一种用于侧脑室模拟穿刺模型的研制与应用

庄江惠，何炳蔚，刘宇清，易宗超，吕翱，洪文瑶，潘儒君

1.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116；2.福建医科大学省立临床医学院 神经外科，福建 福州 350001

引言

侧脑室穿刺是神经外科临床中常用的诊疗技术，是医生必须熟练掌握的基本技能，常用于颅内占位性病变、导水管梗阻等严重颅内压增高时的紧急放液减压、颅内感染与脑室内出血的穿刺引流、脑室-腹腔分流术、颅内压监测等[1]。目前，医生在实施脑室穿刺过程中，主要依靠临床经验，凭目测及想象进行操作。对于年轻医生，由于临床经验不足以及心理因素等原因，时常会出现穿刺失误。如果平时能够模拟穿刺训练，将大大提高手术技巧及熟练度，增加年轻医生的信心。本研究提出在CT和MRI医学影像数据的基础上，通过有效结合正向设计与3D打印技术，制作出高度逼真的颅脑实体模型，并在此模型上进行侧脑室模拟穿刺，为临床医生快速熟练掌握侧脑室穿刺术技巧，提高手术成功率提供一种安全有效的训练方法。

1 资料与方法

1.1 CT、MRI数据采集

以福建省立医院收治的一例47岁男性患者为研究对象，获取其增强CT、MRI数据。颅骨、血管的影像数据采集于CT，仪器为Siemens公司SOMATOM Definition双源螺旋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，见图1。侧脑室、脑组织的影像数据采用薄层MRI扫描采集，扫描参数为：快速梯度回波序列，TR1900 ms，TE2.52 ms，层厚1.0 mm，FOV 250 mm，矩阵256×256，翻转角9°，见图2。经薄层扫描得到的二维扫描断层图像数据，保存为DICOM格式输出。

图1 CT扫描图像

图2 MRI扫描图像

1.2 颅脑模型的三维重建

颅脑多模图像（CT、MRI、动态增强成像等）各具特点，如MRI在显示肿瘤、脑室系统、脑组织等方面有优势，而CT则能较好地反映颅骨、血管等结构。本研究采用医学图像处理软件Mimics 15.0（比利时，Materialise公司），基于阈值的图像分割原理进行颅脑三维重建。所谓图像分割，就是将感兴趣的目标区域从图像中分离出来的过程。根据颅脑CT和MRI断层图像的特点，选择不同分割算法进行各组织结构分割。分别根据CT中的脑部血管、颅骨、头部表皮，MRI图像中的肿瘤、脑组织、头部表皮的灰度值差异，采用阈值分割算法进行图像分割，颅骨界定阈值125～3071 HU，血管78～279 HU，侧脑室-37～26 HU，脑组织137～1434 HU，CT中头皮 -718～-177 HU，MRI中头皮79～711 HU。然后分别选取它们的种子点进行区域增长，并辅以模板擦除法和模板填补法进行优化处理，得到分割后的各组织结构蒙板。通过对蒙板进行三维实体计算，从CT中重建出血管、颅骨和头部表皮，以及从MRI图像中重建出肿瘤脑组织和头部表皮。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，实现不同模态数据坐标的统一，完成颅脑三维模型的构建，以STL格式输出进行后处理，见图3。

图3 重建后的颅脑三维虚拟模型

1.3 正向设计

利用正向设计软件3-Matic在已重建的颅脑三维模型上进行正向设计。① 因为现有的3D打印技术无法制作出类似脑组织的超软材料，故对脑组织进行截断处理，通过布尔求差运算设计其模具，便于脑组织倒模成型（图4a）；② 为了模拟真实的颅内压力环境，设计了中空薄壁的侧脑室嵌件及两侧的进出水管道，管道内设有螺纹用于配合连接件与软管相连接，可通过注射器向侧脑室空腔注入不同剂量的液体，以此模拟脑脊液（图4b）；③ 以眉心所在平面为界，将颅骨设计为上、下两部分，两者间用圆柱销连接，实现模型的简易拆卸，方便模拟穿刺结束后，可将其拆卸下来观察评估穿刺路径是否合理；④ 术区模块包括皮肤层、松质骨层和密质骨层，在上部分颅骨处设计为上、中、下3层，为长16 cm、宽7 cm的长方形区域，头皮采用橡胶类材料、骨层采用不同硬度的3D打印材料制作用于模仿颅骨内外板，确保钻孔时真实的层次感（图4c）。

图4 正向设计结果

1.4 3D打印成型

采用美国Stratasys公司的Objet350 Connex3彩色打印机，该打印机精度为0.016 mm，可同时打印3种基本材料（软性材料，硬性蓝、黄、白、品红等模型材料）和支撑材料，通过不同的基本材料配比和组合，实现不同颜色、硬度和透明度的3D打印成型。其聚合物喷射（PolyJet）3D打印原理，见图5。通过压电式喷头将液态光敏树脂以超薄层状态喷射在工作台上，形成一定几何轮廓，然后紫外线灯发射紫外光对树脂层进行光照固化；完成固化后，工作台精准地下降一个成型厚度，然后进行第二层液态光敏树脂固化成型；如此循环，使模型整体厚度和形状达到设计要求。打印结束后，通过水洗操作处理去除支撑材料，完成各部分组织的打印制作。

图5 PolyJet工艺成型原理图

1.5 水凝胶脑组织的浇注成型

因为目前的3D打印技术无法制作类脑组织，故采用浇注成型的方式来制作。材料为水凝胶，其质地柔软，可近似为脑组织材料。将水凝胶粉和蒸馏水按1:10的比例混合，溶液搅拌均匀，并进行加热保证水凝胶粉完全融化。将侧脑室嵌件固定放置于模具中，并倒入水凝胶溶液，冷却至室温，一旦固化，将脑组织从模具中取出，完成脑组织成型。

2 结果

通过上述技术制作出1:1的颅脑实体模型，具有如下特点：① 中空薄壁侧脑室嵌件为透明软橡胶材料，见图6a；② 脑组织浇注模具为光敏树脂材料，见图6b；③ 脑组织采用水凝胶浇注成型，质地柔软且富有弹性，可完整呈现脑沟回及侧脑室腔体，见图6c；④ 其余部分采用与人体颅脑组织硬度相近的3D打印材料一体成型，并以不同颜色区分不同结构，见图7。整个实体模型立体感强，可直观、清晰地显示颅脑结构。此外，从侧脑室进水口注入不同剂量的液体模拟脑脊液，以此模拟不同颅内压环境，见图8。

图6 脑组织水凝胶浇注结果

图7 颅脑下半部分结构

图8 颅脑三维实体模型

利用该实体模型进行侧脑室穿刺模拟，验证其可行性。选择传统的额角穿刺方法[2]，将颅脑模型置于仰卧位，取眉心上方10 cm，中线旁开2.5 cm作为穿刺点，穿刺方向平行于矢状面，向外耳道连线方向穿刺，进针深度约4～6 cm。从头皮表面进行规划取点，到皮肤剪切、撑开，利用手摇钻颅骨钻孔，再到侧脑室穿刺，见图9。整个模拟手术过程中，各操作步骤与临床手术基本一致，术者的触觉感受也近乎真实，穿刺针进入侧脑室时，具有明显的突破感、落空感，且在模拟穿刺结束后，将上部分颅骨进行拆卸，对穿刺结果进行评价，验证手术的准确性。

图9 穿刺模拟过程

3 讨论

侧脑室穿刺手术早已广泛应用于神经外科临床，对诊断、抢救和治疗颅内多种疾病具有重要价值[1]。其成功实施的关键是穿刺过程中准确地一次性置管，使对脑组织的损伤降至最低。目前侧脑室穿刺手术基本凭借医生的经验和手感，导致穿刺结果常有偏差，有时需要反复多次调整穿刺方向才能成功，这势必增加出血、感染等并发症发生的几率。因此，对于神经外科医生特别是年轻医生，尽快熟练掌握穿刺技巧尤为重要。

目前，医生临床手术技能训练的基本途径大致有4种：① 人或动物的尸体；② 计算机虚拟现实系统；③ 仿真人体解剖模型；④ 由上级医生进行口授与操作示范，年轻医生在实际手术中慢慢积累经验。这些方法都有各自的优缺点，例如，人或动物的尸体是最早应用于外科术前培训的，但伦理道德问题限制了它们的使用，而且动物尸体与人类的相似性低，此外尸体的保持和维护费用也是相当昂贵。在计算机虚拟现实系统下进行手术训练，三维模型大多基于二维平面显示，其真实感不足，操作舒适性差，模拟手术过程与临床实际操作过程存在很大区别，训练的效果非常有限。此外，大多数人体仿真解剖模型存在材料单一，精度不高等缺陷。而口授与操作示范这种方式必然会增加病人的手术风险[3-8]。

3D打印技术是近年来新兴的一种制造技术，它通过计算机读取数据，经数据转换后逐层建造三维实体模型[9]。该技术已经被应用于生物医学中，其中包括个性化医疗植入物、个性化手术导向模板、细胞或组织打印以及医学模型的制作[10-12]。由于颅脑结构复杂及个体差异，将3D打印技术应用于颅脑实体模型的制作，其逼真直观的视觉效果对手术的设计有极大帮助，现已在国际国内有所应用[13-15]。但如何将3D打印制作的实体模型应用于神经外科侧脑室的体外模拟手术仍有待于进一步研究与实践。本研究为该应用的升级，即在模型上进行手术训练。

本文基于颅脑CT及MRI影像数据，利用最新的3D打印技术制作出高度逼真的颅脑实体模型，可直观显示术者颅脑三维空间结构，在此模型上实现皮肤表面定位、规划穿刺点、皮肤剪切、颅骨钻孔、穿刺引流，使年轻医生的成长模式由传统的上级医生口授、示范—电脑虚拟操作—实体模型操作初步成为现实。

目前3D打印技术无法制作类脑组织[16]，为解决该问题，利用3D打印制作出侧脑室嵌件以及脑组织模具，而脑组织采用水凝胶浇注方式制作，它能表现出更逼真的组织特性。通过向侧脑室空腔注入不同剂量的液体（以此模拟脑脊液）产生不同的颅内压力。颅骨采用双层设计制造出松质骨、密质骨。以上特点保证了训练过程更接近临床实际操作，如：钻孔时的层次感，穿刺针穿过脑组织的微阻力感以及进入侧脑室额角时的瞬间落空感。模拟穿刺结束后，通过拆卸颅脑模型可对穿刺路径、位置及深度进行评价，验证手术的准确性。

4 结论

本研究利用3D打印技术设计制作的模型将颅脑结构精确再现，可应用于临床培训、教学以及考核等方面。在临床培训方面，年轻医生可了解手术操作流程，在其上反复操作，强化手术技能；在教学方面，可弥补传统教学材料的不足，便于年轻医生对大脑皮层及侧脑室解剖结构的认识和理解；当前技能考核往往局限于理论方面，缺少实际操作技能考核，该模型可望成为医学技能考核的有效补充。同时，在此模型上进行各种侧脑室模拟穿刺，以验证传统穿刺方法的可靠性和有效性，并寻找更为简便准确的穿刺方法，为临床试验提供参考依据。

虽然本研究建立的颅脑实体模型感观、形态方面已高度仿真，在模拟穿刺手术时已接近临床实际操作过程，但受限于医学影像技术、计算机技术以及3D打印技术，目前仍存在难以完全模拟颅脑结构（包括血管、硬脑膜、蛛网膜系统等精细组织）及生理条件下的脑脊液循环等诸多不足之处，均有待于进一步的研究与探索。

[参考文献]

[1] 王忠诚.神经外科学[M].2版.武汉:湖北科学技术出版社,2015.

[2] 刘宇清,吕翱,黄绳跃,等.计算机三维重建技术下模拟侧脑室额角穿刺方法的探讨[J].中华神经外科杂志,2015,31(3):246-249.

[3] Weinstock P,Rehder R,Prabhu SP,et al.Creation of a novel simulator for minimally invasive neurosurgery: Fusion of 3D printing and special effects[J].J Neurosurg Pediatr,2017,20(1):1-9.

[4] 徐波,陈辉.脑穿刺手术模拟训练系统的实验研究[J].中国微侵袭神经外科杂志,2010,15(11):512-514.

[5] Maddox MM,Feibus A,Liu J,et al.3D-printed soft-tissue physical models of renal malignancies for individualized surgical simulation: a feasibility study[J].J Robot Surg,2017:1-7.

[6] 刘宇清,黄绳跃,何炳蔚,等.基于计算机三维重建技术的改良侧脑室额角穿刺术研究[J].福建医科大学学报,2017,51(1):68-70.

[7] 杨治荣,施巍,沈晨,等.3D真人侧脑室模型的设计与构建[J].第二军医大学学报,2012,33(11):1203-1206.

[8] 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.

[9] Lei W,Jing L.Compatible hybrid 3D printing of metal and nonmetal inks for direct manufacture of end functional devices[J].Tech Sci,2014,57(11):2089-2095.

[10] Klein GT,Lu Y,Wang MY.3D printing and neurosurgery--ready for prime time?[J].World Neurosurg,2013,80(3-4):233-235.

[11] 林泽明,何炳蔚,陈江,等.基于配准技术的微创牙种植导向模板的制作方法及应用[J].华西口腔医学杂志,2012,30(4):402-406.

[12] Markstedt K,Mantas A,Tournier I,et al.3D bioprinting human chondrocytes with nanocellulose-alginate bioink for cartilage tissue engineering applications[J].Biomacromolecules,2015,16(5):1489-1496.

[13] Ryan JR,Almefty KK,Nakaji P,et al.Cerebral aneurysm clipping surgery simulation using patient-specific 3D printing and silicone casting[J].World Neurosur,2016,88:175-181.

[14] 兰青,陈爱林,张檀,等.通过3D打印技术制备颅脑实体模型[J].中华医学杂志,2016,96(30):2434-2437.

[15] Spottiswoode BS,Dj VDH,Chang Y,et al.Preoperative threedimensional model creation of magnetic resonance brain images as a tool to assist neurosurgical planning[J].Stereot Funct Neurosurg,2013,91(3):162-169.

[16] Ploch CC,Mansi CSSA,Jayamohan J,et al.Using 3D printing to create personalized brain models for neurosurgical training and preoperative planning[J].World Neurosurg,2016,90:668-674.