一种基于3D打印技术定制截骨导板在巨大侵袭性骶骨神经源性肿瘤切除中的应用

孟令志 石 英 王 琪 刘 军 谢梦琪 马 飞

北部战区总医院骨科 (辽宁 沈阳 110016)

原发于骶骨的肿瘤相对少见，而骶骨的神经源性肿瘤更是罕见，文献中报道亦不多见。骶骨的神经源性肿瘤一般起源于骶神经，沿神经孔向内或外生长，可呈哑铃状。由于骶管的空间限制，向内生长的肿瘤一般较小；而向骶管外生长的肿瘤往往形成巨大肿块。临床上由于骶骨属不规则骨，骶骨区解剖结构复杂，手术难度大，而且难以在术中确定安全边界，使巨大骶骨神经源性肿瘤的切除更具挑战性。目前为止还没有统一的骶骨神经源性肿瘤治疗共识。理想的治疗策略是能够将肿瘤完整切除，不引起血管神经损伤及脊柱不稳，从而达到解除压迫、改善症状的目的。巨大侵袭性骶骨神经源性肿瘤由于其具有局部侵袭性和扩展性，仔细的术前规划是非常重要的[1]。

随着医学及三维成像技术不断进步，虚拟手术规划、计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)以及3D打印技术在临床中的应用越来越广，这使外科医生和工程师能够合作解决实际问题，如指导患者认识疾病、手术计划、手术指导以及定制化的钛植入材料等[2-5]。在未来，3D打印技术更是能够做到打印出实际的生物结构，如肝脏、胰腺等，那时医学将会取得革命性的进步[6]。本研究描述了一种基于图像的个性化手术截骨导板，用来指导在一例巨大骶骨神经源性肿瘤切除的截骨边界。

1 材料和方法

图1说明了该导板的设计流程。通过CT高分辨率扫描获得DICOM数据导入到图形处理系统中，通过Marching Cube方法进行骶骨模型的三维重建。然后由手术医生在该系统上确定肿瘤及正常骨质的切除边界。截骨导板由手持部分、放置部分以及C形的截骨边界指示部分三部分构成。

图1

2 临床表现

患者为32岁男性，主因“间断性腰骶部疼痛伴有下肢麻木疼痛3年，加重2周”入院。腰骶部高分辨率CT示：骶1、2右侧椎体内见不规则团块状软组织密度病灶，边界较清，局部突入椎管及盆腔内，大小约4.0cm×3.5cm×5.2cm，骶1、2右侧椎体见多处骨质破坏。腰骶部MR平扫+增强示：骶1、2椎体占位性病变，考虑神经源性肿瘤。术前经切开活检病理示：梭形细胞肿瘤，结合免疫组化结果支持神经源性肿瘤。

3 截骨导板的设计原则

术前通过薄层CT扫描(0.625mm)来获取患者骶骨的相关数据。通过这些含有肿瘤区域的CT数据，我们使用Aquarius iNtuition Edition软件(Terarecon Inc,Ver4.46)进行三维重建。由手术医生通过该软件绘制出肿瘤切除截骨的边界(图2)。决定行后路手术后，我们拟制作一种截骨指示导板，同时为了使导板可以准确的指示位置，不晃动，通过导板的站立区使其能够稳定位于骶正中嵴。然后通过与其连接的C形区来标记截骨边界(图3)。在设计完成后，通过3D打印技术以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Arcylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer,ABS) 制成。

图2

图3

4 切除边界的制定

为了能够切除肿瘤，且最大限度保留骨组织而减少对脊柱稳定性的破坏，制定肿瘤切除的边界是截骨指示导板制作过程中至关重要的一步，需要外科医生与医学工程师紧密合作并互相交流并改进。工程师能够把医生绘制的切除边界数字化连接起来。通过3D打印出的完整骶骨模型及截骨指示导板可以让医生更直观的观察手术区域的解剖。

5 结果

通过骶骨后正中入路行肿瘤切除(图4)，该入路可以较好的暴露骶骨、骶正中嵴、髂骨翼以及周围的软组织，必要时还可以向上进一步显露腰椎。通过术前规划的3D打印模型以及定制的截骨指示导板，进行充分显露后，将截骨指示导板放置在相应区域，C形区域可以精准的指示切除肿瘤所需的截骨范围(图5)。截骨完成后，探查肿瘤边界，沿边界将探查至肿瘤蒂，术中见S1神经根被肿瘤包绕，小心将S1神经根从肿瘤表面剥离后，将肿瘤完整切除。术中未损伤骶神经根，未使用内固定以预防脊柱不稳。术后症状明显缓解，3个月随访腰部活动良好，无疼痛不适，未见明显脊柱不稳征象。通过截骨指示导板的使用，我们最大限度保留了正常骨组织，并成功切除了巨大侵袭性骶骨神经源性肿瘤(图6)。

图4

6 讨论

通过使用CAD软件进行虚拟手术规划在临床中越来越受欢迎，3D打印时代的到来极大提高了外科手术的精准性和可预测性。[7-8]此外，通过该技术还能够进行各种测量、编辑、数据计算等，为医生提供了清晰的解剖以及生动的解剖结果预览。基于CT数据生成的3D模型，精准的手术切除模式可以术前预先在计算机上模拟出来，通过这项现代科技的应用，外科医生能够更加精准和自信的进行手术。

图5

图6

过去医生仅仅能够通过术前的2D或2.5D影像学图像信息和术中直视下确定肿瘤的切除范围和边界，并且往往通过术中冰冻切切片确定安全切除范围[9]。在术中做出这些决定通常较为困难，然而通过这种定制的截骨指示导板结合术中冰冻切片，我们就更准确判断肿瘤的切除边界。

3D打印技术在医学中的应用越来越广泛，因其能够提供模拟出高质量和清晰的解剖细节，并借助生物材料制作出来[10]。通过医生及工程师的跨学科协作，用3D打印技术制作出这样一种用来指示骶骨巨大侵袭性神经源性肿瘤的截骨指示导板。与传统手方式相比，它对于肿瘤切除边界的确定更为精准。

在该病例中，使用患者的CT扫描数据通过医院提供的影像归档和通信系统(Picture Archiving and Communication System,PACS)中Aquarius iNtuition Edition软件进行三维重建，并通过3D打印机制作出包含肿瘤的骶骨模型。为了能够使该工具能够精准的指导手术，它需要较高的稳定性，即术中放置的位置与计划的位置相符合，不发生位移。我们设计该截骨指示导板紧贴近于骶正中嵴，并通过手持部分医生能够握持该工具紧贴骨面不移动。该截骨导板术前通过环氧乙烷灭菌，通过它的使用不但减少了手术时间，还提高了切除边界的精确性。

虽然文章描述了该工具的诸多优势，但其仍存在一些局限性。首先，这项研究仅为一例病例报告，随访时间仅3个月。其次，对于该截骨指示工具的优势无法与类似病例进行对照研究。不过，对于目前该技术在未来进一步的应用仍需要医生和工程师之间的合作。

7 结论

最后，该研究初步证明了虚拟手术规划和3D打印技术在制作基于影像数据的定制化手术工具的可行性。未来3D打印快速成型技术在复杂肿瘤手术中的应用将成为主流，我们相信这项技术未来在复杂肿瘤切除中的应用会具有较大价值。