3D打印导板技术在神经外科肿瘤定位教学中的应用

王 拓,张北辰,周浩宇,杜昌旺,吴 伟,崔 波

西安交通大学第一附属医院神经外科,西安 710061

准确定位是神经外科颅内肿瘤手术的前提和保障,若要术前准确地标记出肿瘤体表投影位置需要经过专业的培训学习。传统的颅内肿瘤定位教学方法主要是依靠体表多处解剖标志[1-2],如冠状缝、中央沟、外耳道、外侧裂等相对位置比较固定的解剖标志作为参考点,再结合术前影像资料中肿瘤与参考点的位置关系,从而确定肿瘤在体表的位置。然而,基于解剖标志等传统的颅内肿瘤定位的教学方法存在比较明显的缺点,在一定程度上对神经外科医师的临床经验要求较高,因此对于经验不足的医师而言准确定位难度较大,容易造成较为明显的误差,且开颅范围更大、手术时间更长,存在损伤大、术后感染比例高、出血量较多等并发症,难以满足神经外科精细化、微创化的手术要求;同时也可能存在手术时间过长、肿瘤切除不完整等缺点[3]。

随着医学技术的进步和微创理念的发展,神经外科手术方式也在不断地向着精准和微创的方向推进,即通过快速精确的术前定位,利用微创理念以期最大限度地切除病变组织,减少术后并发症的发生,而术前准确定位是达到此目标的前提保证。因此,对传统的颅内肿瘤定位方法提出了巨大的挑战。目前,随着数字技术和医学的联系变得日益紧密,基于诸如3D Slicer、ITK-Snap等计算机辅助下的医学图像处理方法也得到了飞速发展,通过术前对颅脑肿瘤患者的多维度影像学资料的整合与处理,可以最大程度地模拟并还原颅内肿瘤的解剖位置、毗邻结构、形状大小等信息,极大地提高了神经外科医师在术前对颅内肿瘤的解剖学认知;不仅如此,通过利用工科3D打印技术的优势并结合计算机辅助定位,使得虚拟化的视觉图像转化成实物化的3D模型成为可能,可以在术前就能快速打印出相应的体表导板以帮助医师准确地锁定肿瘤在颅脑中的位置[4]。3D手术导板是一种术前协助医师进行体表定位的工具,在导板的辅助下,术前可以快速地定位肿瘤位置、设计手术入路、了解手术切除的深度与范围,以此提高术者的手术精确性、安全性和可靠性,简化复杂手术的步骤,缩短临床医师的学习曲线,加速年轻医师的成长;且与神经导航系统相比,3D打印导板更加便捷且不受医院等级限制,在提高手术质量的同时节约了大量医疗成本,受到越来越多的临床医师的青睐[5-7]。目前,有文献报道,通过在3D Slicer辅助下联合3D打印导板及神经内镜技术,可以在术前快速地定位包括颅脑肿瘤及慢性硬膜下血肿等颅内病灶,在术中快速完成病灶清除,后经术后影像学证实颅内病灶完全清除[8]。因此,该技术的出现不仅帮助神经外科医师摆脱了人为经验的干扰,而且也能够有效地避免不必要的神经损伤,合理规划手术入路,实现精确化、个体化和数字化的模式来诊断治疗个体患者。

基于此,该文将3D打印导板技术应用于神经外科肿瘤定位教学,以期在教学中更加精准地定位颅内肿瘤,并对比在传统教学模式和基于3D打印导板技术的教学方法中的学习效果[9-11]。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

纳入2020年1月—2021年12月在西安交通大学第一附属医院神经外科进修医师40人为研究对象。通过报名顺序的单双数随机分为对照组和试验组,每组20人。研究对象对此次研究知情同意。

1.2 3D导板打印方法

第一步,收集数据。选取需要术前准确定位的脑肿瘤患者,拷贝其头颅磁共振及头颅CT数据(1 mm/层)备用。第二步,三维模型构建。将拷贝的磁共振及CT数据传导入3D-Slicer软件进行三维重建,重点重建颅内肿瘤、头面部皮肤、眉弓、鼻根等部位。第三步,设计并打印导板模型,根据手术实际情况设计需要打印的导板大小,且必须包括肿瘤体表投影位置,鼻根及眉弓等部位。使用ABS树脂作为打印材料,连接3D打印机逐层打印。

1.3 教学方法

对照组采用传统定位方法教学,即由副主任以上医师授课,选取典型病例,如脑膜瘤的术前定位。第一步,掌握常用的解剖标志。如冠状缝体表定位(如图1A所示)、外侧裂的体表定位(如图1C所示)、中央沟的体表定位(如图1C所示),以及经典的Kronlein颅脑定位法(如图1D所示)。第二步,解读术前磁共振等影像资料(如图1B所示)。按照比例尺测量肿瘤与常用解剖标志的距离。第三步,实际定位。患者头部备皮后,学员在患者头部用记号笔定位出肿瘤的大小位置(如图1C所示)。

A.ab线为冠状缝位置;B.展示对照组脑膜瘤患者术前影像资料;C.cd线为中央沟位置,ce线为外侧裂位置,黄线为肿瘤定位体表位置;D.经典的Kronlein颅脑定位法;E.展示试验组脑膜瘤患者术前影像资料;F.3D导板精准定位肿瘤体表投影

试验组采用3D导板打印技术定位方法教学,即由副主任以上医师授课,在传统定位方法授课的基础上,详细指导3D导板打印定位技术。计算机和3D打印机准备步骤如下:第一步,计算机上安装3D-Slicer软件,按照3D导板打印方法授课(具体方法见1.2);第二步,选取典型病例,学员在3D-Slicer软件自主建模,完成后连接3D打印机逐层打印;第三步,验证结果,患者头部备皮后,使用3D导板精准定位肿瘤体表投影(如图1E、F所示)。

1.4 教学效果评价

首先,教学效果评价有一个评估指标,即两组学员的定位结果与手术开颅后的实际肿瘤位置是否一致,是验证定位是否准确的金标准,其具体衡量指标包括:肿瘤中心位置差,即术前体表定位的肿瘤中心与开颅后实际肿瘤中心位置的直线距离。

其次,采取理论考试(客观指标)和自我评价(主观指标)两部分成绩,评价两组学员的教学效果。理论考试围绕颅内正常解剖结构、常用定位标志,以及磁共振影像上肿瘤的位置描述等,满分100分。自我评价是通过问卷调查的形式,采用匿名方式,让学员进行自我评价,两组学员对于肿瘤定位的自信程度,定位方法的接受程度,以及定位能力的提高情况等,总分30分,分为三档,即0～10分为自我认定仍无法定位,11～20分为学员自我认为可大致定位,21～30分为学员自我认为可准确定位。

1.5 统计分析方法

2 结果

2.1 研究对象一般情况

两组学员均为男性,学员年龄28～45岁,其中试验组学员平均年龄(35.1±4.2)岁,对照组学员平均年龄(33.7±5.6)岁;试验组学员包括住院医师6名(30.0%)、主治医师10名(50.0%)、副主任医师4名(20.0%);对照组学员包括住院医师4名(20.0%)、主治医师11名(55.0%)、副主任医师5名(25.0%),两组学员的年龄、职称分布均无统计学差异。试验组的肿瘤中心位置差(4.3±1.2)mm,小于对照组的(10.5±3.8)mm,差异具有统计学意义(t=7.469,P=0.009)。

2.2 两组学员理论考试结果比较

在总分100分的理论考试中,试验组学员平均成绩为(76.2±7.8)分,对照组学员平均成绩为(73.6±9.1)分,两组学员成绩比较,差异无统计学意义(t=0.223,P=0.495)。

2.3 自我评价结果

试验组和对照组学员完成授课后,从自身感受、肿瘤定位的自信程度、定位方法的接受程度、学习成本的付出等方面进行自我评价,自我评价的肿瘤定位能力有所不同。试验组中仍然觉得对颅内肿瘤无法定位的学员0人(0.0%),认为自己可以大致定位的学员有8人(40.0%),认为自己能够独立准确定位肿瘤的学员有12人(60.0%);对照组中认为无法定位的学员有6人(30.0%),能够大致定位的学员有10人(50.0%),认为自己能够独立准确定位肿瘤的学员有4人(20.0%),两组间的自我评价差异具有统计学意义(P=0.004)。如表1所示。

表1 两组学员自我评价结果分析

3 讨论

神经外科肿瘤手术被称为外科手术中的皇冠,之所以有如此高的地位,是因为颅脑手术要求的精确度非常高,在极力保护正常脑组织的前提下,彻底地切除肿瘤是手术的基本原则。那么术前精准的定位肿瘤位置,尽量准确的开颅范围成为减少创伤的前提保障,因此年轻医师开颅前对肿瘤的精确定位尤为重要。术前肿瘤定位是较难掌握的一项技能,因此针对年轻医师进行颅内肿瘤定位技术的培训成为十分迫切的需求。而传统的定位方法较难掌握,且误差较大,即便是高年资医师定位,误差范围也可能达到1 cm以上。为提高年轻医师肿瘤定位的准确性和自信心,研究者在传统定位方法授课的基础上,引入3D导板打印技术,使年轻医师更直观、更精准地进行定位,使其在术前对肿瘤的位置了然于心,开颅的范围更加精准,也给患者减少不必要的损伤。

此次,研究者所使用的三维影像处理软件是3D Slicer软件(简称Slicer),这是一款开源、免费、可扩展的医学图像处理应用平台,最早由波士顿布里格姆妇女医院和麻省理工学院联合开发,可用于神经外科手术的引导治疗、可视化和分析等用途。目前,Slicer软件已经成为一种不仅能够应用于各种临床研究,还能够用于非医疗图像分析的综合平台[12-14]。研究者通过Slicer软件先将患者皮肤、颅骨、眉弓、鼻根等体表定位标志进行三维重建,并使用3D打印机进行打印,由此使肿瘤定位更加精准,这对手术切口的设计具有重要的指导意义,也为肿瘤定位方法教学提供了新的思路。该研究在肿瘤定位方法的教学中,通过Slicer软件对颅内肿瘤患者影像资料进行三维重建,结合体表的定位标志,模拟皮肤后进行3D导板打印,实现术前精确定位。与传统的定位方法相比,3D导板的定位方式更加精确,两组学员的定位结果相比,试验组的肿瘤中心位置更小,二者的差异具有统计学意义(P<0.05)。不仅如此,通过教学满意度问卷调查结果显示,试验组的学员对肿瘤定位更有自信,切口的设计更加精准,手术当中对正常脑组织的保护更加彻底。

虽然3D Slicer联合3D导板打印技术在该研究中具有较为明显的优势,但不得不承认3D导板定位技术也存在一定弊端:首先,3D打印材料的种类尚需进一步开发,传统的树脂材料打印精度欠佳,容易损坏变形;以钛合金为主的打印材料虽然能够克服上述缺点,但价格昂贵,对打印设备的要求较高,限制了其广泛使用,因此需要研发更多物美价廉的打印材料[15-16]。其次,导板的设计和制造、3D打印机的成本等价格相对高昂,3D打印技术和计算机辅助定位技术相对复杂,不利于基层医院尤其是偏远地区的开展,同时设计导板花费的时长不等,无法满足急诊手术的需求[17]。最后,由于设计制造厂家过多,尚未形成统一的质量评价体系,缺乏相关的行业标准和法律法规要求,可能引起导板质量参差不齐,难以满足临床需要[18]。因此,在新的3D导板技术教学的同时,也要掌握传统的定位方法,在时间紧急或条件不具备的时候传统定位方法不失为另一个选择。

总之,研究者认为通过3D打印导板进行颅内肿瘤定位的方法,准确、可靠、容易掌握,为年轻的神经外科医师掌握术前肿瘤定位提供了高效的方法,在实际手术中减少不必要的创伤,值得在今后的教学工作中进一步推广。