基于3D打印技术的乳腺肿瘤精准定位改进方法及辅助装置的研究

杨颖，秦鑫，周雪芳，张颖，徐方园，刘仕露，范金蕾，王传兵,3

1. 南京医科大学 医学影像学院，江苏 南京 210029 ；2. 江苏艾迪尔医疗科技股份有限公司，江苏 张家港 215625；3. 南京医科大学第一附属医院 放射科，江苏 南京 210029

引言

乳腺癌是常见的恶性肿瘤之一，且目前发病率呈上升趋势，研究表明乳腺癌病变早期是最有效的治疗时间，可降低40%的死亡率[1]。随着医疗器械及3D打印技术的发展，乳腺癌的治疗理念从可耐受最大治疗逐渐向最小有效治疗转变[2]，乳腺癌患者对保乳手术的需求增加。乳腺组织脂肪丰富，外力易使其变形，肿瘤位置不易确定。因此，保乳手术也对精准定位乳腺肿瘤提出了更高的要求。

目前临床上对于乳腺肿瘤定位的选择有：① 临床医生经验触诊；② B超定位；③ 导丝穿刺定位。常规采用定位导丝穿刺法定位乳腺肿瘤，即术前在X线或超声引导下将导丝放入乳腺病灶处[3]。但是这些操作会增加患者额外疼痛和经济开销，且X线有辐射、分辨率较低。超声对部分微小病灶不易检出，易产生伪像，导致定位不准、二次手术疼痛等问题。乳腺肿瘤的诊断、定位、评估中，乳腺MR必不可少。乳腺磁共振与B超、钼靶X线相比，乳腺磁共振具有敏感度高、特异性强等特点，同时还具有较高的软组织分辨率[4]。研究发现采用MR测量残余肿瘤的最大径、最大截面积和体积与病理测量结果呈正相关，并认为乳腺MR三维重建技术可准确评估残余肿瘤的体积[5]。

目前已有相关研究表明，保乳手术治疗早期乳腺癌患者具有效果确切、手术时间短、切口小、术后恢复快等特点，同时可保持乳房外观，复发率和转移率较低，可有效改善患者生活质量[6]。且有相关文献报道保乳术与改良根治术治疗早期乳腺癌在生存期方面无差异[7-8]。

随着医学影像学的三维重建技术及三维打印技术迅速发展，其可为术者提供更直观、精确的病变位置，空间解剖结构及形态、容积等信息，为制定手术方案、术后个体化重建及评估化疗效果等提供帮助[9]。近十年来，三维重建技术及三维打印技术因其可以实现复杂、个性化产品的快速制作，在医学上已广泛应用于整形外科、颌面外科、骨科等的临床诊疗[10-11]。2016年韩国已率先将3D打印应用于乳腺肿瘤精确切除[12]，2016年江苏省人民医院在临床工作中也已经应用3D打印技术指导乳腺肿瘤精细手术[13]，2015年湖南省肿瘤医院肿瘤整形外科也在这方面取得成就[14]。3D打印技术应用于乳腺肿瘤的手术治疗，对提升复杂乳腺手术的安全性、加快手术速度、提高手术精确性有较大帮助。因此，在乳腺外科精准手术治疗方面具有极大的应用前景。

1 设计

1.1 现有3D打印乳腺肿瘤定位方法及其缺陷

乳腺主要由脂肪和结缔组织组成，重力作用易使其变形，常规乳腺线圈设计为俯卧位检查方式而乳腺手术为仰卧位，导致肿瘤定位不精确。对于这个矛盾，解决办法为：应用MR图像结合3D打印技术精确定位肿瘤手术边缘。

韩国已率先将3D打印技术应用于乳腺肿瘤精确切除，其应用流程为：标准俯卧位MR→仰卧位MR扫描单个序列→利用Mimics和3-Matics软件进行图像分割、图像重构、导航仪设计→3D打印导航仪→应用导航仪肿瘤边缘注射亚甲基蓝→手术精确切除肿瘤，见图1。

图1 流程图

该方法存在以下缺陷：① 没有专门用于乳腺仰卧位摄影的线圈，仰卧位MR图像不清晰，不利于图像重建及肿瘤边缘准确切割；② 腹部线圈或者心脏线圈用于仰卧位拍摄，线圈重力作用会使乳腺变形，不准确性增加；③ 先俯卧位扫描后仰卧位扫描，换线圈耽误时间，造成造影剂流出，导致肿瘤边界难确定；④ 俯卧位肿瘤在仰卧位图像上拟合困难（图2）。

图2 仰卧位及俯卧位乳腺MR图像

1.2 创新乳腺MRI结合3D打印技术方法

为了解决上述问题，本团队设计出了一套乳腺肿瘤磁共振检查精确定位辅助装置并改进了工作流程。辅助定位装置的目的是在拍摄俯卧位磁共振时固定乳腺，使乳腺俯卧位和手术室仰卧位乳腺形态一致，解决俯仰位乳腺MR图像拟合的问题，且无需导丝穿刺，减少患者额外疼痛，同时可精准定位肿瘤。

改进后的工作流程：患者穿戴定位辅助装置→拍摄并获取乳腺MR俯卧位图像→图像导入Mimics和3-Matic软件，进行肿瘤分割及乳腺表面三维重建，应用3-Matic软件进行个性化定位装置guide的设计→3D打印出定位guide→术前注射定位亚甲基蓝，标记肿瘤边缘→术中精准肿瘤切除（图3）。

图3 创新乳腺MRI结合3D打印技术乳腺定位工作流程

1.2.1 定位辅助装置的设计

精准定位辅助装置的定位罩杯中心孔供患者乳头露出；依据乳腺大小调节罩杯内圈圆形可调节带，使罩杯贴附乳腺表面；调节两侧肩带长短、背带魔术贴，使定位罩杯贴附身体以更好地固定乳腺。精准定位装置在圆孔边设置两个方向标识，第一方向标识指向对侧乳头，第二方向标识指向剑突。

鱼肝油体位定位标记小孔解决俯卧位到仰卧位的体位变换问题的思路：患者穿戴的定位辅助装置（图4a）上有三角形分布的鱼肝油小孔并贴上三粒标记鱼肝油→患者乳腺表面也在鱼肝油相应位置处标记三角形分布的签字标签→重建MR图像鱼肝油标志→MR图像经Mimics和3-Matic软件处理后，3D打印出guide（有束缚乳腺的作用），guide上也有对应的三个鱼肝油小孔→手术中，病人穿戴guide时其上面的鱼肝油小孔与乳腺表面签字标志对应，则说明3D打印guide与乳腺形态完全贴合，束缚乳腺仰卧位和俯卧位乳腺形状一致（图4b，4c）。该定位辅助装置的作用是固定乳腺形状，使俯卧位MR检查时的乳腺形状与仰卧位手术时基本一致，因此不再需要做仰卧位MR检查，就可利用仰卧位乳腺MR图像进行肿瘤分割及乳腺表面三维重建，解决了之前仰卧位乳腺MR图像与俯卧位MR图像的拟合困难的问题。这是本方法的一大创新点。

图4 精准定位辅助装置鱼肝油位置

1.2.2 3D打印guide的设计

Mimics是一个连接MR图像数据和三维工程学应用的图像处理工具，能够从医学数据中选择特定的感兴趣区城进行三维重建，可对重建模型进行距离、面积、角度的测量。目前临床上已有利用此软件进行骨骼、肝脏等人体脏器的重建的例子[15-16]。

在本方法中，获取乳腺MR图像后导入Mimics和3-Matic软件，应用Mimics软件进行肿瘤分割及乳腺表面三维重建（图5），应用3-Matic软件进行个性化定位装置guide的设计（图6），并选择合适的3D打印机打印出guide（图7）。其包括使患者乳头露出的中心孔、穿戴定位小孔、肿瘤定位小孔、方向标识、圆形注射孔等，其余部分为网状中空结构，节省材料和打印时间。guide在圆孔边设置两个方向标识，第一方向标识指向对侧乳头，第二方向标识指向剑突。圆柱注射孔采用透明材料，内直径为5.5 mm，高度为5 cm；其外表面设置有刻度尺，刻度尺上标识对应圆柱注射孔位置到肿瘤边缘的距离；其内表面设置有卡槽。定位装置的圆柱注射孔及注射深度依据患者MR乳腺肿瘤图像边缘应用3-Matics软件设计完成。

测量研究的13例患者肿瘤与边缘的距离，所有患者均有明确的切缘，肿瘤边缘至组织切缘的中位距离为1.65 cm，标准差为0.05 cm。3D打印guide为乳腺肿瘤的手术定位提供了极大的便利，相比之前使用的3D定位装置，本方法提高了肿瘤的定位精度，节省了打印材料和打印时间（图8）。

图5 Mimics软件处理前后仰卧位肿瘤边界

图6 3-Matic导航仪设计

图7 guide实验草图

图8 乳腺3D定位装置的发展

2 使用方法

手术时，患者麻醉后戴上个性化设计的guide，手术医生在guide的指引下对肿瘤进行精准切除。患者术中应用3D打印定位guide时，只需将乳腺表面签字笔三个标记与guide上的三个穿戴定位小孔相对应即表示3D打印guide与乳腺形态完全贴合一致。通过guide上的圆柱注射口向肿瘤边缘5 mm处注射亚甲基蓝以标出肿瘤需要切除的边缘。手术切除时切除被染色乳腺组织即表示肿瘤及其边缘被切除干净。亚甲基蓝染色定位方法具有定位准确、经济、简便及变态反应少的优点[17]，不存在附加风险。目前临床上已有利用亚甲基蓝染色定位组织、肿瘤等的实验研究，且证明了其标记作用和临床应用价值[18-20]。

3 结果

常规保乳手术切除法及3D打印精准定位法各选取了13例保乳手术乳腺肿瘤切除病例，测量切除后的肿瘤边缘至组织切缘的中位距离（图9），3D打印精确定位法的距离为：（1.65±0.05）cm，常规保乳手术切除法的距离为：（1.86±0.11）cm（t=-7.1，P＜0.001），两者比较有明显统计学意义，新方法切除的肿瘤边缘至组织切缘的中位距离明显小于老方法，说明使用本定位辅助装置的改进新方法在保证切干净乳腺肿瘤的基础上尽量保存了正常的乳腺组织，最大程度的保留了患者乳腺组织。

图9 手术切除后不同形状肿瘤的最大径测量

4 讨论

与前人的乳腺肿瘤定位方法相比，本改进方法优点：① 此方法创造性地提出了让患者在做磁共振检查前穿戴定位辅助装置的方法，解决了患者从MR图像俯卧位到手术时仰卧位的体位变化造成的乳腺变形及肿瘤移位的问题，不需要进行俯卧位到仰卧位肿瘤拟合，解决了俯卧位与仰卧位MR图像拟合的困难及仰卧位磁共振因没有专用线圈而导致图像质量下降的问题，减少检查时间；② 关于3D打印guide，本方法增加了穿戴定位三角形小孔，与肿瘤定位小孔相结合，提高了手术时的定位精度；③ 满足定位需求的中空形状的guide，节省了3D打印材料和打印时间，提高了工作效率，减少经济花费。缺点：① 做MR检查时多了穿戴辅助定位装置的步骤，但没有额外痛苦；② 多扫描一个仰卧位MR序列，但是没有辐射不会对患者产生额外影响；③ 手术时多一次定位guide消毒处理。

目前，国外乳腺三维重建技术及三维打印技术已用于对乳腺肿瘤切除的手术指导、个性化治疗、乳腺重建（自体脂肪及组织皮瓣移植等）及放化疗术后评价等的研究，国内则主要用于指导乳腺肿瘤切除手术及评价化疗药效果[21-22]。不可否认的是，3D打印技术在国内乳腺方面的应用仍不能用大规模来形容。虽然我国女性罹患乳腺癌的年龄呈现年轻化趋势，但大部分患者的观念仍是“救命为主”，拒绝保乳手术及额外花费[23]。另外，国内医疗水平的限制、3D打印成本高等，都是目前需要解决的难题。3D打印技术与保乳手术的结合在将来会有越来越多的应用和研究，希望本文提供的辅助定位装置及改进方法能为解决这些问题提供一些帮助。