3D打印技術在顱底腫瘤顯微手術中的臨床應用

馮孟昭，王國慶，張曉陽，許丁康，王 方，劉獻志，郭付有

鄭州大學第一附屬醫院神經外科 鄭州 450052

顱底腫瘤，尤其是體積巨大、呈侵襲性生長并累及多個重要毗鄰結構的腫瘤，手術難度大，風險高，并發癥多，手術切除具有很大挑戰性。3D打印技術以其快速性、準確性及擅長制作復雜形狀實體的特性，在生物醫學領域應用廣泛[1]。目前，3D打印技術在神經外科中的應用主要包括輔助夾閉腦動脈瘤術前的生物模型模擬手術，制定個體化內植物等[2-3]。有關3D打印技術在顱底腫瘤顯微手術中應用的報道較少。作者運用3D打印技術輔助顯微手術治療10例顱底腫瘤患者，探討3D打印技術在顱底腫瘤顯微手術中的臨床應用價值。

1 資料與方法

1.1一般資料鄭州大學第一附屬醫院神經外科自2016年11月至2017年3月收治的顱底腫瘤患者20例。納入標準：①以神經系統癥狀為首發癥狀。②經影像學證實為顱底腫瘤且為顱內唯一原發腫瘤。③身體狀況良好，KPS評分>70。④無其他合并癥。配對標準：①患者年齡相近、性別一致。②由顱底腫瘤導致的首發癥狀及其持續時間相近。③術前經影像學證實的病灶大小、主體位置和MRI信號基本一致。④病灶適宜相同的手術入路。按照以上標準將20例患者配為10對，其中每對隨機分入3D打印組及對照組，每組10人。3D打印組男6例，女4例，年齡(40.4±19.6)歲；鞍結節腦膜瘤2例，顱咽管瘤2例，侵襲性垂體瘤1例，蝶骨嵴內1/3腦膜瘤2例，下丘腦區毛細胞星形細胞瘤1例，下丘腦區毛細胞黏液樣星形細胞瘤1例，海綿竇腦膜瘤1例；對照組男6例，女4例，年齡(41.9±18.7)歲；鞍結節腦膜瘤2例，顱咽管瘤2例，侵襲性垂體瘤1例，蝶骨嵴內1/3腦膜瘤2例，下丘腦區毛細胞星形細胞瘤2例，海綿竇腦膜瘤1例。本研究獲得醫院倫理委員會批準，患者簽署知情同意書。

1.2 3D打印組手術方案

1.2.1 三維重建及模型打印 患者術前常規進行CT、MRI、CTA檢查，數據經薄層掃描后以DICOM格式存盤導出電腦。將DICOM格式數據導入加拿大ORS軟件精確化處理，將不同灰度表示的組織抽離出來，通過軟件運算，將二維的一定灰度值范圍的組織轉變為STL通用3D打印格式。對相同灰度值但屬于不同組織的數據進行分離，并用不同顏色表示，保存為不同的文檔。將STL文件導入美國Stratasys公司生產的Connex 3 350 3D打印機，按照1∶1大小打印腫瘤模型，打印時不同組織以不同顏色的材料區分，制作出與實際大小一致的顱底鞍區腫瘤實體解剖模型。

1.2.2 制定手術計劃 結合患者術前的CT、MRI、CTA影像學資料及制作的3D打印模型，幫助術者于術前精確還原患者顱底真實情況，精確判斷顱底腫瘤組織與毗鄰的重要血管如雙側頸內動脈、大腦前動脈、大腦中動脈、基底動脈、大腦后動脈，以及與顱底的重要神經如視交叉、動眼神經、三叉神經等的空間位置關系，選擇合適手術入路，制定最佳手術方案。

1.3對照組手術方案術者根據術前常規CT、MRI、CTA檢查，辨認病灶及其與周圍正常結構的空間毗鄰關系，選擇合適手術入路，制定最佳手術方案。

1.4觀察指標記錄手術時間、腫瘤切除程度、術后住院時間和癥狀改善等情況。

1.5統計學處理采用SPSS 17.0分析，兩組患者年齡、手術時間、住院時間的比較采用兩獨立樣本t檢驗，腫瘤切除程度及癥狀改善情況的比較采用確切概率法。檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 3D可視化圖像與二維影像對比3D打印組所有病例均成功地實現了三維立體虛擬現實影像的重建并打印出三維立體模型。所有影像及模型清晰逼真，立體感強。而二維常規CTA顯示腫瘤與Willis環空間關系模糊，圖片信息有限，缺乏三維立體空間結構。二維CTA與3D打印圖像對比見圖1。根據3D模型能更為快速、直觀、準確、全面地觀察病灶的形態結構及其局部解剖結構特征(圖2)。根據對虛擬影像及3D模型的觀察與手術模擬的結果，能夠在術前準確地判斷顱底腫瘤與鄰近重要解剖結構的特征，分析手術中可能遇到的困難及應對措施，制定個體化精準術前規劃。

A：術前CT平掃；B、C：常規二維CTA顯示患者顱內血管；D：3D可視化圖像直觀顯示腫瘤及Willis環；E、F：3D可視化圖像清晰顯示顱底腫瘤與Willis環關系

圖1二維CTA與3D打印圖像對比

A：術前增強MRI；B：顱底3D可視化圖像；C：制作患兒顱底3D模型；D：腫瘤緊鄰右側大腦中動脈；E：術中所見腫瘤緊鄰右側大腦中動脈，與術前規劃相同；F：術后2周復查增強MRI

圖2應用3D打印技術輔助切除鞍區毛細胞黏液樣星形細胞瘤一例

2.2 2組臨床表現改善情況、手術全切率、手術時間及住院時間比較3D打印組手術全切率為80%(8/10)，對照組為20%(2/10)，兩者比較，差異具有統計學意義。3D打印組癥狀改善率為90%(9/10)，對照組為30%(3/10)，兩者比較，差異有統計學意義。兩組手術時間和住院時間比較見表1。

表1 2組患者一般資料及手術情況比較

2.3 3D打印組與對照組術后并發癥情況3D打印組：電解質紊亂4例，一過性尿崩1例，一過性甲低1例，動眼神經及外展神經功能障礙1例，均予以藥物對癥支持治療。無術后顱內血腫、昏迷及死亡病例。對照組：電解質紊亂4例，一過性尿崩3例，一過性甲低4例，一過性腎上腺皮質功能減退1例，動眼神經功能障礙2例，癲癇小發作3例。均予以藥物對癥支持治療。無術后顱內血腫、昏迷及死亡病例。

3 討論

顱底腫瘤以其位置深在、周圍毗鄰頸內動脈、海綿竇、視交叉、動眼神經、下丘腦、腦干、第三腦室等眾多結構，手術切除難度大，手術風險高，術后并發癥多，病死率高，目前仍然是臨床上最具挑戰性疾病之一[4-6]。本組病例中的巨大顱咽管瘤、下丘腦膠質瘤、鞍結節腦膜瘤、蝶骨嵴內1/3腦膜瘤、侵襲性垂體瘤、海綿竇腦膜瘤正是常見的高難度疾病。

傳統的顱底腫瘤切除術是術者根據術前患者的頭顱MRI資料或者CT及CTA資料，在經過反復比對、拼接、組合這些二維圖片以后，憑借空間想象能力及邏輯推理能力，將患者的資料建立在術者腦海中，指導術中切除腫瘤。但是這種方法有一定局限性：①二維圖片在顯示顱底腫瘤的形態及與其周圍血管的空間關系上仍有欠缺。②對二維圖片的三維解讀需要術者具備扎實的顱底解剖基礎及豐富的空間想象力。③術者對二維圖片的解讀具有主觀性，有時候錯誤解讀會影響手術的順利進行[7]。

3D打印技術輔助下的顱底腫瘤切除術，是術者術前利用患者的個體化影像學數據，通過3D打印技術1∶1復制出顱底腫瘤及其相關毗鄰結構模型，幫助術者術前制定手術計劃及模擬手術、術中精準顯微切除、術后總結手術操作技巧，以此提升臨床療效。

3D打印技術能夠幫助術者制定精準手術方案。應用3D打印技術于術前可1∶1復制出顱底模型，這其中包含顱底腫瘤組織、毗鄰的重要血管如雙側頸內動脈、大腦前動脈、大腦中動脈、基底動脈、大腦后動脈、后交通動脈以及顱底的重要神經如視交叉、動眼神經、三叉神經等，這使術者在術前全方位、各角度清晰辨認顱底結構，準確測量腦皮質至腫瘤的距離及鞍區各間隙大小，以便選擇合適手術入路，制定最佳手術方案，保障手術順利實施[3,8]。本研究結果顯示3D打印技術可三維、實時、動態的清晰顯示腫瘤與其毗鄰的各種周圍重要結構，從而為術者進行精準手術，避免手術副損傷具有重要臨床價值。

3D打印技術能夠幫助提高顱底腫瘤全切率。本文發現3D打印組腫瘤全切率高，這與3D打印技術能夠直觀清晰顯示腫瘤與毗鄰結構的關系密不可分。應用3D打印技術，術者于術前便可三維立體觀察腫瘤的空間位置、形態、周圍重要毗鄰結構，幫助術者判斷不同術式下腫瘤的切除程度、切除腫瘤可能遇到的困難，以選擇最佳的暴露角度，最大限度切除腫瘤組織及帶來最小的腫瘤周圍組織損傷，提高腫瘤的全切率。

3D打印技術能夠幫助提高術前癥狀改善率。患者術前癥狀很大程度上取決于顱內病灶的主體位置、大小、對顱神經壓迫及侵犯的程度、是否合并腦積水、病程的長短及患者本人的主觀感覺。本文研究得出3D打印組癥狀改善率高，這與手術入路的最佳選擇、術中病灶的最佳暴露、腫瘤的最大限度切除、毗鄰結構的最小程度損傷密不可分。

3D打印技術在輔助顱底腫瘤顯微手術時亦有一些局限與不足：①對于顱底腫瘤強化不明顯的類型，如鞍區囊性顱咽管瘤、鞍區囊性畸胎瘤等，由于腫瘤組織與周圍正常腦組織對比不明顯，導致3D重建圖像不夠清晰直觀，制作的模型效果不佳。②由于制作精度的差異，3D重建圖像與3D模型在顯示顱底腫瘤與周圍組織關系時仍有一定偏差，這與DICOM格式資料轉化為STL文件的設計過程有關，嚴密的設計可縮小模型與顱內實際情況的差異。③由于生物制作材料的缺乏，3D模型在模擬腦組織的生物學特性時仍存在不足，其尚不能夠提供腦組織的牽拉變形、腫瘤的質地等手感特性。隨著以上問題的逐步克服，相信3D打印技術在顱底腫瘤顯微手術中的價值能逐步體現，使顱底腫瘤顯微手術水平進一步提高，從而改善患者的臨床預后，值得臨床推廣使用。