3D打印技術在大腦鐮旁腦膜瘤切除術中的初步應用

劉宇清，黃繩躍，何炳蔚，姚立綱，呂 翱，沈恒華，陳明武，洪文瑤

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·論著·

·方法學研究·

3D打印技術在大腦鐮旁腦膜瘤切除術中的初步應用

劉宇清，黃繩躍，何炳蔚，姚立綱，呂 翱，沈恒華，陳明武，洪文瑤

目的探究基于3D打印技術的大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型構建在大腦鐮旁腦膜瘤切除術中的初步應用情況。方法選取2015年4—6月福建省立醫院神經外科收治的大腦鐮旁腦膜瘤患者3例，根據患者螺旋CT增強掃描所得的DICOM數據，針對顱骨、血管和腫瘤等組織結構采用不同的分割方法進行數據信息提取和重建，并在同一坐標系下實現裝配和三者融合，形成三維可視化復合虛擬模型，再結合3D打印技術將三維可視化復合虛擬模型實體化。觀察大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型構建情況及患者大腦鐮旁腦膜瘤切除術的手術情況。結果3例患者均構建出三維可視化復合虛擬模型，并成功制作出大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型，且其可清晰顯示腫瘤與顱骨、大腦鐮、上下矢狀竇及周邊血管的關系。手術醫師利用該模型制定出完善的手術預案，術時根據大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型指導手術定位與實施，避開重要血管，達到Simpson Ⅰ級切除，且患者術后無明顯腦水腫、血腫及神經功能障礙，手術成功。結論基于3D打印技術的大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型能有效指導醫務人員制定與完善手術方案，精準切除腫瘤，減少術中損傷，有助于患者康復。

腦膜瘤；3D打印技術；模型，解剖學

劉宇清，黃繩躍，何炳蔚，等.3D打印技術在大腦鐮旁腦膜瘤切除術中的初步應用[J].中國全科醫學，2016，19(24)：2953-2956.[www.chinagp.net]

LIU Y Q,HUANG S Y,HE B W,et al.Preliminary application of 3D printing technology in the surgical treatment of falx meningioma[J].Chinese General Practice，2016，19(24)：2953-2956.

大腦鐮旁腦膜瘤是較常見的顱內腫瘤之一，其生長緩慢，發現時腫瘤體積常較大，且腫瘤組織血運豐富，與大腦動靜脈及上下矢狀竇關系密切，因此，手術風險較大[1]。如何在術前準確體現腫瘤與顱骨、動靜脈、上下矢狀竇等組織結構的關系，并有效用于術中且最大限度地減少手術對周圍組織的損傷，對精確切除腫瘤及減少患者術后并發癥具有重要的臨床意義。為此，本研究組初步探索出可行的基于3D打印技術的大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型制作方法，應用于術前預案的制定及指導大腦鐮旁腦膜瘤切除術實施，取得良好效果。

1　資料與方法

1.1臨床資料選取2015年4—6月福建省立醫院神經外科收治的大腦鐮旁腦膜瘤患者3例，其中男1例，女2例；平均年齡(45.5±3.1)歲。患者均經顱腦MRI檢查診斷為大腦鐮旁腦膜瘤，擬行大腦鐮旁腦膜瘤切除術。

1.2方法根據患者螺旋CT增強掃描的原始數據構建大腦鐮旁腦膜瘤三維可視化復合虛擬模型，再結合3D打印技術將三維重建的可視化復合虛擬模型實體化。

1.2.1大腦鐮旁腦膜瘤三維模型3例患者均行顱腦螺旋CT增強掃描，儀器為Siemens公司Somatom Definition雙源CT。掃描參數：管電壓120 kV，管電流200～300 mAs，FOV 32 cm，重建視野32 cm，準直32.0 mm×2.0 mm×0.6 mm，重建層厚0.6 mm，螺距1.4，矩陣515×512；掃描范圍自主動脈弓到顱頂，正位及側位2次定位。采用造影劑示蹤技術，將監測層面定位于頸中部，感興趣區置于解剖組織外，當頸動脈內出現造影劑時進行手動觸發掃描。造影劑總量50～60 ml，流速4～5 ml/s，造影劑采用碘普羅胺注射液(370 mgI/ml)。利用螺旋CT增強掃描原始數據，經由picture archiving and

本研究創新點：

本研究將圖像分割、計算機三維重建、3D打印等技術應用于神經外科領域，通過對腦部螺旋CT增強掃描圖像分割算法獲得腦部模型，利用3D打印技術制作大腦鐮旁腦膜瘤實體模型，指導術者手術方案的制定及完善，以探討大腦鐮旁腦膜瘤患者的個性化治療方案，由此探索適合我國國情的具有自主知識產權的腦膜瘤治療方案。

communication system(PACS)系統以DICOM格式輸出。在計算機上將患者二維DICOM原始數據導入Mimics軟件(見圖1，本文圖1～4彩圖見本刊官網www.chinagp.net電子期刊相應文章附件)，采用動態自適應區域生長的分割方法，根據顱骨、血管和腦膜瘤灰度值差異，取不同的閾值分割出目標區域的圖像，提取完整有效的組織結構，分別重建三維虛擬模型。對整體顱腦三維虛擬模型進行優化處理，剔除無關組織結構以簡化模型，同時獲取用于手術規劃的信息數據，最后根據CT原始坐標系將顱骨、血管和腦膜瘤等組織結構裝配融合，獲得同一坐標系下各組織結構的三維可視化復合虛擬模型，以直觀地顯示腦膜瘤的部位、大小、周邊和內部血管的關系(見圖2、3)。

1.2.23D打印技術將三維可視化復合虛擬模型以Surface Tesselation Language (STL)格式導入快速成型機前處理軟件，采用光固化成型技術，將三維可視化復合虛擬模型實體化，制作出與實際大小一致的大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型(見圖4)，為大腦鐮旁腦膜瘤切除術手術預案的制定提供全面直觀的參考。

注：A為矢狀面，B為冠狀面，C為橫斷面

圖1大腦鐮旁腦膜瘤患者螺旋CT增強掃描圖像

Figure 1Spiral CT enhancement scan images of falx meningioma

注：A為右面觀，B為左面觀

圖2大腦鐮旁腦膜瘤血管三維虛擬模型圖像

Figure 2Vascular three dimensional virtual model images of falx meningioma

注：A為右面觀，B為左面觀

圖3大腦鐮旁腦膜瘤三維可視化復合虛擬模型圖像

Figure 3Three dimensional composite virtual model images of falx meningioma

注：A為右面觀，B為左面觀

圖4大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型圖像

Figure 4Anatomical model images of falx meningioma

1.3觀察指標觀察大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型構建情況及患者大腦鐮旁腦膜瘤切除術的手術情況。

1.4模型構建及手術成功標準模型構建成功標準：大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型同術中直觀的腫瘤與顱骨、供血動脈、引流靜脈及上下矢狀竇的解剖關系完全吻合；大腦鐮旁腦膜瘤切除術成功標準：手術能準確避開重要血管，完整切除腫瘤，患者術后無明顯腦水腫、血腫及神經功能障礙，達到Simpson Ⅰ級切除標準。

2　結果

3例患者均構建出三維可視化復合虛擬模型，并成功制作出大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型，且其可清晰顯示腫瘤與顱骨、大腦鐮、上下矢狀竇及周邊血管的關系。術者利用該模型制定出完善的手術預案，術時根據大腦鐮旁腦膜瘤實體解剖模型指導手術定位與實施，避開重要血管，達到Simpson Ⅰ級切除，且患者術后無明顯腦水腫、血腫及神經功能障礙，手術成功。

3　討論

目前，大腦鐮旁腦膜瘤病因尚未明確，但手術仍是臨床首選治療方案[2]。大腦鐮旁腦膜瘤是指腫瘤基底位于大腦鐮，且向大腦鐮兩側生長，常埋入大腦半球實質內[3]，腫瘤由頸內、外動脈雙重供血，基底部較寬，位置較深，且與大腦動脈、引流靜脈、上下矢狀竇關系密切，手術空間狹窄，暴露困難[4]。大腦鐮旁腦膜瘤與周圍血管關系可分為：(1)腫瘤包裹血管；(2)腫瘤緊密接觸血管。腦膜瘤與靜脈竇瘤關系可分為：(1)腫瘤完全侵犯靜脈竇；(2)腫瘤部分侵犯靜脈竇；(3)腫瘤緊鄰靜脈竇，但未侵入竇內[5]。在切除腫瘤時，常發現有動靜脈穿過腫瘤，或與腫瘤表面緊密粘連，易導致腦組織及動靜脈血管嚴重損傷。因此，術前充分了解腫瘤與顱骨、供血動脈、引流靜脈及上下矢狀竇的關系至關重要。以往術者根據患者CT、MRI等二維影像進行大腦的空間構想和手術模擬，這對醫師的解剖知識和閱片、空間想象力要求極高[6]。此外，顱腦結構復雜，病理狀態下個體差異較大，單純依靠二維圖像難以全面了解腫瘤的真實情況[7]。三維可視化腫瘤虛擬圖像可直觀顯示顱骨、血管、腫瘤等組織結構及其相互位置關系，減少了醫師空間想象的過程。在實際手術中，由于患者頭位變化、暴露空間有限等原因，導致基于三維可視化腫瘤虛擬圖像的術前預案和手術模擬與術中實際操作存在無法避免的偏差，難以準確定位腫瘤及重要血管。近年來，隨著神經導航技術的應用[8-9]，術中腫瘤、血管定位等困擾神經外科醫師的問題已得到初步解決，但該技術在我國許多醫院尚未廣泛開展。因此尋找一種快捷、簡便、廉價的方法，設計最佳手術方案并指導手術實施對神經外科醫師十分重要。

3D打印技術是快速成型技術之一，20世紀80年代首先應用于工程領域，其利用分割成層狀的重建三維可視化模型，逐層堆積成實體模型，是使用三維數據制造實體模型的一種行之有效的方法[10]。經過30多年的發展，3D打印技術現已在醫學模型制造、個性化醫療器械制作、人工組織器官替代品制作等醫學領域中逐步應用[11]。目前，國際上利用3D打印技術制造醫學模型的研究及應用主要在頜面外科、口腔科、骨科等領域，并已初步取得良好的效果[11]。但在神經外科領域，利用3D打印技術制作大腦鐮旁腦膜瘤模型并應用于臨床手術指導尚未見相關報道。本研究采用3D打印技術重建大腦鐮旁腦膜瘤的實體模型，3例患者的大腦鐮旁腦膜瘤實體模型成功構建，實體解剖模型可清晰顯示腫瘤與顱骨、大腦鐮、上下矢狀竇及周邊血管的關系，且患者均達到Simpson Ⅰ級切除，術后恢復良好，手術成功，表明利用3D打印技術重建出的大腦鐮旁腦膜瘤的實體模型有助于醫務人員制定與完善手術方案，精準切除腫瘤，臨床使用情況良好。分析原因為，CT原始數據經計算機處理并制作出實體顱內腫瘤3D模型，可實現從二維影像到計算機三維影像，再到真實三維解剖實體模型的跨越性轉變，其逼真直觀的視覺效果對個性化手術預案的設計及實施有極大的幫助。3D打印技術制作大腦鐮旁腦膜瘤實體模型的主要作用有：(1)輔助手術預案的制定。將患者的二維影像數據轉化成真實且與實物大小一致的腫瘤模型，立體感強，空間結構清晰，腫瘤大小、形狀、位置及其與周邊毗鄰關系明確，尤其是腫瘤是否破壞顱骨及其破壞程度、腫瘤與大腦鐮的附著部位及范圍、腫瘤內部及其周圍是否存在大血管等，為術者提供了更多傳統影像學檢查難以顯示的豐富信息，為個體化手術方案的制定提供全面直觀的依據。(2)指導手術的精確實施。目前螺旋CT工作站雖然能生成腫瘤虛擬三維模型，但無法在手術過程中真實顯示。術中參照實體模型，減少了因術時頭位變化及暴露空間有限等原因導致的與患者影像學檢查位置不符、參照系改變所造成的偏差，有助于術者準確定位顱內腫瘤及重要結構的位置，把握手術切口及路徑的選擇，避開重要血管組織，尤其對于深部小腫瘤，可減少盲目探查所造成的腦組織損傷。(3)加強年輕醫師對顱內腫瘤及顱腦解剖結構的認識。復雜的顱腦解剖結構常難以理解，無法以言語及文字準確描述，該實體模型克服了傳統解剖教學的空洞枯燥及病理條件下難以還原人體真實解剖的不足之處，是對傳統教學材料的完善和補充，為年輕醫師的成長提供良好的學習平臺。該模型應用于醫學教學、病例討論等，彌補了既往教學只能看解剖圖譜及單純X線片、磁共振和CT等二維圖像的缺陷。通過3D打印模型，年輕醫師可以親手觸摸等比例的患者腫瘤模型，親自參與設計手術方案，有助于其加深疾病的理解及培養臨床工作興趣。(4)有助于醫師總結經驗。術后醫師可以根據腫瘤實體模型，配合術中錄像總結手術成功和失敗經驗，促進對人體顱腦病理解剖結構知識的掌握和手術經驗的積累，縮短醫師成長和培訓時間，提高綜合水平。(5)增進醫患溝通?；颊呒凹覍俪Ｓ辛私饽[瘤情況及手術過程的需求，但因復雜的顱腦解剖及患者病情，醫師常難以用言語準確描述。向患者及其家屬展示3D打印實體模型，使其對疾病及手術方案有直觀了解，減輕患者及家屬心理負擔并提高其信心，有助于醫患間有效溝通，減少醫患糾紛。

此外，3D打印腫瘤實體模型也可實現顱內重要部位在體表的標記，如在三維虛擬圖像上，將矢狀竇、乙狀竇、橫竇、重要血管以及腫瘤等結構投射到顱骨或頭皮上，并做好各種標識，通過3D打印技術在實體模型上直觀體現。本研究所用技術可與神經導航結合，神經導航可接受DICOM格式和STL格式數據，利用該技術制造的3D虛擬模型和實體模型，先在病房制定完善的手術預案，術時通過U盤將做好的3D虛擬模型數據復制到神經導航上直接使用，無需臨時重建模型及術前計劃工作，可提高效率，尤其對顱內深部或靠近大血管的腫瘤，3D實體模型結合神經導航技術對手術實施更有指導意義。

為充分發揮個性化腫瘤實體模型的作用，在其3D打印的制造工藝上可做諸多改進，在打印材料顏色方面，為能夠從視覺上直觀分辨各組織結構的位置及其毗鄰關系，可采用不同顏色的打印材料進行不同組織結構的區分，如顱骨選白色、血管選紅色、腫瘤選藍色等；在打印材料類型方面，為了能夠從觸覺上體現各組織結構的生物學特征，可采用不同的打印材料類型予以區分，如顱骨、腫瘤采用樹脂、ABS等硬質材料，血管、神經采用高彈性塑料，頭皮采用橡膠類材料等；在打印材料性質上，可采用透明材料予以制造，如使用透明材料制造顱骨和腫瘤，能夠清晰完整地體現深部血管或腫瘤內部血管情況，使手術醫師在切除腫瘤時有充分的心理準備。當然，由于現有條件限制，如CT掃描、三維虛擬模型重建、3D打印技術的精度有限，制作的3D實體模型勢必有部分細微結構丟失，難以精細重現顱內各組織結構。但在本研究中，術者所需重點了解的腫瘤位置、血管分布等均已完整、準確地顯示，且此技術尚處于初步研究階段，相信隨著相關技術的進一步發展，顱腦各細微結構的實體重現也將成為可能。

綜上所述，依據3D打印技術重建出的大腦鐮旁腦膜瘤實體模型，術前有助于醫務人員討論患者病情及與患者進行有效溝通，制定完善的手術預案，術中參照實體模型，準確設計手術切口及入路，清晰了解腫瘤與顱骨、血管、上下矢狀竇和橫竇的關系，精準切除腫瘤，使手術取得良好效果。但現階段該技術僅處于初步應用階段，尚需積累更多的臨床病例，以取得更好的臨床效果與經驗，同時需進一步研究如何提高三維重建及3D打印精度，為顱內腫瘤手術治療提供更全面準確的依據。

作者貢獻：劉宇清、黃繩躍、何炳蔚、呂翱進行試驗設計與實施、資料收集整理、撰寫論文、成文并對文章負責；沈恒華、洪文瑤進行試驗實施、評估、資料收集；姚立綱、陳明武進行質量控制及審校。

本文無利益沖突。

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(本文編輯：毛亞敏)

Preliminary Application of 3D Printing Technology in the Surgical Treatment of Falx Meningioma

LIUYu-qing,HUANGSheng-yue,HEBing-wei,YAOLi-gang,LYVXiang,SHENHeng-hua,CHENMing-wu,HONGWen-yao.

DepartmentofNeurosurgery，FujianProvincialHospital；ProvincialClinicalMedicalCollegeofFujianMedicalUniversity，Fuzhou350001,China

HUANGSheng-yue,DepartmentofNeurosurgery，FujianProvincialHospital；ProvincialClinicalMedicalCollegeofFujianMedicalUniversity，Fuzhou350001,China；E-mail:huangshenyue@126.com

ObjectiveTo explore the preliminary application of the construction of anatomic model of falx meningioma entity based on 3D printing technology in the surgical treatment of falx meningioma.MethodsThree patients with falx meningioma admitted in Department of Neurosurgery of Fujian Provincial Hospital from April to June 2015 were selected.According to the DICOM data of patients obtained from enhanced spiral CT scanning,data information of skull,blood vessel and tumor were extracted and reconstructed with different segmentation methods.The assembly and integration of the three ones were achieved in the same coordinate system to form three-dimensional visual composite virtual models.Combined with 3D printing technology,three-dimensional visual composite virtual model was substantialized.The construction of anatomic model of falx meningioma entity and the operation of falx meningioma for patients were observed.ResultsThe three-dimensional visual composite virtual models were constructed for three patients and the anatomic models of falx meningioma entity were made successfully,which could clearly show the relationship between tumor and skull,cerebral falx,superior sagittal sinus,inferior sagittal sinus and peripheral vessels.Surgeons could use this model to make perfect operation plan,guide surgical positioning and implementation according to anatomic model of falx meningioma entity during operation,avoid important blood vessels and reach Simpson Ⅰ grade excision.Moreover,patients had no obvious encephaledema,hematoma and dysneuria after operation.The operation was successful in three patients.ConclusionThe anatomic model of falx meningioma entity based on 3D printing technology can effectively guide medical staff to make and improve operation plans,precisely remove tumor,reduce intra-operation injuries,and contributes to the rehabilitation of patients.

Meningioma；3D printing technology；Model,anatomy

福建省自然科學基金資助項目(2015J01421)

350001福建省福州市，福建省立醫院神經外科，福建醫科大學省立臨床醫學院(劉宇清，黃繩躍，陳明武，洪文瑤)；福州大學機械工程及自動化學院(何炳蔚，姚立綱，呂翱，沈恒華)

黃繩躍，350001福建省福州市，福建省立醫院神經外科，福建醫科大學省立臨床醫學院神經外科；

E-mail:huangshenyue@126.com

R 739.45

ADOI：10.3969/j.issn.1007-9572.2016.24.017

2016-02-06；

2016-06-01)