基于DICOM影像融合技术3D打印脑动静脉畸形模型的介入治疗应用研究

黎鹏程 任刚 张继志 徐铭蔚 邓东风

脑动静脉畸形（arteriovenousmalformations，AVM）是一种先天性脑血管发育异常性疾病，是脑血管畸形中最常见的类型[1]。目前脑AVM的具体发病机制和病因尚不明确，病理生理学表现为局部脑动-静脉之间存在异常分流血管，致使动静脉直接相通形成动-静脉短路，从而引起一系列脑血流动力学的紊乱[2]。调查显示脑AVM全球年发病率约为（1.12～1.42）/10万人，该病临床表现缺乏特异性，因出血而初次就诊时的患者约占36%～68%，因此对畸形血管团的准确判断是治疗的关键所在[3,4]。目前常用的辅助检查手段包括MRA、CTA等，但由于其检查结果受血管重叠、血肿占位效应压迫畸形血管团等不利因素的影响，可能无法清楚显影，从而增大了诊疗难度。近年来新兴的3D打印技术具备无限接近真实信息的优点，有利于更有效地规划手术方案，自1944年首次用于临床以来，已在国内外引起广泛的研究，但目前对脑AVM相关的探索还较少。因此，本研究拟基于医学数字成像与通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）影像融合技术3D打印脑AVM的实体模型，初步探讨其在指导介入栓塞治疗中的临床应用价值。

一、资料与方法

1.临床资料：回顾性收集2016年1月至2019年6月于大连大学附属中山医院神经外科行介入栓塞治疗的20例Ⅲ级AVM患者的MRA、CTA等临床资料，纳入术前完善常规影像学检查且构建3D打印模型的10例患者为试验组，其中男性5例，女性5例，年龄范围21～76岁；AVM位置：4例位于额叶，2例枕叶，1例颞叶，1例顶叶，1例颞枕叶，1例小脑半球；其中1例AVM伴有出血，1例伴有癫痫发作（表1）。纳入同等级的未构建3D打印模型的10例患者为对照组，其中男性6例，女性4例，年龄范围35～64岁；AVM位置：6例位于额叶，2例顶叶，1例颞枕叶，1例小脑半球（表2）。本研究已得到大连大学附属中山医院伦理委员会批准，患者或家属签署知情同意书。

2.影像融合：将患者的头颅MRI、CTA等辅助检查的影像学DICOM数据，导入到Mimics 20.0图像处理软件中，根据患者的骨性解剖标志点自动精确配准后，通过调整窗宽、窗位，最后获得血管三维虚拟影像融合图像。

3.打印3D模型及制定术前计划：将所有患者的三维虚拟图像以3D打印机（成都真实维度科技有限公司）能识别的STL格式输出，并将此图像导入到快速成型软件ZEdit TM3.21中，并转换为3D打印机能读取的薄层横截面数据，再将这些数据导入3D打印机Spectrum ZTM 510中，并对模型进行渗透固化处理和着色，最终打印出1∶1的3D实体模型。通过更加逼真地观察及触摸实物模型，详细了解畸形血管团的空间结构关系并明确分级，制定介入术前计划，如判断需栓塞的主要供血动脉及数量等。

表1 试验组Ⅲ级脑动静脉畸形患者的临床资料

表2 对照组Ⅲ级脑动静脉畸形患者的临床资料

4.介入治疗方法：所有患者均全麻并按照术前制定的手术方案由同一主刀医师行介入栓塞手术。取患者右侧股动脉搏动明显处Seldinger法穿刺成功后，置入6F导引导管选择性进入颈内、颈外或椎动脉造影，动态、全面地观察AVM血管团构筑及血流动力学等基本情况，选择与术前规划一致的供血动脉，在微导丝的引导下将微导管的头端置入畸形血管团，并缓慢注入Onyx胶，在注射过程中，调整球管投射角度以更好地观察反流的长度及向周边血管逆流栓塞的情况，确保栓塞胶在畸形血管团内充分弥散并避免其反流或进入引流静脉，当反流长度超过2 cm或注射压力明显增大时停止注射。栓塞后即刻造影，见畸形血管团全部或大部分不显影，考虑血流量明显降低，栓塞有效，拔出微导管。

5.治疗参数：（1）差值=栓塞前最大截面积值-栓塞后最大截面积值；（2）栓塞率=差值/栓塞前最大截面积值；（3）手术时间=手术结束时间-栓塞开始时间。

6.统计学分析：运用SPSS20.0软件进行数据统计分析。计量资料以均数±标准差（）表示，行t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

二、结果

1.诊断方面：10例试验组患者通过3D虚拟图像测量的AVM大小[（11.252±5.323）cm2]与MRA/CTA[（10.098±6.431）cm2]进行比较，差异具有统计学意义（t=2.358，P=0.043），与DSA[（11.065±4.981）cm2]相比，差异无统计学意义（t=1.348，P=0.211）；其中3例患者3D虚拟图像和MRA/CTA所得的S-M分级存在差异，由于受血肿影响1例伴有出血患者的普通影像学检查结果未能清楚显示畸形血管团大小，而3D模型清楚地显示了动静脉畸形大小及结构特征；3D虚拟图像的诊断结果更加接近于DSA（表3）。

2.治疗方面：试验组平均栓塞率高于对照组。试验组栓塞前后面积大小的平均差值显著大于对照组；平均手术时间小于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05）（表4）。试验组通过3D打印模型准确定位病灶并确定术中需要栓塞的供血动脉，术后通过造影发现术中选择栓塞的供血动脉、栓塞部位与术前规划吻合度较高，未见明显畸形血管团残留，手术效果良好，3例患者完全栓塞，术后无AVM病灶残留；出现偏瘫症状的1例出血患者，术后症状逐渐恢复，无再出血发生；2例肢体活动不灵及语言障碍的患者症状明显好转；1例患者由于供血动脉粥样硬化，介入治疗时微导管很难到达，通过观察3D打印模型选择另外一条供血动脉并成功栓塞；2例患者发现微小动脉瘤并成功栓塞，术后恢复均较满意，7例患者GOS评分5分，3例GOS评分4分（肢体活动不灵），其中2例术后肢体活动不灵均较术前得到明显改善。对照组术后大多残留畸形血管团，完全栓塞1例，5例患者GOS评分5分，4例GOS评分4分（肢体活动不灵），1例GOS评分3分（偏瘫）。2～4个月后复查MRI、CTA或DSA，试验组显示未见病灶扩大及复发，无颅内再出血等并发症发生，偏瘫或言语不清患者的症状逐渐改善，而对照组明显复发2例，其中1例再次行栓塞治疗。

表3 试验组患者经MRA/CTA、DSA测量脑动静脉畸形的结果

表4 2组患者治疗参数的统计分析

三、讨论

脑AVM缺乏毛细血管，动静脉相互交织，复杂多样，使其诊断具有偶然性，患者通常因新发癫痫、神经功能缺损或脑出血进行影像学评估而发现[5]。目前可以通过CT和MRI进行初筛和治疗后随访，由DSA进行确诊。本研究通过对普通影像学检查与3D打印模型诊断AVM准确性的比较发现，3D打印模型在判断AVM大小方面更加接近于DSA检查结果，这与Dong等[6]和Thawani等[7]的研究结果基本符合。Dong等[6]在一项14例病例对照试验的研究中显示，3D打印模型与实际术中DSA图像之间的尺寸偏差＜10%，测量值无限接近于患者的实际AVM结构（血管尺寸测量的一致性为97%，平均变异＜2 mm）；Thawani等[7]将3D打印AVM模型与真实畸形血管进行比较，发现血管直径的平均误差在0.1 mm以内。

3D打印模型能立体地显示畸形血管团的形态和各血管间的空间结构关系，从而使测量值和分级更加接近于真值[8]。而普通影像学检查方法的不足之处有以下两点[9-11]：（1）MRI、CTA等普通二维影像学资料无法准确捕获较小的、血流速度较慢的畸形血管团，以及对细小血管显影欠佳，受颅骨伪影、图像信噪比低等因素影响，较难显示AVM的精确轮廓；（2）在颅内血管破裂出血的亚急性期，这些血肿易被MRA显示为AVM的血管组成部分。

脑AVM血管发育异常，管壁多无弹力层结构，病变组织常常位于重要神经功能区，使得治疗难度增大，且易出现出血等并发症，而准确地评估畸形血管团的大小和范围是治疗的关键[12]。应用3D打印技术建模，可实现对复杂畸形血管团的仿真重建，进而可辅助选择主要供血动脉，选定治疗区域，优化介入治疗方案，从而在很大程度上可提高治疗成功率。本研究利用3D打印模型对10例脑AVM患者进行术前规划，栓塞结束后DSA提示术中实际手术方案与术前规划匹配度较高，这些结果与Weinstock等[13]和Shah等[14]的研究结论基本一致。同传统的二维影像学技术相比，3D打印脑AVM模型的方法对主要供血动脉数量、位置以及与畸形血管团、引流静脉空间结构的判断更准确，更易了解畸形血管团的内部结构沟通情况，确定需要栓塞剂的容量。

本研究不足之处在于纳入样本量较少、病例存在选择偏倚，这对统计学结论有直接影响，该缺点可通过多中心联合研究予以解决。此外，3D打印技术目前在脑血管疾病方面的应用尚不成熟，具体表现在血管等中空组织信号强弱不均、细小的血管分支塌陷重建困难和无法量化研究畸形血管团内血流动力学、血流量等指标[10,15]。这可能预示未来3D打印技术与脑血管疾病相关的研究，会侧重于丰富3D打印材料的种类、提高打印精度以及量化研究等方向。

综上所述，基于DICOM影像融合技术3D打印脑AVM模型具有个体化、精准化的特点，有利于直观显示血管的空间结构解剖特征，从而为明确AVM大小、S-M分级提供了新方法，对提高栓塞治疗效果、缩短手术时间有深远意义，具有较大的临床应用价值，值得推广应用。