3D打印技术在颅底肿瘤显微手术中的临床应用

冯孟昭，王国庆，张晓阳，许丁康，王 方，刘献志，郭付有

郑州大学第一附属医院神经外科 郑州 450052

颅底肿瘤，尤其是体积巨大、呈侵袭性生长并累及多个重要毗邻结构的肿瘤，手术难度大，风险高，并发症多，手术切除具有很大挑战性。3D打印技术以其快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性，在生物医学领域应用广泛[1]。目前，3D打印技术在神经外科中的应用主要包括辅助夹闭脑动脉瘤术前的生物模型模拟手术，制定个体化内植物等[2-3]。有关3D打印技术在颅底肿瘤显微手术中应用的报道较少。作者运用3D打印技术辅助显微手术治疗10例颅底肿瘤患者，探讨3D打印技术在颅底肿瘤显微手术中的临床应用价值。

1 资料与方法

1.1一般资料郑州大学第一附属医院神经外科自2016年11月至2017年3月收治的颅底肿瘤患者20例。纳入标准：①以神经系统症状为首发症状。②经影像学证实为颅底肿瘤且为颅内唯一原发肿瘤。③身体状况良好，KPS评分>70。④无其他合并症。配对标准：①患者年龄相近、性别一致。②由颅底肿瘤导致的首发症状及其持续时间相近。③术前经影像学证实的病灶大小、主体位置和MRI信号基本一致。④病灶适宜相同的手术入路。按照以上标准将20例患者配为10对，其中每对随机分入3D打印组及对照组，每组10人。3D打印组男6例，女4例，年龄(40.4±19.6)岁；鞍结节脑膜瘤2例，颅咽管瘤2例，侵袭性垂体瘤1例，蝶骨嵴内1/3脑膜瘤2例，下丘脑区毛细胞星形细胞瘤1例，下丘脑区毛细胞黏液样星形细胞瘤1例，海绵窦脑膜瘤1例；对照组男6例，女4例，年龄(41.9±18.7)岁；鞍结节脑膜瘤2例，颅咽管瘤2例，侵袭性垂体瘤1例，蝶骨嵴内1/3脑膜瘤2例，下丘脑区毛细胞星形细胞瘤2例，海绵窦脑膜瘤1例。本研究获得医院伦理委员会批准，患者签署知情同意书。

1.2 3D打印组手术方案

1.2.1 三维重建及模型打印 患者术前常规进行CT、MRI、CTA检查，数据经薄层扫描后以DICOM格式存盘导出电脑。将DICOM格式数据导入加拿大ORS软件精确化处理，将不同灰度表示的组织抽离出来，通过软件运算，将二维的一定灰度值范围的组织转变为STL通用3D打印格式。对相同灰度值但属于不同组织的数据进行分离，并用不同颜色表示，保存为不同的文档。将STL文件导入美国Stratasys公司生产的Connex 3 350 3D打印机，按照1∶1大小打印肿瘤模型，打印时不同组织以不同颜色的材料区分，制作出与实际大小一致的颅底鞍区肿瘤实体解剖模型。

1.2.2 制定手术计划 结合患者术前的CT、MRI、CTA影像学资料及制作的3D打印模型，帮助术者于术前精确还原患者颅底真实情况，精确判断颅底肿瘤组织与毗邻的重要血管如双侧颈内动脉、大脑前动脉、大脑中动脉、基底动脉、大脑后动脉，以及与颅底的重要神经如视交叉、动眼神经、三叉神经等的空间位置关系，选择合适手术入路，制定最佳手术方案。

1.3对照组手术方案术者根据术前常规CT、MRI、CTA检查，辨认病灶及其与周围正常结构的空间毗邻关系，选择合适手术入路，制定最佳手术方案。

1.4观察指标记录手术时间、肿瘤切除程度、术后住院时间和症状改善等情况。

1.5统计学处理采用SPSS 17.0分析，两组患者年龄、手术时间、住院时间的比较采用两独立样本t检验，肿瘤切除程度及症状改善情况的比较采用确切概率法。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 3D可视化图像与二维影像对比3D打印组所有病例均成功地实现了三维立体虚拟现实影像的重建并打印出三维立体模型。所有影像及模型清晰逼真，立体感强。而二维常规CTA显示肿瘤与Willis环空间关系模糊，图片信息有限，缺乏三维立体空间结构。二维CTA与3D打印图像对比见图1。根据3D模型能更为快速、直观、准确、全面地观察病灶的形态结构及其局部解剖结构特征(图2)。根据对虚拟影像及3D模型的观察与手术模拟的结果，能够在术前准确地判断颅底肿瘤与邻近重要解剖结构的特征，分析手术中可能遇到的困难及应对措施，制定个体化精准术前规划。

A：术前CT平扫；B、C：常规二维CTA显示患者颅内血管；D：3D可视化图像直观显示肿瘤及Willis环；E、F：3D可视化图像清晰显示颅底肿瘤与Willis环关系

图1二维CTA与3D打印图像对比

A：术前增强MRI；B：颅底3D可视化图像；C：制作患儿颅底3D模型；D：肿瘤紧邻右侧大脑中动脉；E：术中所见肿瘤紧邻右侧大脑中动脉，与术前规划相同；F：术后2周复查增强MRI

图2应用3D打印技术辅助切除鞍区毛细胞黏液样星形细胞瘤一例

2.2 2组临床表现改善情况、手术全切率、手术时间及住院时间比较3D打印组手术全切率为80%(8/10)，对照组为20%(2/10)，两者比较，差异具有统计学意义。3D打印组症状改善率为90%(9/10)，对照组为30%(3/10)，两者比较，差异有统计学意义。两组手术时间和住院时间比较见表1。

表1 2组患者一般资料及手术情况比较

2.3 3D打印组与对照组术后并发症情况3D打印组：电解质紊乱4例，一过性尿崩1例，一过性甲低1例，动眼神经及外展神经功能障碍1例，均予以药物对症支持治疗。无术后颅内血肿、昏迷及死亡病例。对照组：电解质紊乱4例，一过性尿崩3例，一过性甲低4例，一过性肾上腺皮质功能减退1例，动眼神经功能障碍2例，癫痫小发作3例。均予以药物对症支持治疗。无术后颅内血肿、昏迷及死亡病例。

3 讨论

颅底肿瘤以其位置深在、周围毗邻颈内动脉、海绵窦、视交叉、动眼神经、下丘脑、脑干、第三脑室等众多结构，手术切除难度大，手术风险高，术后并发症多，病死率高，目前仍然是临床上最具挑战性疾病之一[4-6]。本组病例中的巨大颅咽管瘤、下丘脑胶质瘤、鞍结节脑膜瘤、蝶骨嵴内1/3脑膜瘤、侵袭性垂体瘤、海绵窦脑膜瘤正是常见的高难度疾病。

传统的颅底肿瘤切除术是术者根据术前患者的头颅MRI资料或者CT及CTA资料，在经过反复比对、拼接、组合这些二维图片以后，凭借空间想象能力及逻辑推理能力，将患者的资料建立在术者脑海中，指导术中切除肿瘤。但是这种方法有一定局限性：①二维图片在显示颅底肿瘤的形态及与其周围血管的空间关系上仍有欠缺。②对二维图片的三维解读需要术者具备扎实的颅底解剖基础及丰富的空间想象力。③术者对二维图片的解读具有主观性，有时候错误解读会影响手术的顺利进行[7]。

3D打印技术辅助下的颅底肿瘤切除术，是术者术前利用患者的个体化影像学数据，通过3D打印技术1∶1复制出颅底肿瘤及其相关毗邻结构模型，帮助术者术前制定手术计划及模拟手术、术中精准显微切除、术后总结手术操作技巧，以此提升临床疗效。

3D打印技术能够帮助术者制定精准手术方案。应用3D打印技术于术前可1∶1复制出颅底模型，这其中包含颅底肿瘤组织、毗邻的重要血管如双侧颈内动脉、大脑前动脉、大脑中动脉、基底动脉、大脑后动脉、后交通动脉以及颅底的重要神经如视交叉、动眼神经、三叉神经等，这使术者在术前全方位、各角度清晰辨认颅底结构，准确测量脑皮质至肿瘤的距离及鞍区各间隙大小，以便选择合适手术入路，制定最佳手术方案，保障手术顺利实施[3,8]。本研究结果显示3D打印技术可三维、实时、动态的清晰显示肿瘤与其毗邻的各种周围重要结构，从而为术者进行精准手术，避免手术副损伤具有重要临床价值。

3D打印技术能够帮助提高颅底肿瘤全切率。本文发现3D打印组肿瘤全切率高，这与3D打印技术能够直观清晰显示肿瘤与毗邻结构的关系密不可分。应用3D打印技术，术者于术前便可三维立体观察肿瘤的空间位置、形态、周围重要毗邻结构，帮助术者判断不同术式下肿瘤的切除程度、切除肿瘤可能遇到的困难，以选择最佳的暴露角度，最大限度切除肿瘤组织及带来最小的肿瘤周围组织损伤，提高肿瘤的全切率。

3D打印技术能够帮助提高术前症状改善率。患者术前症状很大程度上取决于颅内病灶的主体位置、大小、对颅神经压迫及侵犯的程度、是否合并脑积水、病程的长短及患者本人的主观感觉。本文研究得出3D打印组症状改善率高，这与手术入路的最佳选择、术中病灶的最佳暴露、肿瘤的最大限度切除、毗邻结构的最小程度损伤密不可分。

3D打印技术在辅助颅底肿瘤显微手术时亦有一些局限与不足：①对于颅底肿瘤强化不明显的类型，如鞍区囊性颅咽管瘤、鞍区囊性畸胎瘤等，由于肿瘤组织与周围正常脑组织对比不明显，导致3D重建图像不够清晰直观，制作的模型效果不佳。②由于制作精度的差异，3D重建图像与3D模型在显示颅底肿瘤与周围组织关系时仍有一定偏差，这与DICOM格式资料转化为STL文件的设计过程有关，严密的设计可缩小模型与颅内实际情况的差异。③由于生物制作材料的缺乏，3D模型在模拟脑组织的生物学特性时仍存在不足，其尚不能够提供脑组织的牵拉变形、肿瘤的质地等手感特性。随着以上问题的逐步克服，相信3D打印技术在颅底肿瘤显微手术中的价值能逐步体现，使颅底肿瘤显微手术水平进一步提高，从而改善患者的临床预后，值得临床推广使用。