自主3D打印技术在神经外科的应用价值探索

游慧超 李文琦 孙登江 欧阳和平

1江汉大学附属湖北省第三人民医院神经外科，武汉 430032；2江汉大学附属湖北省第三人民医院超声科，武汉 430032

随着技术和材料的发展，3D 打印技术目前被越来越多地应用于神经外科，对颅脑手术定位定向［1-2］、手术规划［3］和教学演示［4-6］等起到重要作用。该技术可使手术更加简单、便捷且精准，具有广阔的应用前景，然而受费用和耗时等各方面的影响［7］，3D 打印技术并没有推广普及。医生自主设计制作患者个性化3D 打印器材，可节省打印耗时、减少费用、摆脱3D 打印公司的限制，自由设计个性化手术导板及三维影像模型，促进3D 打印在医疗领域的应用与推广。本研究介绍江汉大学附属湖北省第三人民医院神经外科自主设计制作3D 打印器材的经验与效果，分析其应用价值，以供同行借鉴。

资料与方法

1、一般资料

选择2021 年2 月至11 月在江汉大学附属湖北省第三人民医院利用3D打印辅助颅脑手术的6例患者。其中高血压脑出血2 例、颅内肿瘤2 例、颅内动脉瘤2 例；男4 例，女2 例；年龄34～73 岁，平均53.7 岁。具体病例信息见表1。本研究选用3D-Slicer软件进行影像重建及模板制作，采用Ultimaker Cura 软件设计打印流程并切片，选用热熔堆积固化成型打印机，打印材料为PLA（聚乳酸）材料，三维建模、切片设计及3D 打印均由同一名医师制作。本研究取得江汉大学附属湖北省第三人民医院伦理委员会同意及患者知情同意。

2、三维建模方法

下载患者的CT（图1A）或磁共振的DICOM 数据，导入3D-Slicer 软件，在Segment Editor 模块中利用Threshold 与Paint 等工具进行目标病变分割，建立血肿、肿瘤、颅骨及头皮等结构的三维模型。如需设计穿刺导板，则在Segment Editor 模块内利用Margin、Logical Operators、Subtract 等工具制作好头皮贴合模块；根据血肿形态与手术入路，利用Curve Maker 模块与Segment Editor 模块设计穿刺通道，然后利用Logical Operators 将上述贴合模块与穿刺通道进行融合，最后利用剪刀工具把模块修剪成最终需要的形状，建立个性化的指向病变的穿刺导板三维模型（图1B）。

3、模型与导板的打印方法

将制作好的模型以stl 格式保存，并导入Ultimaker Cura软件，根据模型的形态与打印机的类型设计合适的打印角度，制作切片数据（图1C），将数据导入3D打印机进行打印。将打印的支撑结构（图1D）进行拆除，用剪刀与打磨工具将支撑结合处打磨平整。

4、手术方法

将打印的导板与患者相应部位贴合，进行初步的定位，用记号笔标记病变的体表投影部位与穿刺点，设计手术切口，消毒铺巾，将包装消毒好的导板再次贴合于相应部位，确认匹配准确后在导向孔的指引下（图1E），根据软件测量的深度进行穿刺。在模型的实物下观察病变形态与解剖结构关系。将打印的动脉瘤病例模型，观察前床突与动脉瘤的位置关系，判断开颅动脉瘤夹闭术中是否需要磨除前床突及是否需要进行颅外段颈内动脉阻断；观察动脉瘤与载瘤动脉的形态，辅助动脉瘤栓塞术中微导管的塑形。

图1 血肿穿刺导板的制作与应用示意。A 为额叶出血的CT影像。B 为用3D-Slicer软件制作导板示意图；红色为血肿建模，淡绿色为制作的穿测导板，贴合于面部，蓝色为穿刺路径示意，可测量穿刺深度为7 cm。C 为导板数据导入Ultimaker Cura 软件进行切片处理，图为打印材料走线预览，红色为导板模型，青色为支撑材料；尽可能使支撑面避开贴合面与穿刺通道。D为导板的打印模型，导板下方有大量支撑结构（黑箭），需要拆除。E 为打印好的穿刺导板用于引导穿刺手术示意；导板贴合面部，从导向孔（红箭）置入7 cm深度即可。F为术后图，可见引流管位于血肿中央

5、效果判定标准

血肿穿刺导板能一次穿刺血肿且复查CT 导管头位于血肿腔内为满意，不能为差；定位导板能用于定位且根据其定位的手术切口能精准显露颅内病变为满意，不能为差；模型能用于指导手术术前规划为满意，不能为差。

结果

6例患者均成功进行三维建模，建模平均耗时15～52 min，平均31.2 min。4 例患者的导板与2 例患者的模型均3D 打印成功，打印耗时12～1 419 min，平均343.0 min（表1）。2 例导板均能与面部完全贴合，穿刺血肿均一次成功，复查CT 提示引流管头端均位于血肿腔内，效果满意；2例肿瘤定位导板打印成功，根据定位孔能快速定位并完成切口设计，术中肿瘤位于切口内，效果满意。2 例模型均为动脉瘤患者，其中1 例为颈内动脉床突上段大动脉瘤，打印的血管及颅骨模型与三维影像一致，但是模型的血管与其下方的支撑结构相融合，影响动脉瘤与颅骨的分辨（图2），效果差，但是制作三维模型的过程中获取的三维立体影像及手术模拟，可以辅助我们判断动脉瘤与前床突的位置关系；另1 例为眼动脉段动脉瘤，打印的动脉瘤及载瘤动脉模型与三维影像一致，能指导微导管的塑形，微导管一次塑形后即可到位进入动脉瘤瘤体，效果满意。自主3D 打印能满足手术的需求，用于引导穿刺、术前手术模拟与手术规划；对于复杂且关系紧密的结构，自主3D 打印技术获取的三维建模影像与打印模型，二者相辅相成，可共同引导手术的进行。

图2 模型的制作与应用示意。A为右侧颈内动脉床突上段动脉瘤的CT血管造影影像；B为用3D-Slicer软件制作的动脉瘤与颅骨建模；C为模拟翼点入路可见前床突（绿箭）阻挡载瘤动脉近端显露；D为模拟切除前床突后的效果，载瘤动脉近端的颈内动脉被显露（蓝箭）；E为打印的动脉瘤模型与右侧翼点开颅视野；F为模型的血管与其下方的支撑结构相融合（黄箭），阻挡视野，影响动脉瘤与前床突的细节分辨

表1 6例利用3D打印辅助颅脑手术患者的临床资料

讨论

3D打印技术能实现三维可视化［8］，制作个性化模型，能更加形象、直观地展示神经、血管、颅骨及颅内病变的形态与相互关系。利用该技术，设计个性化的手术导板，能精准地、个性化地用于颅内病变的定位定向，使手术更加简单、便捷且精准。该技术顺应精准医学的理念，具有广阔的应用前景，被越来越多地应用于神经外科［9］。目前该技术主要应用于脑出血穿刺引流术与三叉神经球囊扩张术的导板制作以引导手术［10］；颅脑的模型制作以优化手术方案［11］、模拟手术［12］及教学演示［6］等。有研究认为，3D 打印模型能避免术中对正常脑组织的牵拉和损伤，减少意外，缩短手术时间，提高操作的准确性［10］。然而，当前该技术也面临着一定的局限性，打印的耗时［13］、导板的设计与沟通及打印的费用是目前限制其普及的主要因素［7］。自主3D 打印可以根据手术团队自身的需求自由设计符合手术需求的个性化模型，减少导板制作过程不必要的许多中间环节，节省打印时间；同时降低患者的医疗费用。

本研究利用自主3D 打印手术导板用于脑出血及颅内肿瘤的定向定位取得良好效果，打印的血管模型能反映其三维形态与走形，但是打印的颅底结构效果较差，这与我们选用的打印机类型和颅底结构紧凑复杂有关。热熔堆积固化成型打印机可以快速打印，但是其支撑结构嵌入复杂的颅底结构中容易混成一团，且我们使用的打印机为单色打印，导致颅底结构难以清晰分辨。我们认为，对于简单结构的导板及模型，自主3D 打印能满足手术的需求；对于复杂、关系紧密的结构，需要更专业的设计与打印机器。本研究中，导板及模型的制作与设计耗时较短，打印时间差别较大，这也是当前3D 打印技术共同的不足，较长的打印耗时使之难以应用于急诊手术。例5打印耗时长达23 h，这与我们初次打印3D 模型时意图打印整个颅底结构有关，对于实际手术，并不需要打印整个颅脑结构，而只需要打印手术相关区域即可。这也是我们探索自主3D 打印技术的优势所在，术者可以根据每例手术的实际需要，在满足需求的前提下选择最小的打印区域，可以大大节省打印时间与打印耗材。另外，本研究例5 打印的颅底结构并不满意，但是在制作三维模型的过程中获取的三维立体影像及手术模拟可以辅助我们判断动脉瘤与前床突的位置关系，自主3D 打印技术获取的三维建模影像与打印模型，二者相辅相成，可共同引导手术。

自主3D 打印技术的实现，首先需要将医学影像进行三维重建，获得立体可视化的三维影像模型，在此基础上进一步设计立体定位导板，最后进行三维切片与打印。实现自主3D 打印技术，门槛相对较低，仅需要一台普通的台式电脑和3D 打印机，数万元即可长期用于临床。相对于向3D打印公司购买服务，自主打印所需的成本极为低廉。掌握3D 打印技术，最重要的是学会医学三维影像的重建与导板的设计。目前有许多医学影像处理的软件，如3D-Slicer 及MIMICS［14］，均可以免费下载获取，利用上述软件实现三维影像的重建并不困难，且网络上有大量关于上述软件的学习教程与视频，普通临床医师可以在短时间内快速掌握。实现自主3D 打印技术，可为临床带来丰富的收益。自主3D打印过程中制作的三维影像数据，不同于第三方付费3D打印服务，可在本医疗机构内随时调取并阅览，利于科室进行病例讨论、术前规划、经验总结及模拟手术［15］，达到预测手术风险、增加精确性、降低风险的效果［16］；同时可根据术者的需求快速设计手术通路与导板，减少远程沟通带来的不变与时间成本；最重要的是，节省患者医疗费用的同时，为医生提供了自由的3D 打印需求。自主3D 打印技术成本低，收益丰富，可行性强，适合各级医院开展应用。

自主3D 打印技术存在一些局限性，主要有以下三方面：⑴掌握医学影像后处理重建及3D 打印技术，虽然门槛低，但是耗时耗力，大部分神经外科医生精力有限，难以持续投入时间与精力于该技术；⑵相对于购买3D 打印服务，本技术的优点在于医师可以自由设计打印，不受患者费用的约束，但也正因如此，该技术增加科室人力投入的情况下并不增加科室收益，限制该技术的发展；⑶自主3D 打印技术对临床医师而言，属于交叉学科，专业壁垒让临床医师望而止步，自制的打印模型与导板的精确性未经专业的验证，增加临床诊疗的潜在风险。这些局限的存在，限制了自主3D 打印技术的应用与推广。我们认为，自主3D 打印技术为临床提供自由的3D 打印服务以辅助精准临床诊疗的同时，更多收益在于该技术的潜在价值。科室成熟的自主3D打印技术，可获取多模态影像融合的三维可视化立体影像和1∶1 的打印模型，对病例讨论、术前规划、模拟手术、经验总结、病情沟通、临床教学都有非常重要的作用，对各级医师加深颅脑解剖结构的理解［17-18］、提高临床诊疗能力和手术技能［19-20］都有帮助，虽然不能增加科室收益，但能促进科室发展。临床医师的兴趣与科室的支持对该技术的应用发展同等重要。当前网络资源丰富，互联网中有大量影像建模及3D 打印的教学视频，临床医师学习并掌握该技术应用并不困难。对于初次开展该技术，可以将制作好的模型与三维影像进行测量对比，确定打印成品的精准度，尤其是对于穿刺导板，可将导板成品扣于对应部位再次行影像检查，明确其定位定向的效果，以提高安全性。

3D 打印技术可实现个性化的精准医疗服务，目前已逐渐应用于脑出血、脑肿瘤、脑血管病及脑功能性疾病的诊疗，具有广阔的发展前景［10，21］。自主3D 打印，可优化设计、精简打印流程、减少耗时、降低费用，是当前环境下促进该技术成熟发展的方式之一。随着3D 打印技术与打印材料［5］的发展，图形处理软件的优化，自主3D 打印会越来越多地应用于临床医学。

总之，自主3D 打印能满足手术的需求，用于引导穿刺、术前手术模拟与手术规划；对于复杂且关系紧密的结构，自主3D 打印技术获取的三维建模影像与打印模型，二者相辅相成，可共同引导手术的进行。本文初步探索了自主3D 打印技术在颅内病变的定位、定向及指导神经外科手术的价值；所采用的自主3D 打印技术的实现方法与步骤，亦可以为同行提供参考，具有一定的借鉴意义。本研究亦存在一定的局限性，采用的热熔堆积固化成型打印机打印的模型表面粗糙，不适合精细结构的研究，未来在光固化打印机的探索可能更能反映自主3D 打印技术在颅底精细结构上应用的价值；本研究为自主3D 打印技术在神经外科应用的初步探索，病种及例数均较少，仍需更多的临床病例进行经验总结。