3D打印技术在改良微创NUSS手术中的应用

纪志远，姜东青

（1.大同市第五人民医院胸外科山西大同 037009；2.山西大同大学附属第一临床医院山西大同 037009）

漏斗胸(pectus excavatum，PE)是一种常见先天性胸壁畸形疾病，男性较女性发病率高[1]。其发病机制仍不明确，可能与家族史有关[2]。PE矫治的标准方式是Nuss手术[3]。Nuss手术切口小，不需切断肋软骨和胸骨，对儿童生长发育影响较小[4-5]。目前认为Nuss手术适用于胸廓对称凹陷的患者。不对称型PE在矫正时，需要符合胸廓畸型特点相应的钢板，钢板长度和弧度可影响Nuss 手术效果[6]。3D 打印模型更直观，手术者可在术前作出精确诊断，评估手术中可能出现的风险，从而制定更详细手术方案；此外，医生可在模型上进行操作和练习，预测手术效果，缩短手术时间，提高手术成功率[7]。因此，3D 打印技术可应用于不对称型PE的治疗，但是目前采用3D打印技术辅助改良Nuss手术在PE中应用的报道较少。

1 材料与方法

1.1 临床资料

纳入标准：①渐进性胸部畸形；②存在运动障碍；③有渐进性胸痛或呼吸困难；④存在心肺功能障碍；⑤Haller 指数比值（胸廓最大横径和胸骨和胸椎最短径比值）大于3.2；⑥心脏受到挤压；⑦严重影响心理，患儿和家属强烈要求PE矫正。

排除标准：①其他呼吸系统疾病；②以往行Nuss手术；③先天性心脏病手术或外伤等导致前胸壁凹陷患者。

选择2018 年1 月-2019 年12 月在大同市第五人民医院心胸外科治疗的PE 患者共18 例。所有患者均采用3D 打印模型-辅助Nuss 手术进行治疗，并采用3D 打印技术模拟手术干预。18 例PE 患者包括16 个男孩和2 个女孩，平均年龄为19.83±4.74 岁（年龄范围为12～24岁）。根据CT检测的Haller指数平均值为3.48 ± 0.35（范围3.06～3.95）。研究获得医院伦理委员会审查通过。所有患者或其家属均签署知情同意书。

1.2 Haller指数

Hailer 指数，也称为CT 指数，目前已经认为是评估PE患者胸腔畸形程度的有效指标，通过CT扫描出胸廓最大横内径以及同一层面前胸壁凹陷最深点至脊柱前缘距离，两者的比值即Hailer指数。根据Hailer指数可将PE 分为轻、中、重3种类型，＜3.2为轻度，≥3.2～≤3.5 为中度，＞3.5 为重度。目前一般认为Hailer指数≥3.2时，可进行Nuss手术。

1.3 三维重建和模型制作

采用双源螺旋CT（德国西门子公司）对所有PE患者进行胸部断层扫描，扫描的数据以DICOM 格式存储文件，从而获得CT 扫描的图像信息。在设置中增强图像对比度，不同类型数据设定不同的阈值。利用电脑分离前景数据，得到软骨及骨像素信息。采用高斯平滑处理图像，建立PE三维模型，以STL 文件输出。通过工艺熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling，FDM）三维打印机输入存储的STL 文件，采用多喷嘴建模打印技术快速成型系统。以聚乳酸材料为原材料，实现PE 实体模型制作。根据3D 打印PE 模型对患者畸形情况进行研究，制定个性化的手术方法。通过3D打印PE模型进行术前手术模拟，评估患者畸形矫正效果，从而适当调整Nuss 钢板长度和弯曲度，最后通过手术操作置入胸廓内，达到矫形效果。见图1、2。

图1 三维设计演示漏斗胸模型

图2 打印好的漏斗胸模型

1.4 改良微创Nuss手术操作

首先进行气管插管全身麻醉PE患者，仪器监测。患者取仰卧位，双上肢外展，用碘酒和酒精对整个胸廓进行消毒，在胸骨凹陷最低点和肋骨两侧分别作标记，见图3。用记号笔在患者肋骨将两侧标记约2～5 cm 的切口，漏斗胸矫形板和固定板将通过该口植入。在胸腔镜介导下，将牵引分离器试探性地从一侧切口通过胸骨凹陷低点到达另一侧切口。然后，将引导线系在牵引分离器上，沿相同的方向返回，退出牵引分离器。将引导线系在矫形板上，利用引导线将矫形板呈U 形植入患者胸腔内。解下引导线，采用旋转手柄缓慢地将矫形板翻转成所需的反向U形。全过程在胸腔镜监视下进行，以免矫形板或牵引分离器损伤患者重要胸腔脏器。然后将固定板板槽自两侧切口，插入矫形板两端，将固定板缝合在肋骨骨膜上。矫形板两端和固定板用肌肉覆盖，以免直接与皮肤接触而压迫皮肤。术中注意止血以及排除胸腔内气体，必要时进行胸腔闭式引流。最后将两侧切口缝合平整，手术完成。

图3 手术过程中的标记位置

1.5 数据收集及观察指标

主要观察患者治疗前后Hailer 指数变化、手术时间、植入钢板数量、胸部持续引流时间及术后住院时间，3D 模型打印时间和3D 打印模型后处理时间；另外还观察手术后随访12月的并发症。

1.6 统计学方法

实验数据采用SPSS 21.0 统计软件进行分析。持续变量以均数±标准差表示，分类变量以百分数表示。

2 结果

2.1 PE患者一般特征

PE患者一般特征见表1。

表1 患者基本特征

2.2 随访期观察指标

3D 打印技术辅助改良Nuss 手术后主要结果见表2。

表2 术后观察指标

2.3 患者及家属满意度

术后患者及家属均表示理解这个手术进程，对3D 胸廓模型表现理解。此外，实习学生和培训医师对胸廓结构手术过程理解透彻，理解率均为100.0%。

3 讨论

Nuss 手术可保持患者胸廓的完整性，不需切开胸骨和肋骨，只需在侧胸壁做2 个切口，在胸腔镜辅助下在胸骨后置入弧形钢板，然后利用胸廓弹性和可塑性，顶起凹陷前胸壁，达到畸形矫正。与传统的胸骨翻转术、胸骨抬举术或胸肋抬举术相比，Nuss 手术具有操作简单、切口小、手术时间短、出血量少、矫形效果好等优点。Nuss 手术成功的主要因素是钢板长度和弧度[8]。由于钢板走行路线不在胸壁外面，而是在胸壁内表面，所以其长度应比胸壁外表面所测长度短些，但短多少是由每个人体型和年龄决定的。钢板太短，则无法起到满意的支撑作用；钢板太长，则导致钢板松弛，难以固定钢板和胸廓空间相对位置，易发生钢板移位和翻转。另外，钢板弧度也需调整。这些技巧得益于术前测量的准确性及钢板的合理设计。

3D 打印技术又称为快速成型技术，具有精准化、个性化和远程化等特点，适合于生活中各领域的应用。根据术前CT 或MRI 扫描等影像学资料，使用金属粉末或光敏树脂等可粘合材料，打印出病变3D 实体模型，使手术医生能够更直观地了解病变局部解剖结构，制定详细的手术计划，并可在模型中模拟手术过程。

随着3D 打印技术的发展，也更多地应用于心胸外科手术中中，尤其是在早期肺癌和周围型肺癌等手术中。Akiba 等人在肺癌患者术前采用3D 打印技术评估病情，发现该患者存在变异血管和支气管，以后在手术中得到验证，并根据模型顺利完成胸腔镜下肺段切除术[9]。Jacobs 等人在进行心脏手术前，通过3D 技术打印出心脏三维立体模型，根据模型制定心脏手术计划及提供术前演练[10]。Olivieri 等人在手术前采用3D打印完全性大动脉转位伴右肺静脉梗阻心脏模型，通过该模型进行手术操作设计，极大缩短了手术操作时间[11]。Israel 等人通过3D 打印以半透明聚乳酸聚合物为原料制作出先天性大动脉转位心脏模型，在手术前用来评估室间隔缺损位置、大小及其与主、肺动脉之间关系[12]。Dankowski等人发现，在结构性心脏病中，采用3D 打印技术模型不仅为微创手术提供了个性化制定，而且可减少手术并发症[13]。杨延坤等人首先通过CT血管造影检查主动脉窦瘤患者，然后整合相关数据，采用3D打印技术制作患者心脏模型，并在模型上模拟手术步骤，最后成功对患者行经皮导管主动脉窦瘤封堵术[14]。

本研究采用3D打印技术打印PE模型，利用该模型，医生能够选择合适的手术入口，精确钢板长度和弧度，最终定制个性化钢板，从而对PE患者进行畸形矫正。术后随访1 月，HI 指数平均改善率为（0.79 ±0.31）%，与以往的报道是相似的[15]。本研究的平均手术时间为59.8 ± 23.2 min，相对短于以往的研究[16]。所有患者均接受1 条钢板插入，通过3D 打印模型制作的钢板具有精确和个性化特点。3D模型打印时间和后处理时间分别为118.1±11.2 min 和12.6±1.57 min，但是胸外科医生手术时间显著减少。采用3D打印技术优势是可选择最佳手术入口，预先评估手术效果，制定个性矫形钢板，避免之前Nuss 手术治疗PE的局限。

常规Nuss 手术早期主要的并发症包括气胸、血胸、心包积液、切口感染和疼痛等，而采用3D 打印技术辅助Nuss 手术患者随访1 年内无上述并发症的发生。

本研仍究具有一定的局限性，样本量较小，随访期也较短。后续还需要设计一个随机对照试验，比较Nuss 手术和3D 打印联合Nuss 手术两种方法的手术时间、恢复情况及远期术后并发症等。

总之，3D 打印是一种辅助胸外科医生进行改良Nuss手术有效且可行的方式。