3D打印技術在顱內動脈瘤開顱夾閉手術中的應用

康慧斌，黃 慶，張洪兵，王 剛，胡艷龍，楊 俊，王 森，侯 哲

（首都醫科大學附屬北京潞河醫院神經外科，北京101149）

3D打印技術在顱內動脈瘤開顱夾閉手術中的應用

康慧斌，黃 慶，張洪兵，王 剛，胡艷龍，楊 俊，王 森，侯 哲

（首都醫科大學附屬北京潞河醫院神經外科，北京101149）

0 引言

神經外科手術的精準度對于患者預后有著重要的影響，過去的十年，神經外科手術的定位和手術方式的選擇主要依靠神經影像學，通過對患者腦病變區域的薄層掃描呈現在計算機屏幕上以供術者診斷和定位［1］．盡管隨著醫學影像學的進步，疾病的定位越來越精確，但是單純的影像圖像無法供術者進行全方位的觀摩以及手術的模擬操作，術時只能參考打印的二維影像片，這對神經外科醫師的記憶力和空間想象能力要求極高．隨著3D打印技術的迅速發展，這種單純依靠神經影像定位診斷的模式將發生變化，通過對患者顱腦影像學信息的提取，運用快速打印技術可以打印出1∶1的患者顱腦病變模型，真實還原患者的實體顱腦信息，這種3D模型既可以供術者觀摩診斷，又可以模擬手術入路操作；不僅可以提高手術的精準度，減少手術時間和腦組織損傷，而且可以代替活體尸頭標本充當教學模具，大大節省了醫療資源和醫療教育成本．目前，3D技術已廣泛應用到骨科和口腔等手術及臨床教學中［2－9］．關于腦血管病手術尤其顱內動脈瘤開顱手術的應用國內尚報道較少．本研究應用3D打印技術制作顱內動脈瘤模型，指導術前手術方案的制定和模擬動脈瘤夾閉．

1 資料和方法

1．1 一般資料 收集 2016－01／2016－12 首都醫科大學附屬北京潞河醫院神經外科16例顱內動脈瘤患者的臨床影像學資料，利用3D打印技術，對16例顱內動脈瘤患者建立三維顱腦實體模型，進行術前手術設計及手術模擬，其中包括左側后交通動脈瘤6例，前交通動脈瘤5例，頸內動脈眼動脈段動脈瘤2例，大腦中動脈瘤3例．

1．2 3D 顱內動脈瘤模型的制作 1．3D-CTA（computed tomographic angiography，計算機斷層攝影血管造影術）檢查方法及數據采集．檢查前，在操作者與患者溝通良好的前提下采用頭托和膠帶將頭部固定，采用GE 64排Light speed V CT儀器行峰值法容積掃描，掃描前設置參數：層厚 0．625 mm，間距 0．625 mm，120 kV，200 mAs，視野 220 mm，矩陣 512×512，從足側向頭側掃描顱底至顱頂，數據采集成功后測定峰值．采用Missouri CT專用高壓注射器、20 G套管針經外周左肘正中靜脈注射入非離子造影劑（碘海醇350）15 mL＋生理鹽水 10 mL，注射速度：4．5 mL／s，選取C3-C4作為監測時間點，參照時間密度曲線得出達峰時間，以2 s經驗值作為正式增強掃描時間，采用相同注射速度于右肘正中靜脈注射入對比劑65 mL＋生理鹽水20 mL，增強掃描影像數據．原始影像學數據上傳至電子計算機工作站，經多種精細化處理并結合3D打印機輸出顱內動脈瘤血管三維復合體模型．

2．3D-CTA數據轉換及模型打印．影像圖數據導入Mimics軟件，采用閾值法（threshold value），選取顱內動脈瘤CTA血管閾值，同時采用Calculate 3D工具構建顱內動脈瘤復合體三維模型，采用Mimics Cut with polyplane工具預處理顱內動脈瘤復合體三維模型，導出STL格式，去除動脈細小分支，影像圖像進行三維計算（圖1），3D打印機輸出顱內動脈瘤血管三維復合固體模型，從而最終打印制造出1∶1等大的、高度仿真的患者顱內動脈瘤實體模型．

圖1 示意圖

1．3 3D顱內動脈瘤模型的應用 將3D顱內動脈瘤模型與術中所見進行比對，檢查模型的精確性，應用3D動脈瘤模型研究模型所示的動脈瘤特征，制定術中依據模型選擇最佳體位及手術入路，既可以使動脈瘤頸得到最佳暴露，又可以最大程度地減少對周圍腦組織的損傷，并將模型與手術體位角度擺放一致，使術者對動脈瘤頸部及周邊血管的相互關系一目了然．通過實際模擬開顱、動脈瘤夾閉等操作，選擇最合適的動脈瘤夾，演練從不同手術視角進行夾閉，從而確定瘤頸夾閉最穩妥、快速的夾閉入路．

2 結果

16例3D打印顱內動脈瘤實體解剖模型的部位、大小、形態、朝向、瘤頸寬度以及動脈瘤與周圍重要解剖標志位置與術中所見完全一致．患者手術過程均與術前設計一致，神經功能保留良好，16例動脈瘤完全夾閉，所采用的動脈瘤夾及夾閉視角與術前選擇相同．動脈瘤夾到位更加準確，調整次數更少，縮短了手術時間，周圍結構組織損傷更小，16例患者術后均恢復良好，無術后并發癥及感染．通過分別對3D打印的動脈瘤模型與CT數據的測量發現一致性高達98．76%，證明了利用3D打印模型將病變實體化的優勢，可以實現指導術前手術方案的制定和模擬動脈瘤夾閉．

典型病例：患者，男，41歲，因“突發劇烈頭痛1．5 h”入院．入院時神清清醒、精神萎靡、呼喚睜眼、雙側瞳孔等大等圓，直徑3 mm，對光反射靈敏，頸抵抗陽性，四肢肌張力略增高，四肢肌力Ⅴ級．急查頭顱CT提示：蛛網膜下腔出血（圖2A）．行頭顱CTA檢查提示：左側大腦中動脈瘤（圖2B），結合出血形態，考慮為責任病灶．需手術治療以避免動脈瘤再次破裂出血危及生命，但患者既往換瓣術后長期口服華法令，同時有乙肝大三陽疾病史，此次入院后肝酶異常增高，待完善心外科及肝病科專科會診及治療后，擇期手術．同時利用3D-CTA原始數據制作顱內動脈瘤實體解剖模型，模型中大腦中動脈瘤及周圍血管結構清晰可見，左側大腦中動脈供血，動脈瘤頂部朝左上方．根據3D模型手術模擬設計選擇左側額顳翼點入路大腦中動脈瘤夾閉術以及FT752T動脈瘤夾，術中所見動脈瘤大小、部位、和周圍組織的解剖關系與模型完全一致，動脈瘤夾選擇合適，一次性到位，夾閉滿意，手術順利，術后第1日復查頭顱復查頭顱CT顯示術區無明顯出血（圖2C），術后第6日復查CTA提示左側大腦中動脈瘤完全夾閉（圖2D）．術后無并發癥及感染發生．3D打印實體模型見圖2E．術前利用3D打印實體模型模擬手術夾閉動脈瘤操作見圖3．

圖2 3D打印的動脈瘤模型與CT影像學信息對比

3 討論

顱內動脈瘤是神經外科常見的腦血管疾病之一，其首次破裂出血后致殘率和致死率均高達1／3［10－13］，動脈瘤夾閉是防止其再次破裂出血最為有效的手術方式之一．在顱內動脈瘤開顱夾閉術中準確理解局部解刨結構至關重要，提高手術的精準性可以減少周圍腦組織損傷以及降低術后并發癥．神經外科醫師在夾閉動脈瘤前必須對動脈瘤周圍的動脈、顱骨、腦神經、腦組織有清醒的認識，對手術視角外隱藏的結構有充分的認識，要作到這一點，術前一定要作好充分的評估和設計．過去十年中，神經外科醫師主要依靠神經影像學的輔助來進行術前診斷、定位和手術入路的設計［1］．盡管計算機能夠從連續的二維圖片中重建的三維圖片能更加清晰地顯示出病變的總體結構和方向變化，但該三維影像是通過二維電腦屏幕顯示的，因此對動脈瘤真實的深度和位置關系反映依然有很大的障礙，術中只能結合透視和造影以及術前的影像資料進行判斷和操作［14－17］，并且術者個人對影像資料的理解可能存在偏差，極小的偏差在術中可能造成極大影響，由于術中動脈瘤暴露空間有限，特別是手術時患者頭位變化，導致術前預案與術中實際操作存在無法避免的偏差，尤其在處理解剖復雜的病例時，缺少實物模型參照難以準確定位顱內動脈瘤及周邊重要血管，術中可能需要多次調整瘤夾的位置與角度，若操作不當極易引起動脈瘤術中破裂或誤夾正常血管，從而造成嚴重后果．因此術者需要很豐富的臨床經驗才能較好地理解其空間結構．能夠反映顱內動脈瘤真實解剖學特點的實物模型將會使術者對病變有更為精確和直觀的認知，通過三維影像轉換為真實的同比例的實物模型，術者能夠獲得類似于開放手術的操作感受［16－18］．

近些年3D 打印技術迅速發展［19－22］，已經廣泛應用到骨科和口腔等手術及臨床教學中［2－7］．運用3D打印技術對患者顱腦3D-CTA信息進行提取，通過快速打印技術打印出同比例的患者顱內動脈瘤模型．這種實物模型可以供術者全方位的觀摩測量，更好地理解動脈瘤周圍血管神經及腦組織等重要結構，在動脈瘤夾閉術中，合適的動脈瘤夾的選擇對動脈瘤瘤頸夾閉尤為重要，術前通過對3D模型的模擬夾閉可以幫助選擇型號最為合適的動脈瘤夾，從而減少了術中動脈瘤夾的調整，有效避免了夾閉不全或載瘤動脈扭曲等情況的發生［23］．本研究中供應用3D技術打印16例顱內動脈瘤模型，其中左側后交通動脈瘤6例，前交通動脈瘤5例，頸內動脈眼動脈段動脈瘤2例，大腦中動脈瘤3例，術前手術醫師及助手通過對3D顱內動脈瘤模型的觀摩測量，確定最為合適的手術入路，并通過模型模擬動脈瘤夾閉等操作來選擇合適的動脈瘤夾和手術視角，結果發現16例顱內動脈瘤患者的3D打印實體解剖模型的部位、大小、形態、朝向、瘤頸寬度以及動脈瘤與周圍重要解剖標志位置與術中所見完全一致．10例患者手術入路過程均與術前設計一致，16例動脈瘤完全夾閉，所采用的動脈瘤夾及夾閉視角與術前模擬操作時選擇相同．動脈瘤夾到位更加準確，調整次數更少，與常規無3D模型指導的動脈瘤開顱手術相比手術時間更短，周圍結構組織損傷更小，16例患者術后均恢復良好，無術后并發癥及感染的發生．因此，本研究的結果表明3D打印技術對于顱內動脈瘤開顱夾閉手術有更好地術前指導作用，可以幫助術者更好地理解動脈瘤周圍解剖，在很大程度上提高了動脈瘤開路手術的精準度，降低了腦組織的損傷．

目前，3D打印技術仍存在著一些不足之處：①無法完全再現完整的腦組織結構，較為精細的小穿支血管及神經目前無法打印．②腦膜、蛛網膜等菲薄的腦組織結構仍無法通過3D打印實現［24］．相信隨著3D打印技術的不斷發展，打印出的模型會越來越精細，動脈瘤模型的質量會越來越優化，從而更好地發揮其在醫學領域，特別是腦血管疾病研究中的應用價值．

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Application of three-dimensionalprinting technology during clipping of intracranial aneurysm

KANG 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， Beijing 101149， China

AIM：To establish intracranial aneurysm model by applying three-dimensionalprinting technology， guide the formulation 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-dimensional 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 surgery，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，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．

intracranial aneurysm； three-dimensional printing；surgical clipping

目的：應用3D打印技術制作顱內動脈瘤模型，指導術前手術方案的制定和模擬動脈瘤夾閉．方法：收集16例顱內動脈瘤患者的CTA影像學資料，通過計算機軟件進行數字化數據提取和重建，并按1∶1比例進行3D打印，獲得動脈瘤實體模型，應用顱內動脈瘤模型指導開顱入路手術方案制定及模擬動脈瘤夾閉．結果：通過對3D打印動脈瘤模型的術前觀摩和手術模擬，術中動脈瘤暴露得更加充分，動脈瘤夾到位更加準確，周圍結構組織損傷更小，縮短了手術時間．結論：3D打印技術減少了動脈瘤夾的選擇及調整次數，縮短了手術時間，在一定程度上提高了顱內動脈瘤開顱夾閉的精準度，降低了腦組織的損傷．

顱內動脈瘤；3D打印；開顱夾閉

739．41

A

2095-6894（2017）12-26-04

2017－05－11；接受日期：2017－05－26

首都臨床特色應用與成果推廣項目（Z171100001017044）；通州區衛生發展科研專項重點課題（TWKY-2016-ZD-01-10）；通州區科技計劃項目精準醫學專項（KJ2016-CX037-12）

康慧斌．E-mail：kanghuibindoctor＠ 163．com

黃 慶．博士，主任醫師，副教授，碩士生導師．E-mail：doctor＿huang＠ 163．com