1、3D 打印技术在颅内动脉瘤开颅夹闭手术中的应用 康慧斌 黄庆 张洪兵 王刚 胡艳龙 杨俊 王森 侯哲 首都医科大学附属北京潞河医院神经外科 摘 要： 目的:应用 3D 打印技术制作颅内动脉瘤模型, 指导术前手术方案的制定和模拟动脉瘤夹闭.方法:收集 16 例颅内动脉瘤患者的 CTA 影像学资料, 通过计算机软件进行数字化数据提取和重建, 并按 11 比例进行 3D 打印, 获得动脉瘤实体模型, 应用颅内动脉瘤模型指导开颅入路手术方案制定及模拟动脉瘤夹闭.结果:通过对 3D 打印动脉瘤模型的术前观摩和手术模拟, 术中动脉瘤暴露得更加充分, 动脉瘤夹到位更加准确, 周围结构组织损伤更小, 缩短了手
2、术时间.结论:3D 打印技术减少了动脉瘤夹的选择及调整次数, 缩短了手术时间, 在一定程度上提高了颅内动脉瘤开颅夹闭的精准度, 降低了脑组织的损伤.关键词： 颅内动脉瘤; 3D 打印; 开颅夹闭; 作者简介：康慧斌.E-mail:作者简介：黄庆.博士, 主任医师, 副教授, 硕士生导师.E-mail:doctor_收稿日期：2017-05-11基金：首都临床特色应用与成果推广项目 (Z171100001017044) Application of three-dimensional printing technology during clipping of intracranial aneu
3、rysmKANG Hui-Bin HUANG Qing ZHANG Hong-Bing WANG Gang HU Yan-Long YANG Jun WANG Sen HOU Zhe Department of Neurosurgery, Beijing Luhe Hospital, Capital Medical University; Abstract： AIM: To establish intracranial aneurysm model by applying three-dimensional printing technology, guide the formulation
4、of surgical procedures and simulate aneurysm surgical clipping before surgery. METHODS: The CTA ( computed tomographic angiography) imaging data of 10 patients with intracranial aneurysms were extracted and rebuilded through computer software. Intracranial aneurysm model were obtained by three-dimen
5、sional printing according to 1 1. Intracranial aneurysm model was used to guide the formulation of surgical procedures, and simulate aneurysm surgical clipping. RESULTS: Based on the observation and simulation of intracranial aneurysm model printed by three-dimensional printing technology before sur
6、gery, intraoperative aneurysm were more fully exposed, the place of aneurysm clipping was more accurate, surrounding structures were less damaged, and the operation time was reduced. CONCLUSION:Three-dimensional printing technology can reduc the choice problem on aneurysm clip and regulating times,
7、help the surgeon to better understand the anatomy around an aneurysm, greatly improve the accuracy of aneurysm surgical clipping and reduce the brain tissues damage.Keyword： intracranial aneurysm; three-dimensional printing; surgical clipping; Received： 2017-05-110 引言神经外科手术的精准度对于患者预后有着重要的影响, 过去的十年,
8、神经外科手术的定位和手术方式的选择主要依靠神经影像学, 通过对患者脑病变区域的薄层扫描呈现在计算机屏幕上以供术者诊断和定位1.尽管随着医学影像学的进步, 疾病的定位越来越精确, 但是单纯的影像图像无法供术者进行全方位的观摩以及手术的模拟操作, 术时只能参考打印的二维影像片, 这对神经外科医师的记忆力和空间想象能力要求极高.随着 3D 打印技术的迅速发展, 这种单纯依靠神经影像定位诊断的模式将发生变化, 通过对患者颅脑影像学信息的提取, 运用快速打印技术可以打印出 11 的患者颅脑病变模型, 真实还原患者的实体颅脑信息, 这种 3D 模型既可以供术者观摩诊断, 又可以模拟手术入路操作;不仅可以提
9、高手术的精准度, 减少手术时间和脑组织损伤, 而且可以代替活体尸头标本充当教学模具, 大大节省了医疗资源和医疗教育成本.目前, 3D 技术已广泛应用到骨科和口腔等手术及临床教学中2-9.关于脑血管病手术尤其颅内动脉瘤开颅手术的应用国内尚报道较少.本研究应用 3D 打印技术制作颅内动脉瘤模型, 指导术前手术方案的制定和模拟动脉瘤夹闭.1 资料和方法1.1 一般资料收集 2016-01/2016-12 首都医科大学附属北京潞河医院神经外科 16 例颅内动脉瘤患者的临床影像学资料, 利用 3D 打印技术, 对 16 例颅内动脉瘤患者建立三维颅脑实体模型, 进行术前手术设计及手术模拟, 其中包括左侧后
10、交通动脉瘤6 例, 前交通动脉瘤 5 例, 颈内动脉眼动脉段动脉瘤 2 例, 大脑中动脉瘤 3 例.1.2 3D 颅内动脉瘤模型的制作1.3D-CTA (computed tomographic angiography, 计算机断层摄影血管造影术) 检查方法及数据采集.检查前, 在操作者与患者沟通良好的前提下采用头托和胶带将头部固定, 采用 GE 64 排 Light speed V CT 仪器行峰值法容积扫描, 扫描前设置参数:层厚 0.625 mm, 间距 0.625 mm, 120 k V, 200 m As, 视野 220 mm, 矩阵 512512, 从足侧向头侧扫描颅底至颅顶, 数
11、据采集成功后测定峰值.采用 Missouri CT 专用高压注射器、20 G 套管针经外周左肘正中静脉注射入非离子造影剂 (碘海醇 350) 15 m L+生理盐水 10 m L, 注射速度:4.5 m L/s, 选取C3-C4 作为监测时间点, 参照时间密度曲线得出达峰时间, 以 2 s 经验值作为正式增强扫描时间, 采用相同注射速度于右肘正中静脉注射入对比剂 65 m L+生理盐水 20 m L, 增强扫描影像数据.原始影像学数据上传至电子计算机工作站, 经多种精细化处理并结合 3D 打印机输出颅内动脉瘤血管三维复合体模型.2.3D-CTA 数据转换及模型打印.影像图数据导入 Mimics
12、 软件, 采用阈值法 (threshold value) , 选取颅内动脉瘤 CTA 血管阈值, 同时采用 Calculate 3D工具构建颅内动脉瘤复合体三维模型, 采用 Mimics Cut with polyplane 工具预处理颅内动脉瘤复合体三维模型, 导出 STL 格式, 去除动脉细小分支, 影像图像进行三维计算 (图 1) , 3D 打印机输出颅内动脉瘤血管三维复合固体模型, 从而最终打印制造出 11 等大的、高度仿真的患者颅内动脉瘤实体模型.图 1 示意图 下载原图1:动脉瘤;2:前交通动脉;3:椎动脉;4:后交通动脉;5:大脑中动脉;6:大脑前动脉;7:基底动脉;8:颅骨1.
13、3 3D 颅内动脉瘤模型的应用将 3D 颅内动脉瘤模型与术中所见进行比对, 检查模型的精确性, 应用 3D 动脉瘤模型研究模型所示的动脉瘤特征, 制定术中依据模型选择最佳体位及手术入路, 既可以使动脉瘤颈得到最佳暴露, 又可以最大程度地减少对周围脑组织的损伤, 并将模型与手术体位角度摆放一致, 使术者对动脉瘤颈部及周边血管的相互关系一目了然.通过实际模拟开颅、动脉瘤夹闭等操作, 选择最合适的动脉瘤夹, 演练从不同手术视角进行夹闭, 从而确定瘤颈夹闭最稳妥、快速的夹闭入路.2 结果16 例 3D 打印颅内动脉瘤实体解剖模型的部位、大小、形态、朝向、瘤颈宽度以及动脉瘤与周围重要解剖标志位置与术中所
14、见完全一致.患者手术过程均与术前设计一致, 神经功能保留良好, 16 例动脉瘤完全夹闭, 所采用的动脉瘤夹及夹闭视角与术前选择相同.动脉瘤夹到位更加准确, 调整次数更少, 缩短了手术时间, 周围结构组织损伤更小, 16 例患者术后均恢复良好, 无术后并发症及感染.通过分别对 3D 打印的动脉瘤模型与 CT 数据的测量发现一致性高达 98.76%, 证明了利用 3D 打印模型将病变实体化的优势, 可以实现指导术前手术方案的制定和模拟动脉瘤夹闭.典型病例:患者, 男, 41 岁, 因“突发剧烈头痛 1.5 h”入院.入院时神清清醒、精神萎靡、呼唤睁眼、双侧瞳孔等大等圆, 直径 3 mm, 对光反射
15、灵敏, 颈抵抗阳性, 四肢肌张力略增高, 四肢肌力级.急查头颅 CT 提示:蛛网膜下腔出血 (图 2A) .行头颅 CTA 检查提示:左侧大脑中动脉瘤 (图 2B) , 结合出血形态, 考虑为责任病灶.需手术治疗以避免动脉瘤再次破裂出血危及生命, 但患者既往换瓣术后长期口服华法令, 同时有乙肝大三阳疾病史, 此次入院后肝酶异常增高, 待完善心外科及肝病科专科会诊及治疗后, 择期手术.同时利用 3D-CTA 原始数据制作颅内动脉瘤实体解剖模型, 模型中大脑中动脉瘤及周围血管结构清晰可见, 左侧大脑中动脉供血, 动脉瘤顶部朝左上方.根据 3D 模型手术模拟设计选择左侧额颞翼点入路大脑中动脉瘤夹闭术
16、以及 FT752T 动脉瘤夹, 术中所见动脉瘤大小、部位、和周围组织的解剖关系与模型完全一致, 动脉瘤夹选择合适, 一次性到位, 夹闭满意, 手术顺利, 术后第 1 日复查头颅复查头颅 CT 显示术区无明显出血 (图 2C) , 术后第 6 日复查 CTA 提示左侧大脑中动脉瘤完全夹闭 (图 2D) .术后无并发症及感染发生.3D 打印实体模型见图 2E.术前利用 3D打印实体模型模拟手术夹闭动脉瘤操作见图 3.图 2 3D 打印的动脉瘤模型与 CT 影像学信息对比 下载原图A:急诊 CT 可见蛛网膜下腔出血, 出血充满环池;B:CTA 检查三维重建可见左侧大脑中动脉瘤 (蓝色箭头所示为动脉瘤
17、所在位置) ;C:术后复查 CT 可见无明显出血;D:术后 CTA 显示左侧大脑中动脉瘤夹闭完全, 动脉瘤消失, 附近可见高密度金属夹影 (蓝色箭头所示为动脉瘤夹所在位置) ;E:3D 打印颅内动脉瘤实物模型 (蓝色箭头所示为动脉瘤所在位置) 图 3 3D 打印实体模型模拟手术夹闭动脉瘤 下载原图A:包含脑组织的 3D 打印颅脑模型;B:根据动脉瘤所在位置选择左侧额颞翼点入路, 打开骨窗;C:暴露动脉瘤, 选择合适的动脉瘤夹进行夹闭 (蓝色箭头所示为动脉瘤夹) ;D:夹闭后动脉瘤瘤颈清晰可见 (蓝色箭头所示为动脉瘤瘤颈) , 动脉瘤夹闭完全3 讨论颅内动脉瘤是神经外科常见的脑血管疾病之一, 其
18、首次破裂出血后致残率和致死率均高达 1/310-13, 动脉瘤夹闭是防止其再次破裂出血最为有效的手术方式之一.在颅内动脉瘤开颅夹闭术中准确理解局部解刨结构至关重要, 提高手术的精准性可以减少周围脑组织损伤以及降低术后并发症.神经外科医师在夹闭动脉瘤前必须对动脉瘤周围的动脉、颅骨、脑神经、脑组织有清醒的认识, 对手术视角外隐藏的结构有充分的认识, 要作到这一点, 术前一定要作好充分的评估和设计.过去十年中, 神经外科医师主要依靠神经影像学的辅助来进行术前诊断、定位和手术入路的设计1.尽管计算机能够从连续的二维图片中重建的三维图片能更加清晰地显示出病变的总体结构和方向变化, 但该三维影像是通过二维
19、电脑屏幕显示的, 因此对动脉瘤真实的深度和位置关系反映依然有很大的障碍, 术中只能结合透视和造影以及术前的影像资料进行判断和操作14-17, 并且术者个人对影像资料的理解可能存在偏差, 极小的偏差在术中可能造成极大影响, 由于术中动脉瘤暴露空间有限, 特别是手术时患者头位变化, 导致术前预案与术中实际操作存在无法避免的偏差, 尤其在处理解剖复杂的病例时, 缺少实物模型参照难以准确定位颅内动脉瘤及周边重要血管, 术中可能需要多次调整瘤夹的位置与角度, 若操作不当极易引起动脉瘤术中破裂或误夹正常血管, 从而造成严重后果.因此术者需要很丰富的临床经验才能较好地理解其空间结构.能够反映颅内动脉瘤真实解
20、剖学特点的实物模型将会使术者对病变有更为精确和直观的认知, 通过三维影像转换为真实的同比例的实物模型, 术者能够获得类似于开放手术的操作感受16-18.近些年 3D 打印技术迅速发展19-22, 已经广泛应用到骨科和口腔等手术及临床教学中2-7.运用 3D 打印技术对患者颅脑 3D-CTA 信息进行提取, 通过快速打印技术打印出同比例的患者颅内动脉瘤模型.这种实物模型可以供术者全方位的观摩测量, 更好地理解动脉瘤周围血管神经及脑组织等重要结构, 在动脉瘤夹闭术中, 合适的动脉瘤夹的选择对动脉瘤瘤颈夹闭尤为重要, 术前通过对 3D模型的模拟夹闭可以帮助选择型号最为合适的动脉瘤夹, 从而减少了术中
21、动脉瘤夹的调整, 有效避免了夹闭不全或载瘤动脉扭曲等情况的发生23.本研究中供应用 3D 技术打印 16 例颅内动脉瘤模型, 其中左侧后交通动脉瘤 6 例, 前交通动脉瘤 5 例, 颈内动脉眼动脉段动脉瘤 2 例, 大脑中动脉瘤 3 例, 术前手术医师及助手通过对 3D 颅内动脉瘤模型的观摩测量, 确定最为合适的手术入路, 并通过模型模拟动脉瘤夹闭等操作来选择合适的动脉瘤夹和手术视角, 结果发现 16 例颅内动脉瘤患者的 3D 打印实体解剖模型的部位、大小、形态、朝向、瘤颈宽度以及动脉瘤与周围重要解剖标志位置与术中所见完全一致.10 例患者手术入路过程均与术前设计一致, 16 例动脉瘤完全夹闭
22、, 所采用的动脉瘤夹及夹闭视角与术前模拟操作时选择相同.动脉瘤夹到位更加准确, 调整次数更少, 与常规无 3D 模型指导的动脉瘤开颅手术相比手术时间更短, 周围结构组织损伤更小, 16 例患者术后均恢复良好, 无术后并发症及感染的发生.因此, 本研究的结果表明 3D 打印技术对于颅内动脉瘤开颅夹闭手术有更好地术前指导作用, 可以帮助术者更好地理解动脉瘤周围解剖, 在很大程度上提高了动脉瘤开路手术的精准度, 降低了脑组织的损伤.目前, 3D 打印技术仍存在着一些不足之处: (1) 无法完全再现完整的脑组织结构, 较为精细的小穿支血管及神经目前无法打印. (2) 脑膜、蛛网膜等菲薄的脑组织结构仍无
23、法通过 3D 打印实现24.相信随着 3D 打印技术的不断发展, 打印出的模型会越来越精细, 动脉瘤模型的质量会越来越优化, 从而更好地发挥其在医学领域, 特别是脑血管疾病研究中的应用价值.参考文献1Xu WH, Liu J, Li ML, et al.3D printing of intracranial artery stenosis based on the source images of magnetic resonance angiographJ.Ann Transl Med, 2014, 2 (8) :74. 2李忠海, 唐家广, 王华东, 等.3D 打印技术在骨科临床教学中的应
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