基于三维(3D)打印技术的颅底肿瘤精准手术治疗报告及分析*

孙 涛 韩善清

基于三维(3D)打印技术的颅底肿瘤精准手术治疗报告及分析*

孙 涛①韩善清②*

目的：探讨三维(3D)打印技术颅底肿瘤精准手术治疗中的应用。方法：对1例感觉头痛不适，双侧视力渐进性下降至左眼失明的45岁男性患者，进行磁共振(MR)平扫检查发现颅底有占位性病变，遂行头颅CT血管成像(CTA)、3.0T MR检查获得CT和MR的医学数字成像及通信(DICOM)数据，输入计算机进行立体模拟建模，而后打印出三维重建模型。结果：三维重建模型清晰地显示出颅底肿瘤的解剖结构，反映肿瘤所在的三维空间及周围血供，在其指导下完成肿瘤精准、完整地切除，并尽可能保全周围正常脑组织，且减少了整台手术时间。结论：3D打印技术应用于颅底肿瘤的治疗，能清晰显示解剖结构，辨识肿瘤毗邻血管，在避免遗漏肿瘤的同时，更有效地辅助术前规划，对颅底的复杂手术提升了安全性、加快了手术速度，提高手术的精确性，在神经外科精准手术治疗方面具有极大的应用前景。

三维打印；精准手术；颅底肿瘤；神经外科

孙涛,男,(1978- ),硕士，副主任技师。南京医科大学第一附属医院放射科，研究方向：影像技术。

颅底肿瘤是指发生于颅底及其相邻近结构的肿瘤，可由颅内向颅外或是由颅外向颅内发展。颅底肿瘤通常以手术治疗为主，手术方法因肿瘤的部位、大小、性质、与周围结构的关系及患者的具体情况而各不相同，但应遵循以下基本原则：在充分保护脑组织、颅神经及颅底重要血管的前提下，采用显微外科手术技术选择最佳手术入路，保存重要神经功能，力争全切肿瘤，同时必须恢复和重建颅底的正常生理密闭性。颅底肿瘤的手术效果，取决于完整地切除肿瘤的同时，尽可能地保留周围正常的脑组织。但是，颅底的解剖结构复杂，术野狭小，给手术带来巨大挑战，所以颅底肿瘤手术是神经外科的难点之一。三维(3D)打印技术，又称快速成型技术(rapid prototyping，RP)或增材制造技术(additive manufacturing，AM)，是一种以数字模型文件为基础，应用粉末状、液态塑料或金属等可粘合材料，通过逐层打印方式来构造物理模型的技术[1-3]。3D打印技术在国内外医学领域案例不少，主要应用于骨科、颌面整形等学科[4]。但目前在国内外鲜有将此技术应用于颅底肿瘤精准手术治疗方面的报道。为此，本研究主要探讨3D打印的颅底模型制作方法、流程及在颅底肿瘤术前规划及手术方案制定。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取1例男性患者，45岁，以头痛不适、双侧视力渐进性下降2年且伴左眼失明8个月入院。

1.2 仪器设备

采用SOMATOM Definition双源CT(德国，Siemens公司)；Trio Tim 3.0 T超导型磁共振扫描仪(德国，Siemens公司)；Replicator Z18三维打印机(美国，MakerBot公司)；打印材料：聚乳酸(polylactic acid，PLA)(上海，Polymaker公司)。

1.3 头颅CTA检查

患者仰卧于双源CT检查床上，头先进，置于头架中，下颌内收，使得头颅和身体正中矢状面与床面中线重合，两外耳孔与床面等距，双手置于身体两边；采用Bolus Tracking追踪法，运用高压注射器按照1.2 ml/kg注射欧乃派克，监控C5水平层面，一旦颈内动脉CT值＞100 HU，自动触发开始自C5水平向颅顶扫描结束。扫描参数：固定管电压140 kV，勾选CareDose选项，自动控制管电流来减少mAs，螺距0.7，最小准直宽度0.6 mm。

1.4 头颅MR平扫+增强检查

患者仰卧于超导型磁共振扫描仪检查床上，头先进，依次对头颅行矢状位T1WI，轴位T2WI和T1WI、轴位T2WI流体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery，FLAIR)序列和弥散加权成像 (diffusion weighted imaging，DWI)序列，注射造影剂Gd-DTPA后行轴位T1WI、矢状位T1WI、冠状位T1WI以及T1WI等体素薄层扫描。其中等体素薄层扫描具体参数：TR/TE：1900 ms/2.95 ms，矩阵256×256，FOV：230 mm×200 mm，TI：900 ms，FA：9degree。

1.5 软件处理

本研究获取的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、CT扫描图像均采用医学成像工具包(medical imaging toolkit，MITK)软件处理。MITK是一款开源的医用图像处理软件，可以直接读取CT、MRI等设备采集到的医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)文件，通过对影像数据内的兴趣区域进行可视化分割提取，可以计算生成并导出STL格式的三维网格模型，如图1所示。

图1 MITK软件处理流程

由于整个病灶包含有脑组织、肿瘤、血管、皮肤、颅骨及脑室等多种组织，并需要使用不同的颜色进行区分，因此本研究使用多分割蒙版方式来创建模型，每种组织对应一个分割蒙版，而每个分割蒙版都是由兴趣体素所构成。患者的影像学检查包含CT和MRI数据，两次数据采集时患者的体位有所区别，因此事先需要使用基于点配准(Point based Registration)功能来将两组数据进行配准。

核磁影像中的肿瘤边缘清晰、强化明显，所以使用Segmentation分割工具栏下的三维tools中的Threshold阈值工具即可分离出肿瘤。颅内的脑组织同样也有强化，但是信号强度比肿瘤组织略低。本研究使用了三维Tools下的UL Threshold工具来提取脑组织。不同于Threshold仅能设定一个最低值，该工具能同时设置一个最低值和最高值，信号强度位于设定值区间内的组织都会被选中。由于有些皮肤的信号强度和脑组织类似，所以会被选择进来，此时需要借助二维Tools下的Subtract工具才将这部分选择区域擦除，最后仅留下脑组织区域即可。皮肤和脑室的重建方法与创建脑组织的方法类似，不过为了创建更为平滑的皮肤，将皮肤内部完全填充为实体。

CT影像中显示的骨骼密度较高，且清晰，因此可直接使用三维Tools下的Threshold阈值工具即可分离出大部分的骨骼。由于该患者骨质略有疏松，骨骼边缘可能无法自动选定，所以需要使用二维Tools下的手动工具手动修复一下未被选入的骨质，同时为了减少骨骼三维模型的面数，本研究使用二维Tools下的Fill工具逐层将骨骼内部进行填充处理。确认无问题后点击确认，即可生成骨骼模型。打入造影剂强化后的血管模型，其密度比软组织高，但是密度比骨骼略低，所以本研究使用了三维Tools下的UL Threshold工具来提取血管。不同于Threshold仅能设定一个最低值，该工具能同时设置一个最低值和最高值，灰阶强度位于设定值区间内的组织都会被选中。由于血管内部造影剂含量有所区别，因此许多细小的血管无法被准确选入或者某些密度的松质骨会被误选进来，此时需要借助二维Tools下的手动编辑工具将血管部分进行手工修复，去除多余的骨骼，并手动添加缺失的细小血管，最后完成整个血管的修复和重建工作。

当所有组织的分割蒙版都被准确的建立后，其将会作为子对象数据自动存储在影像数据下，在选中某个分割蒙版后，可以在右键快捷菜单中使用Create Smoothed Polygon创建三维网格模型，创建出来的三维网格模型可以通过Save保存功能将其存储为单独的STL模型。将导出的STL模型导入到了三维建模(3Ds Max)软件中，使用Finish工具为模型进行光滑。此外，为了减少打印时间并方便于教学讲解，使用3Ds Max软件将模型进行了裁剪和切割。

1.6 打印及后处理流程

(1)打印。将STL格式数据导入至Objet 350 Connex 3型三维打印机系统后操作步骤如下：①检测三维模型是否满足打印要求；②模型满足打印要求的情况下，对模型进行自动切片处理并评估打印耗费的材料；③估算打印时间并开始打印；④去除支撑物。

(2)后处理流程。由于血管等组织形态比较复杂，所以打印时手动添加了一些支撑物。打印完成后取出三维模型，去除支撑并添加上色组装。整个打印和后处理流程如图2所示。

图2 三维打印与后处理流程图

打印材料使用多种颜色的PLA材料，为了节省打印时间和成本，设置最薄打印层厚为0.2 mm，该模型重建和打印花费的总时间大约为20 h。重建设计图与打印实物图的对比如图3所示[5-6]。

图3 重建设计图与打印实物对比图

2 结果

2.1 影像诊断结果

鞍区见一类圆形囊实性占位性病变，信号混杂，大小约5.3 cm×4.1 cm×4.8 cm，部分向前突出于蝶窦，实性成分呈等T1等T2信号，T2FLAIR序列呈高信号，DWI序列呈混杂高信号影，增强后实性成分明显强化；两侧大脑中动脉及大脑前动脉受压移位。考虑垂体瘤伴囊变。

2.2 手术结果

术前通过三维重建和打印，不但可以清晰地观察肿瘤大小其所在的空间位置、肿块大小等，而且还可以观察其周围毗邻的血管，血管的来源和走向。根据三维技术反映的信息，手术中准确定位肿块，避开主要血管，完整切除肿块，手术时间大为缩减。术中发现：肿瘤大小约4 cm×4 cm，边界清，推压左侧视神经与颈内动脉，肿瘤周围结构解剖关系与重建设计图和打印模型一一对应，缩短了手术时间，整个手术为患者输血400 ml。

3 讨论

近年来，3D打印技术在医学领域的应用以骨科和颌面整形为主，少数医院开展肝胆方面研究，鲜有将此技术应用于颅底肿瘤精准治疗方面的报道[7-8]。三维打印模型可以通过将CT或MRI原始DICOM数据进行后处理重建打印而成[9]。相比于传统的影像报告方法，3D打印的颅底肿瘤模型能够更直观地显示解剖结构，克服原始二维图像无法随意融合CT、MRI数据的缺点，可以同时清晰的呈现软组织和骨骼等硬组织。由于3D打印的实体模型可以随意切换视角进行观察，方便整个治疗团队观察和手术方案讨论。此外，对于无医学知识背景的患者而言，也更加容易进行术前沟通和手术方案展示。就本研究病例而言，通过3D打印的模型能在手术前确定肿瘤的位置、大小以及与周围血管的毗邻关系，并且能够更加精准的测定复杂外形肿瘤的体积和表面积，这对于目前所倡导的精准外科具有重要的指导意义，可提高手术的成功率及减少手术所需要的时间[11]。此次手术显示3D打印技术可以避免以往传统手术的相对盲目性，减少术中的创伤。因此，3D打印技术与计算机技术紧密结合，不仅能完成手术前规划，手术技术评估，减轻患者痛苦，有望最终达到精准医疗和个性化治疗的目的[10-11]。

3D打印技术为医学提供了一种新的影像学展示方法和治疗手段，但现阶段而言，3D技术在神经外科领域的应用还存在以下不足：①构建分割蒙版过程繁琐。由于软组织不同于骨骼建模，其信号强弱不等，需要大量的后期人工修补工作，尤其是血管等结构，当造影剂含量较低时，细小的血管分支往往无法重建，血管强化效果较好的数据可减少重建所需时间；②打印材料昂贵。3D打印材料常用的有塑料类材料和树脂材料，但随着3D打印机的普及，材料价格也会随之下降；③不同检查影像数据融合困难。由于是基于原始医学图像重建而成，所以也会受到运动伪影、扫描时间及图像信噪比低等因素的影响，对于后期图像处理建模将会是一个巨大的挑战[12]。

随着医生、工程师及专业设计人员共同参与到数字医学领域的研究，未来3D打印技术在神经外科的临床应用会有广阔的发展空间。3D打印技术与计算机辅助外科紧密结合能完成手术评估、手术方案规划及术后效果评价等。通过提高手术质量、降低患者痛苦，最终达到精准医疗和个性化治疗的目的。

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Precise surgery of skull base tumor based on 3D printing technology: a case report and analysis/

SUN Tao, HAN Shan-qing//
China Medical Equipment,2017,14(3):86-89.

Objective: To investigate the significance of 3D printing technology in the treatment of skull base tumor. Methods: A 45-year-old male patient who felt headache and discomfort had progressive loss of vision to blindness in the left eye. Using MR plain scan found that there was a skull base tumor, so the patient was examined by brain CTA and 3.0T MR to obtain medical digital imaging of CT and MR and DICOM data which were input into computer for establishing threedimensional model, and then printed it. Results: 3D reconstruction model can clearly display the anatomical structure of skull base tumor, three-dimensional space and peripheral blood around skull base tumor. Under the guidance of this new technology, the tumor was completely removed and the surrounding normal brain tissue was preserved as much as possible. The whole operation time was greatly reduced at the same time. Conclusion: The treatment of 3D printing technology is applied in skull base tumors can clearly display the anatomical structure, distinguish adjacent vessels around tumor; when it avoids missing tumor, also can more effectively assist preoperative planning, enhance the security for complex skull base surgery, accelerate the operation speed, improve operation accuracy; it has great application prospect in the precise treatment of neurosurgery.

3D printing; Precision surgery; Skull base tumor; Neurosurgery

1672-8270(2017)03-0086-04

R739.41

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.03.024

2016-10-26

江苏高校优势学科建设工程资助(JX10231801)“临床医学”

①南京医科大学第一附属医院放射科 江苏 南京 210029

②南京医科大学第一附属医院信息中心 江苏 南京 210029

*通讯作者：jsphhsq@hotmail.com

[First-author’s address] Department of Radiology, The First Affiliated Hospital with Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China.