒华，陈明武，洪文瑶



·论著·

·方法学研究·

3D打印技术在大脑镰旁脑膜瘤切除术中的初步应用

刘宇清，黄绳跃，何炳蔚，姚立纲，吕 翱，沈恒华，陈明武，洪文瑶

目的探究基于3D打印技术的大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型构建在大脑镰旁脑膜瘤切除术中的初步应用情况。方法选取2015年4—6月福建省立医院神经外科收治的大脑镰旁脑膜瘤患者3例，根据患者螺旋CT增强扫描所得的DICOM数据，针对颅骨、血管和肿瘤等组织结构采用不同的分割方法进行数据信息提取和重建，并在同一坐标系下实现装配和三者融合，形成三维可视化复合虚拟模型，再结合3D打印技术将三维可视化复合虚拟模型实体化。观察大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型构建情况及患者大脑镰旁脑膜瘤切除术的手术情况。结果3例患者均构建出三维可视化复合虚拟模型，并成功制作出大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型，且其可清晰显示肿瘤与颅骨、大脑镰、上下矢状窦及周边血管的关系。手术医师利用该模型制定出完善的手术预案，术时根据大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型指导手术定位与实施，避开重要血管，达到Simpson Ⅰ级切除，且患者术后无明显脑水肿、血肿及神经功能障碍，手术成功。结论基于3D打印技术的大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型能有效指导医务人员制定与完善手术方案，精准切除肿瘤，减少术中损伤，有助于患者康复。

脑膜瘤；3D打印技术；模型，解剖学

刘宇清，黄绳跃，何炳蔚，等.3D打印技术在大脑镰旁脑膜瘤切除术中的初步应用[J].中国全科医学，2016，19(24)：2953-2956.[www.chinagp.net]

LIU Y Q,HUANG S Y,HE B W,et al.Preliminary application of 3D printing technology in the surgical treatment of falx meningioma[J].Chinese General Practice，2016，19(24)：2953-2956.

大脑镰旁脑膜瘤是较常见的颅内肿瘤之一，其生长缓慢，发现时肿瘤体积常较大，且肿瘤组织血运丰富，与大脑动静脉及上下矢状窦关系密切，因此，手术风险较大[1]。如何在术前准确体现肿瘤与颅骨、动静脉、上下矢状窦等组织结构的关系，并有效用于术中且最大限度地减少手术对周围组织的损伤，对精确切除肿瘤及减少患者术后并发症具有重要的临床意义。为此，本研究组初步探索出可行的基于3D打印技术的大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型制作方法，应用于术前预案的制定及指导大脑镰旁脑膜瘤切除术实施，取得良好效果。

1　资料与方法

1.1临床资料选取2015年4—6月福建省立医院神经外科收治的大脑镰旁脑膜瘤患者3例，其中男1例，女2例；平均年龄(45.5±3.1)岁。患者均经颅脑MRI检查诊断为大脑镰旁脑膜瘤，拟行大脑镰旁脑膜瘤切除术。

1.2方法根据患者螺旋CT增强扫描的原始数据构建大脑镰旁脑膜瘤三维可视化复合虚拟模型，再结合3D打印技术将三维重建的可视化复合虚拟模型实体化。

1.2.1大脑镰旁脑膜瘤三维模型3例患者均行颅脑螺旋CT增强扫描，仪器为Siemens公司Somatom Definition双源CT。扫描参数：管电压120 kV，管电流200～300 mAs，FOV 32 cm，重建视野32 cm，准直32.0 mm×2.0 mm×0.6 mm，重建层厚0.6 mm，螺距1.4，矩阵515×512；扫描范围自主动脉弓到颅顶，正位及侧位2次定位。采用造影剂示踪技术，将监测层面定位于颈中部，感兴趣区置于解剖组织外，当颈动脉内出现造影剂时进行手动触发扫描。造影剂总量50～60 ml，流速4～5 ml/s，造影剂采用碘普罗胺注射液(370 mgI/ml)。利用螺旋CT增强扫描原始数据，经由picture archiving and

本研究创新点：

本研究将图像分割、计算机三维重建、3D打印等技术应用于神经外科领域，通过对脑部螺旋CT增强扫描图像分割算法获得脑部模型，利用3D打印技术制作大脑镰旁脑膜瘤实体模型，指导术者手术方案的制定及完善，以探讨大脑镰旁脑膜瘤患者的个性化治疗方案，由此探索适合我国国情的具有自主知识产权的脑膜瘤治疗方案。

communication system(PACS)系统以DICOM格式输出。在计算机上将患者二维DICOM原始数据导入Mimics软件(见图1，本文图1～4彩图见本刊官网www.chinagp.net电子期刊相应文章附件)，采用动态自适应区域生长的分割方法，根据颅骨、血管和脑膜瘤灰度值差异，取不同的阈值分割出目标区域的图像，提取完整有效的组织结构，分别重建三维虚拟模型。对整体颅脑三维虚拟模型进行优化处理，剔除无关组织结构以简化模型，同时获取用于手术规划的信息数据，最后根据CT原始坐标系将颅骨、血管和脑膜瘤等组织结构装配融合，获得同一坐标系下各组织结构的三维可视化复合虚拟模型，以直观地显示脑膜瘤的部位、大小、周边和内部血管的关系(见图2、3)。

1.2.23D打印技术将三维可视化复合虚拟模型以Surface Tesselation Language (STL)格式导入快速成型机前处理软件，采用光固化成型技术，将三维可视化复合虚拟模型实体化，制作出与实际大小一致的大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型(见图4)，为大脑镰旁脑膜瘤切除术手术预案的制定提供全面直观的参考。

注：A为矢状面，B为冠状面，C为横断面

图1大脑镰旁脑膜瘤患者螺旋CT增强扫描图像

Figure 1Spiral CT enhancement scan images of falx meningioma

注：A为右面观，B为左面观

图2大脑镰旁脑膜瘤血管三维虚拟模型图像

Figure 2Vascular three dimensional virtual model images of falx meningioma

注：A为右面观，B为左面观

图3大脑镰旁脑膜瘤三维可视化复合虚拟模型图像

Figure 3Three dimensional composite virtual model images of falx meningioma

注：A为右面观，B为左面观

图4大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型图像

Figure 4Anatomical model images of falx meningioma

1.3观察指标观察大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型构建情况及患者大脑镰旁脑膜瘤切除术的手术情况。

1.4模型构建及手术成功标准模型构建成功标准：大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型同术中直观的肿瘤与颅骨、供血动脉、引流静脉及上下矢状窦的解剖关系完全吻合；大脑镰旁脑膜瘤切除术成功标准：手术能准确避开重要血管，完整切除肿瘤，患者术后无明显脑水肿、血肿及神经功能障碍，达到Simpson Ⅰ级切除标准。

2　结果

3例患者均构建出三维可视化复合虚拟模型，并成功制作出大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型，且其可清晰显示肿瘤与颅骨、大脑镰、上下矢状窦及周边血管的关系。术者利用该模型制定出完善的手术预案，术时根据大脑镰旁脑膜瘤实体解剖模型指导手术定位与实施，避开重要血管，达到Simpson Ⅰ级切除，且患者术后无明显脑水肿、血肿及神经功能障碍，手术成功。

3　讨论

目前，大脑镰旁脑膜瘤病因尚未明确，但手术仍是临床首选治疗方案[2]。大脑镰旁脑膜瘤是指肿瘤基底位于大脑镰，且向大脑镰两侧生长，常埋入大脑半球实质内[3]，肿瘤由颈内、外动脉双重供血，基底部较宽，位置较深，且与大脑动脉、引流静脉、上下矢状窦关系密切，手术空间狭窄，暴露困难[4]。大脑镰旁脑膜瘤与周围血管关系可分为：(1)肿瘤包裹血管；(2)肿瘤紧密接触血管。脑膜瘤与静脉窦瘤关系可分为：(1)肿瘤完全侵犯静脉窦；(2)肿瘤部分侵犯静脉窦；(3)肿瘤紧邻静脉窦，但未侵入窦内[5]。在切除肿瘤时，常发现有动静脉穿过肿瘤，或与肿瘤表面紧密粘连，易导致脑组织及动静脉血管严重损伤。因此，术前充分了解肿瘤与颅骨、供血动脉、引流静脉及上下矢状窦的关系至关重要。以往术者根据患者CT、MRI等二维影像进行大脑的空间构想和手术模拟，这对医师的解剖知识和阅片、空间想象力要求极高[6]。此外，颅脑结构复杂，病理状态下个体差异较大，单纯依靠二维图像难以全面了解肿瘤的真实情况[7]。三维可视化肿瘤虚拟图像可直观显示颅骨、血管、肿瘤等组织结构及其相互位置关系，减少了医师空间想象的过程。在实际手术中，由于患者头位变化、暴露空间有限等原因，导致基于三维可视化肿瘤虚拟图像的术前预案和手术模拟与术中实际操作存在无法避免的偏差，难以准确定位肿瘤及重要血管。近年来，随着神经导航技术的应用[8-9]，术中肿瘤、血管定位等困扰神经外科医师的问题已得到初步解决，但该技术在我国许多医院尚未广泛开展。因此寻找一种快捷、简便、廉价的方法，设计最佳手术方案并指导手术实施对神经外科医师十分重要。

3D打印技术是快速成型技术之一，20世纪80年代首先应用于工程领域，其利用分割成层状的重建三维可视化模型，逐层堆积成实体模型，是使用三维数据制造实体模型的一种行之有效的方法[10]。经过30多年的发展，3D打印技术现已在医学模型制造、个性化医疗器械制作、人工组织器官替代品制作等医学领域中逐步应用[11]。目前，国际上利用3D打印技术制造医学模型的研究及应用主要在颌面外科、口腔科、骨科等领域，并已初步取得良好的效果[11]。但在神经外科领域，利用3D打印技术制作大脑镰旁脑膜瘤模型并应用于临床手术指导尚未见相关报道。本研究采用3D打印技术重建大脑镰旁脑膜瘤的实体模型，3例患者的大脑镰旁脑膜瘤实体模型成功构建，实体解剖模型可清晰显示肿瘤与颅骨、大脑镰、上下矢状窦及周边血管的关系，且患者均达到Simpson Ⅰ级切除，术后恢复良好，手术成功，表明利用3D打印技术重建出的大脑镰旁脑膜瘤的实体模型有助于医务人员制定与完善手术方案，精准切除肿瘤，临床使用情况良好。分析原因为，CT原始数据经计算机处理并制作出实体颅内肿瘤3D模型，可实现从二维影像到计算机三维影像，再到真实三维解剖实体模型的跨越性转变，其逼真直观的视觉效果对个性化手术预案的设计及实施有极大的帮助。3D打印技术制作大脑镰旁脑膜瘤实体模型的主要作用有：(1)辅助手术预案的制定。将患者的二维影像数据转化成真实且与实物大小一致的肿瘤模型，立体感强，空间结构清晰，肿瘤大小、形状、位置及其与周边毗邻关系明确，尤其是肿瘤是否破坏颅骨及其破坏程度、肿瘤与大脑镰的附着部位及范围、肿瘤内部及其周围是否存在大血管等，为术者提供了更多传统影像学检查难以显示的丰富信息，为个体化手术方案的制定提供全面直观的依据。(2)指导手术的精确实施。目前螺旋CT工作站虽然能生成肿瘤虚拟三维模型，但无法在手术过程中真实显示。术中参照实体模型，减少了因术时头位变化及暴露空间有限等原因导致的与患者影像学检查位置不符、参照系改变所造成的偏差，有助于术者准确定位颅内肿瘤及重要结构的位置，把握手术切口及路径的选择，避开重要血管组织，尤其对于深部小肿瘤，可减少盲目探查所造成的脑组织损伤。(3)加强年轻医师对颅内肿瘤及颅脑解剖结构的认识。复杂的颅脑解剖结构常难以理解，无法以言语及文字准确描述，该实体模型克服了传统解剖教学的空洞枯燥及病理条件下难以还原人体真实解剖的不足之处，是对传统教学材料的完善和补充，为年轻医师的成长提供良好的学习平台。该模型应用于医学教学、病例讨论等，弥补了既往教学只能看解剖图谱及单纯X线片、磁共振和CT等二维图像的缺陷。通过3D打印模型，年轻医师可以亲手触摸等比例的患者肿瘤模型，亲自参与设计手术方案，有助于其加深疾病的理解及培养临床工作兴趣。(4)有助于医师总结经验。术后医师可以根据肿瘤实体模型，配合术中录像总结手术成功和失败经验，促进对人体颅脑病理解剖结构知识的掌握和手术经验的积累，缩短医师成长和培训时间，提高综合水平。(5)增进医患沟通。患者及家属常有了解肿瘤情况及手术过程的需求，但因复杂的颅脑解剖及患者病情，医师常难以用言语准确描述。向患者及其家属展示3D打印实体模型，使其对疾病及手术方案有直观了解，减轻患者及家属心理负担并提高其信心，有助于医患间有效沟通，减少医患纠纷。

此外，3D打印肿瘤实体模型也可实现颅内重要部位在体表的标记，如在三维虚拟图像上，将矢状窦、乙状窦、横窦、重要血管以及肿瘤等结构投射到颅骨或头皮上，并做好各种标识，通过3D打印技术在实体模型上直观体现。本研究所用技术可与神经导航结合，神经导航可接受DICOM格式和STL格式数据，利用该技术制造的3D虚拟模型和实体模型，先在病房制定完善的手术预案，术时通过U盘将做好的3D虚拟模型数据复制到神经导航上直接使用，无需临时重建模型及术前计划工作，可提高效率，尤其对颅内深部或靠近大血管的肿瘤，3D实体模型结合神经导航技术对手术实施更有指导意义。

为充分发挥个性化肿瘤实体模型的作用，在其3D打印的制造工艺上可做诸多改进，在打印材料颜色方面，为能够从视觉上直观分辨各组织结构的位置及其毗邻关系，可采用不同颜色的打印材料进行不同组织结构的区分，如颅骨选白色、血管选红色、肿瘤选蓝色等；在打印材料类型方面，为了能够从触觉上体现各组织结构的生物学特征，可采用不同的打印材料类型予以区分，如颅骨、肿瘤采用树脂、ABS等硬质材料，血管、神经采用高弹性塑料，头皮采用橡胶类材料等；在打印材料性质上，可采用透明材料予以制造，如使用透明材料制造颅骨和肿瘤，能够清晰完整地体现深部血管或肿瘤内部血管情况，使手术医师在切除肿瘤时有充分的心理准备。当然，由于现有条件限制，如CT扫描、三维虚拟模型重建、3D打印技术的精度有限，制作的3D实体模型势必有部分细微结构丢失，难以精细重现颅内各组织结构。但在本研究中，术者所需重点了解的肿瘤位置、血管分布等均已完整、准确地显示，且此技术尚处于初步研究阶段，相信随着相关技术的进一步发展，颅脑各细微结构的实体重现也将成为可能。

综上所述，依据3D打印技术重建出的大脑镰旁脑膜瘤实体模型，术前有助于医务人员讨论患者病情及与患者进行有效沟通，制定完善的手术预案，术中参照实体模型，准确设计手术切口及入路，清晰了解肿瘤与颅骨、血管、上下矢状窦和横窦的关系，精准切除肿瘤，使手术取得良好效果。但现阶段该技术仅处于初步应用阶段，尚需积累更多的临床病例，以取得更好的临床效果与经验，同时需进一步研究如何提高三维重建及3D打印精度，为颅内肿瘤手术治疗提供更全面准确的依据。

作者贡献：刘宇清、黄绳跃、何炳蔚、吕翱进行试验设计与实施、资料收集整理、撰写论文、成文并对文章负责；沈恒华、洪文瑶进行试验实施、评估、资料收集；姚立纲、陈明武进行质量控制及审校。

本文无利益冲突。

[1]丁育基.颅脑重症与手术并发症的临床处理[M].北京：北京出版社，2001：499-502.

[2]梁瑞金，江桂华，张玉忠，等.脑膜瘤术前影像学评估对切除程度手术并发症及预后的影响[J].中国实用神经疾病杂志，2015，18(24):32-34.

[3]赵继宗.临床诊疗指南：神经外科学分册[M].北京:人民卫生出版社，2006：60.

[4]是旌，周强，王寿海.显微手术切除大脑镰旁脑膜瘤的技巧和效果分析[J].中国实用神经疾病杂志，2015，18(18):92-93.

[5]杨俊，吴雪松，莫鸿忠，等.双源CT三维血管成像技术在脑膜瘤术前评估中的应用[J].中国临床神经外科杂志，2015，20(6):347-349.

[6]KIM J H,KANG H G,KIM H S.MRI-guided navigation surgery with temporary implantable bone markers in limb salvage for sarcoma[J].Clin Orthop Relat Res,2010,468(8):2211-2217.

[7]SCHWARTZ A J,KIATISEVI P,EILBER F C,et al.The Friedman-Eilber resection arthroplasty of the pelvis[J].Clin Orthop Relat Res,2009,467(11):2825-2830.

[8]KENNGOTT H G,WAGNER M,GONDAN M,et al.Real-time image guidance in laparoscopic liver surgery:first clinical experience with a guidance system based on intraoperative CT imaging[J].Surg Endosc,2014,28(3):933-940.

[9]HARTL R,LAM K S,WANG J,et al.Worldwide survey on the use of navigation in spine surgery[J].World Neurosurgery,2013,79(1):162-172.

[9]BENJAMIN L S.The evolution of multiplanar diagnostic imaging:predictable transfer of preoperative analysis to the surgical site [J].J Oral Implantol,2002,28(3):135-144.

[10] RENGIER F,MEHNDIRATTA A,VON TENGG-KOBLIGK H,et al.3D printing based on imaging data:review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg,2010,5(4):335-341.

[11]DARWOOD A,COLLIER J,JOSHI N,et al.Re-thinking 3D printing:a novel approach to guided facial contouring[J].J Craniomaxillofac Surg,2015,7(43):1256-1260.

(本文编辑：毛亚敏)

Preliminary Application of 3D Printing Technology in the Surgical Treatment of Falx Meningioma

LIUYu-qing,HUANGSheng-yue,HEBing-wei,YAOLi-gang,LYVXiang,SHENHeng-hua,CHENMing-wu,HONGWen-yao.

DepartmentofNeurosurgery，FujianProvincialHospital；ProvincialClinicalMedicalCollegeofFujianMedicalUniversity，Fuzhou350001,China

HUANGSheng-yue,DepartmentofNeurosurgery，FujianProvincialHospital；ProvincialClinicalMedicalCollegeofFujianMedicalUniversity，Fuzhou350001,China；E-mail:huangshenyue@126.com

ObjectiveTo explore the preliminary application of the construction of anatomic model of falx meningioma entity based on 3D printing technology in the surgical treatment of falx meningioma.MethodsThree patients with falx meningioma admitted in Department of Neurosurgery of Fujian Provincial Hospital from April to June 2015 were selected.According to the DICOM data of patients obtained from enhanced spiral CT scanning,data information of skull,blood vessel and tumor were extracted and reconstructed with different segmentation methods.The assembly and integration of the three ones were achieved in the same coordinate system to form three-dimensional visual composite virtual models.Combined with 3D printing technology,three-dimensional visual composite virtual model was substantialized.The construction of anatomic model of falx meningioma entity and the operation of falx meningioma for patients were observed.ResultsThe three-dimensional visual composite virtual models were constructed for three patients and the anatomic models of falx meningioma entity were made successfully,which could clearly show the relationship between tumor and skull,cerebral falx,superior sagittal sinus,inferior sagittal sinus and peripheral vessels.Surgeons could use this model to make perfect operation plan,guide surgical positioning and implementation according to anatomic model of falx meningioma entity during operation,avoid important blood vessels and reach Simpson Ⅰ grade excision.Moreover,patients had no obvious encephaledema,hematoma and dysneuria after operation.The operation was successful in three patients.ConclusionThe anatomic model of falx meningioma entity based on 3D printing technology can effectively guide medical staff to make and improve operation plans,precisely remove tumor,reduce intra-operation injuries,and contributes to the rehabilitation of patients.

Meningioma；3D printing technology；Model,anatomy

福建省自然科学基金资助项目(2015J01421)

350001福建省福州市，福建省立医院神经外科，福建医科大学省立临床医学院(刘宇清，黄绳跃，陈明武，洪文瑶)；福州大学机械工程及自动化学院(何炳蔚，姚立纲，吕翱，沈恒华)

黄绳跃，350001福建省福州市，福建省立医院神经外科，福建医科大学省立临床医学院神经外科；

E-mail:huangshenyue@126.com

R 739.45

ADOI：10.3969/j.issn.1007-9572.2016.24.017

2016-02-06；

2016-06-01)