3D 打印技术在幕上浅表脑膜瘤定位中的应用

李仕尉 王洪财 陈海 陈茂送

脑膜瘤是目前最常见的原发性中枢神经系统肿瘤，占37.6%[1]。多数脑膜瘤是良性肿瘤，而手术切除是其一线治疗方案[2]，治疗原则是在保留神经功能的基础上最大限度地、安全地切除肿瘤[3]。对于浅表脑膜瘤，手术时理想的骨窗范围是以肿瘤为中心，同时暴露周边一定范围的硬脑膜[4]。术前精准定位，合理设计切口是手术成功的基础。神经导航仪是目前经典的定位设备，已有研究证明其在脑膜瘤手术中的有效性[5]，但由于其价格昂贵、操作复杂，难以在基层医院中广泛开展。本研究将3D 打印技术运用于幕上浅表脑膜瘤的术前定位，初步探索其定位的准确性，为寻找便捷、价廉的术前定位技术提供新的思路。

1 对象和方法

1.1 对象 选取2022 年7 至12 月在宁波市医疗中心李惠利医院行开颅肿瘤切除术的18 例幕上浅表脑膜瘤患者为研究对象，均在术前进行3D 打印导板定位。其中男6 例，女12 例；年龄35～72 岁，中位年龄57.5（47.3，68.5）岁；凸面脑膜瘤4 例（其中1 例近额窦），静脉窦旁脑膜瘤14 例；肿瘤体积7.5（2.0，28.5）cm3。纳入标准：（1）年龄18～75岁；（2）明确诊断为幕上浅表脑膜瘤；（3）术前有完整的颅脑CT 动脉血管造影（computed tomography angiography，CTA）或CT 静脉血管造影（computed tomography venography，CTV）以及MRI 增强检查数据；（4）术前采用3D 打印导板定位并设计头皮切口；（5）术后复查颅脑CT 且有完整数据。排除标准：（1）合并严重的心、肺、肾等脏器疾病；（2）合并凝血功能障碍或有长期服用抗凝或抗血小板药物史；（3）既往有开颅手术史或头皮手术区域有较长的瘢痕。本研究经本院医学伦理委员会审查通过（批准文号：李惠利医院伦审2023研第006号），所有患者和家属知情同意。

1.2 方法

1.2.1 资料收集 通过医院病历系统（KingT 医院信息管理系统v5.0）收集患者性别、年龄、手术体位、手术时间、是否使用头架、术后并发症、术后住院时间、手术标本病理检查结果等临床资料；同时通过医院影像系统下载患者的影像资料，包括术前头颅CTA、头颅CTV、颅脑MRI 增强以及术后头颅CT 检查结果，数据格式为DICOM 格式。

1.2.2 3D 打印定位导板的制作和应用 使用Windows 10 教育版计算机（具体配置：64 位操作系统，AMD r5 处理系统，8 G 内存）、FDM 3D 打印机（型号：MX Prusa MK3S，喷头直径0.6 mm，打印材料为聚乳酸）、3D slicer v5.0.2 影像处理软件和PrusaSlicer v2.4.2模型切片软件。将CTA 或CTV 及增强MRI 的DICOM数据导入3D slicer软件，使用General Registration（ANTs）或General Registration（Elastix）模块固定CTA 或CTV 数据，移动增强MRI 数据进行配准融合。在Segment Editor 模板中采用Threshold 工具，利用配准后的增强MRI数据重建肿瘤，计算并记录肿瘤体积。然后根据CTA或CTV 数据重建头皮及血管，输出三维图像。设置头皮透明度50%，观察肿瘤位置。使用Margin 工具将头皮外扩2 mm，用于定位导板的制作；再借助Scissors 工具剪除肿瘤在体表投影位置的导板。若为窦旁肿瘤或近额窦肿瘤，可同时修剪出静脉窦或额窦的体表投影。最后根据需要作进一步修剪，删除不必要部分，以缩短打印时间。一般额、顶、颞部肿瘤采用双侧眉弓、鼻根及一侧耳廓作为定位标志，枕部肿瘤采用双侧耳廓作为定位标志。设计完成后以stl 格式输出至切片软件，设置层厚0.3 mm，喷嘴温度200 ℃，底板温度60 ℃。调整定位导板摆放位置，尽可能减少支撑。自动切片后输出gcode格式打印文件。导入3D 打印机进行打印，记录每例患者的打印时间。术前将定位导板戴于患者头部，确认双侧眉弓、鼻根及耳廓严密贴合后，用记号笔勾勒出肿瘤及静脉窦（额窦）在体表的投影。然后根据体表投影设计切口进行开颅手术，见图1（插页）。

图1 3D 打印定位导板的制作和应用[A：患者头颅MRI 检查所见（红色箭头所示为肿瘤）；B：运用3D slicer 软件重建患者头部轮廓及肿瘤；C：根据肿瘤在体表的投影制作定位导板；D：使用的3D 打印机（仅作示意，非该患者打印照片）；E：3D 打印完成的定位导板；F：术前将定位导板戴于患者头部，确认双侧眉弓、鼻根及耳廓严密贴合；G：用记号笔勾勒出肿瘤在体表的投影；H：去除骨瓣后（黄色箭头所示为肿瘤组织）；I：皮内缝合切口]

1.2.3 术后CT 融合重建 将术后头颅CT 的DICOM 数据导入3D slicer 软件，使用General Registration（Elastix）模块固定CTA 或CTV 数据，移动术后头颅CT 数据进行配准融合。在Segment Editor 模板中采用Threshold 工具，利用配准后的头颅CT 数据重建颅骨，分割出骨瓣，以不同颜色显示；然后导入术前重建的肿瘤3D 图像，观察肿瘤与骨窗的位置，判断定位是否准确，并根据骨窗位置划分为优、良、差3个等级，见图2。

图2 肿瘤与骨窗位置关系的示意图[A：骨窗位置优（肿瘤位于骨窗中心，四周离骨窗缘有合适的距离）；B：骨窗位置良（肿瘤位于骨窗边缘，或明显偏离骨窗中心，不包括静脉窦或额窦侧边缘）；C：骨窗位置差（全部或部分肿瘤位于骨窗外，或术中有扩大骨窗）]

1.3 统计学处理 采用SPSS 26.0 统计软件。符合正态分布的计量资料以表示，不符合正态分布的计量资料以M（P25，P75）表示。

2 结果

所有患者手术时间为（152±44）min；定位导板打印时间为（238±71）min；术中使用头架7 例。术后有1 例患者出现迟发性脑出血，予再次手术清除血肿后恢复良好。术后CT 融合重建结果显示，14 例（77.8%）术前定位准确，骨窗位置优；4 例（22.2%）术前定位有偏差，骨窗位置良，见图3（插页）。11 例未使用头架的患者中，10 例（90.9%）骨窗位置优，仅1 例（9.1%）骨窗位置良；7 例使用头架的患者中，4 例（57.1%）骨窗位置优，3 例（42.9%）骨窗位置良。

图3 典型病例术后CT 融合重建结果[A：骨窗位置优（肿瘤近乎位于骨窗中心，且四周与骨窗缘有合适的距离，手术操作便捷）；B：骨窗位置欠理想（肿瘤靠近骨窗边缘，但不影响手术）]

3 讨论

大部分脑膜瘤为幕上脑膜瘤（84.4%），多位于额部，尤其是矢状窦旁、大脑镰前部等位置[6]。对于幕上浅表脑膜瘤，术前准确定位可以降低手术难度，缩短手术时间，减少手术相关并发症，同时避免不必要的脑组织暴露所带来的继发性损伤[5]。目前在基层医院神经导航仪尚未普及，术者往往是依据自身经验凭借CT 或MRI检查结果进行粗略定位。这种定位方式存在较大的主观性，易出现肿瘤暴露不充分或骨窗范围过大等情况。近来有研究者尝试使用虚拟现实增强技术来定位脑膜瘤[7-9]，并取得了不错的效果，但因操作复杂、价格昂贵等因素未在临床上广泛应用。随着3D 打印技术在医学领域的不断拓展，目前已有研究将3D 打印模型应用至神经外科疾病的宣传教育和术前规划中[10-11]。相关研究发现，3D 打印技术导航下的神经内镜颅内血肿清除术中穿刺次数较少，手术时间较短，而血肿清除率较高[12]。另有研究表明，3D 打印技术在脑干血肿穿刺引流术中应用，也取得了满意的效果[13]。

本研究将3D 打印技术应用于幕上浅表脑膜瘤的术前定位，为每例患者设计个体化的3D 打印定位导板，然后根据患者术前MRI 与术后CT 的融合重建评估3D 打印技术定位的准确性。本研究结果显示，77.8%的患者肿瘤定位准确，骨窗位置理想；22.2%的患者存在定位偏差，考虑与头皮移位有关，其中术前安装头架是重要因素。由于3 枚头钉的遮挡，安装头架后无法再次使用3D 打印定位导板，所以患者是在安装头架前进行的3D 打印导板定位。在近期1 例枕部胶质瘤手术中，笔者所在的研究团队改进了3D 打印定位导板的设计，留出了3 枚头钉的位置，并在安装头架后再次进行3D 打印导板定位，结果发现安装头架前后定位确实存在偏差，根据术中情况判断安装头架后的定位是准确的。相关研究证实，头架的头钉在术中可能会发生移位，这与头钉的安装位置有关[14]。因此，对于术中需要安装头架的患者，建议将头钉置于颞线上部水平的区域，且安装头钉时需垂直于颅骨表面，最大限度地减少头钉滑移的风险[15]，减少头皮的牵拉移位。另外，设计3D 打印定位导板时，建议增加双侧鼻翼的区域，因为头架的安装并不会引起鼻根及鼻翼的移位。同时在安装头架后再进行3D 打印导板定位，以减少头架对定位的影响。此外，本研究所使用的3D 重建软件为3D slicer，这是一款开源的、免费的医学图像处理软件，操作简便直观，年轻医生能在短时间内即掌握3D打印定位导板的设计与制作，熟练后每例患者的导板制作时间为15～20 min。在3D 打印材料方面，本研究选用聚乳酸，这是一种新型的生物可降解材料。根据经验估算，每公斤聚乳酸材料（75 元）可打印15～20 个3D 打印定位导板，每个导板成本为4～5 元。

但在实际使用过程中，笔者也发现3D 打印技术存在以下几个缺点。（1）3D 打印耗时较长，难以满足急诊手术需求。前期因缺乏经验，每例患者的打印时间为4～6 h，经不断改进后，目前打印时间为2～4 h。绝大多数脑膜瘤患者进行的是择期手术，术前有充足的时间来完成3D 打印定位导板的制作。（2）术中无法再次定位。3D 打印定位导板借助患者鼻根、眉弓及耳廓等体表标志进行定位，术中因消毒铺巾的遮挡，无法实现实时定位。再加上头皮移位等影响，定位精度不如神经导航，但可以基本满足脑膜瘤等手术要求。（3）目前浙江省内尚无此类收费项目，本研究患者的3D 打印定位导板制作均为研究组免费提供。

综上所述，3D 打印技术可以实现幕上浅表脑膜瘤的精准定位，降低手术难度，且操作简便、价格低廉，适合在基层医院推广使用。