一種基于3D打印技術(shù)定制截骨導(dǎo)板在巨大侵襲性骶骨神經(jīng)源性腫瘤切除中的應(yīng)用

孟令志 石 英 王 琪 劉 軍 謝夢(mèng)琪 馬 飛

北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科 (遼寧 沈陽(yáng) 110016)

原發(fā)于骶骨的腫瘤相對(duì)少見(jiàn)，而骶骨的神經(jīng)源性腫瘤更是罕見(jiàn)，文獻(xiàn)中報(bào)道亦不多見(jiàn)。骶骨的神經(jīng)源性腫瘤一般起源于骶神經(jīng)，沿神經(jīng)孔向內(nèi)或外生長(zhǎng)，可呈啞鈴狀。由于骶管的空間限制，向內(nèi)生長(zhǎng)的腫瘤一般較小；而向骶管外生長(zhǎng)的腫瘤往往形成巨大腫塊。臨床上由于骶骨屬不規(guī)則骨，骶骨區(qū)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)難度大，而且難以在術(shù)中確定安全邊界，使巨大骶骨神經(jīng)源性腫瘤的切除更具挑戰(zhàn)性。目前為止還沒(méi)有統(tǒng)一的骶骨神經(jīng)源性腫瘤治療共識(shí)。理想的治療策略是能夠?qū)⒛[瘤完整切除，不引起血管神經(jīng)損傷及脊柱不穩(wěn)，從而達(dá)到解除壓迫、改善癥狀的目的。巨大侵襲性骶骨神經(jīng)源性腫瘤由于其具有局部侵襲性和擴(kuò)展性，仔細(xì)的術(shù)前規(guī)劃是非常重要的[1]。

隨著醫(yī)學(xué)及三維成像技術(shù)不斷進(jìn)步，虛擬手術(shù)規(guī)劃、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)以及3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用越來(lái)越廣，這使外科醫(yī)生和工程師能夠合作解決實(shí)際問(wèn)題，如指導(dǎo)患者認(rèn)識(shí)疾病、手術(shù)計(jì)劃、手術(shù)指導(dǎo)以及定制化的鈦植入材料等[2-5]。在未來(lái)，3D打印技術(shù)更是能夠做到打印出實(shí)際的生物結(jié)構(gòu)，如肝臟、胰腺等，那時(shí)醫(yī)學(xué)將會(huì)取得革命性的進(jìn)步[6]。本研究描述了一種基于圖像的個(gè)性化手術(shù)截骨導(dǎo)板，用來(lái)指導(dǎo)在一例巨大骶骨神經(jīng)源性腫瘤切除的截骨邊界。

1 材料和方法

圖1說(shuō)明了該導(dǎo)板的設(shè)計(jì)流程。通過(guò)CT高分辨率掃描獲得DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入到圖形處理系統(tǒng)中，通過(guò)Marching Cube方法進(jìn)行骶骨模型的三維重建。然后由手術(shù)醫(yī)生在該系統(tǒng)上確定腫瘤及正常骨質(zhì)的切除邊界。截骨導(dǎo)板由手持部分、放置部分以及C形的截骨邊界指示部分三部分構(gòu)成。

圖1

2 臨床表現(xiàn)

患者為32歲男性，主因“間斷性腰骶部疼痛伴有下肢麻木疼痛3年，加重2周”入院。腰骶部高分辨率CT示：骶1、2右側(cè)椎體內(nèi)見(jiàn)不規(guī)則團(tuán)塊狀軟組織密度病灶，邊界較清，局部突入椎管及盆腔內(nèi)，大小約4.0cm×3.5cm×5.2cm，骶1、2右側(cè)椎體見(jiàn)多處骨質(zhì)破壞。腰骶部MR平掃+增強(qiáng)示：骶1、2椎體占位性病變，考慮神經(jīng)源性腫瘤。術(shù)前經(jīng)切開(kāi)活檢病理示：梭形細(xì)胞腫瘤，結(jié)合免疫組化結(jié)果支持神經(jīng)源性腫瘤。

3 截骨導(dǎo)板的設(shè)計(jì)原則

術(shù)前通過(guò)薄層CT掃描(0.625mm)來(lái)獲取患者骶骨的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)這些含有腫瘤區(qū)域的CT數(shù)據(jù)，我們使用Aquarius iNtuition Edition軟件(Terarecon Inc,Ver4.46)進(jìn)行三維重建。由手術(shù)醫(yī)生通過(guò)該軟件繪制出腫瘤切除截骨的邊界(圖2)。決定行后路手術(shù)后，我們擬制作一種截骨指示導(dǎo)板，同時(shí)為了使導(dǎo)板可以準(zhǔn)確的指示位置，不晃動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)板的站立區(qū)使其能夠穩(wěn)定位于骶正中嵴。然后通過(guò)與其連接的C形區(qū)來(lái)標(biāo)記截骨邊界(圖3)。在設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)3D打印技術(shù)以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Arcylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer,ABS) 制成。

圖2

圖3

4 切除邊界的制定

為了能夠切除腫瘤，且最大限度保留骨組織而減少對(duì)脊柱穩(wěn)定性的破壞，制定腫瘤切除的邊界是截骨指示導(dǎo)板制作過(guò)程中至關(guān)重要的一步，需要外科醫(yī)生與醫(yī)學(xué)工程師緊密合作并互相交流并改進(jìn)。工程師能夠把醫(yī)生繪制的切除邊界數(shù)字化連接起來(lái)。通過(guò)3D打印出的完整骶骨模型及截骨指示導(dǎo)板可以讓醫(yī)生更直觀的觀察手術(shù)區(qū)域的解剖。

5 結(jié)果

通過(guò)骶骨后正中入路行腫瘤切除(圖4)，該入路可以較好的暴露骶骨、骶正中嵴、髂骨翼以及周?chē)能浗M織，必要時(shí)還可以向上進(jìn)一步顯露腰椎。通過(guò)術(shù)前規(guī)劃的3D打印模型以及定制的截骨指示導(dǎo)板，進(jìn)行充分顯露后，將截骨指示導(dǎo)板放置在相應(yīng)區(qū)域，C形區(qū)域可以精準(zhǔn)的指示切除腫瘤所需的截骨范圍(圖5)。截骨完成后，探查腫瘤邊界，沿邊界將探查至腫瘤蒂，術(shù)中見(jiàn)S1神經(jīng)根被腫瘤包繞，小心將S1神經(jīng)根從腫瘤表面剝離后，將腫瘤完整切除。術(shù)中未損傷骶神經(jīng)根，未使用內(nèi)固定以預(yù)防脊柱不穩(wěn)。術(shù)后癥狀明顯緩解，3個(gè)月隨訪腰部活動(dòng)良好，無(wú)疼痛不適，未見(jiàn)明顯脊柱不穩(wěn)征象。通過(guò)截骨指示導(dǎo)板的使用，我們最大限度保留了正常骨組織，并成功切除了巨大侵襲性骶骨神經(jīng)源性腫瘤(圖6)。

圖4

6 討論

通過(guò)使用CAD軟件進(jìn)行虛擬手術(shù)規(guī)劃在臨床中越來(lái)越受歡迎，3D打印時(shí)代的到來(lái)極大提高了外科手術(shù)的精準(zhǔn)性和可預(yù)測(cè)性。[7-8]此外，通過(guò)該技術(shù)還能夠進(jìn)行各種測(cè)量、編輯、數(shù)據(jù)計(jì)算等，為醫(yī)生提供了清晰的解剖以及生動(dòng)的解剖結(jié)果預(yù)覽。基于CT數(shù)據(jù)生成的3D模型，精準(zhǔn)的手術(shù)切除模式可以術(shù)前預(yù)先在計(jì)算機(jī)上模擬出來(lái)，通過(guò)這項(xiàng)現(xiàn)代科技的應(yīng)用，外科醫(yī)生能夠更加精準(zhǔn)和自信的進(jìn)行手術(shù)。

圖5

圖6

過(guò)去醫(yī)生僅僅能夠通過(guò)術(shù)前的2D或2.5D影像學(xué)圖像信息和術(shù)中直視下確定腫瘤的切除范圍和邊界，并且往往通過(guò)術(shù)中冰凍切切片確定安全切除范圍[9]。在術(shù)中做出這些決定通常較為困難，然而通過(guò)這種定制的截骨指示導(dǎo)板結(jié)合術(shù)中冰凍切片，我們就更準(zhǔn)確判斷腫瘤的切除邊界。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因其能夠提供模擬出高質(zhì)量和清晰的解剖細(xì)節(jié)，并借助生物材料制作出來(lái)[10]。通過(guò)醫(yī)生及工程師的跨學(xué)科協(xié)作，用3D打印技術(shù)制作出這樣一種用來(lái)指示骶骨巨大侵襲性神經(jīng)源性腫瘤的截骨指示導(dǎo)板。與傳統(tǒng)手方式相比，它對(duì)于腫瘤切除邊界的確定更為精準(zhǔn)。

在該病例中，使用患者的CT掃描數(shù)據(jù)通過(guò)醫(yī)院提供的影像歸檔和通信系統(tǒng)(Picture Archiving and Communication System,PACS)中Aquarius iNtuition Edition軟件進(jìn)行三維重建，并通過(guò)3D打印機(jī)制作出包含腫瘤的骶骨模型。為了能夠使該工具能夠精準(zhǔn)的指導(dǎo)手術(shù)，它需要較高的穩(wěn)定性，即術(shù)中放置的位置與計(jì)劃的位置相符合，不發(fā)生位移。我們?cè)O(shè)計(jì)該截骨指示導(dǎo)板緊貼近于骶正中嵴，并通過(guò)手持部分醫(yī)生能夠握持該工具緊貼骨面不移動(dòng)。該截骨導(dǎo)板術(shù)前通過(guò)環(huán)氧乙烷滅菌，通過(guò)它的使用不但減少了手術(shù)時(shí)間，還提高了切除邊界的精確性。

雖然文章描述了該工具的諸多優(yōu)勢(shì)，但其仍存在一些局限性。首先，這項(xiàng)研究?jī)H為一例病例報(bào)告，隨訪時(shí)間僅3個(gè)月。其次，對(duì)于該截骨指示工具的優(yōu)勢(shì)無(wú)法與類(lèi)似病例進(jìn)行對(duì)照研究。不過(guò)，對(duì)于目前該技術(shù)在未來(lái)進(jìn)一步的應(yīng)用仍需要醫(yī)生和工程師之間的合作。

7 結(jié)論

最后，該研究初步證明了虛擬手術(shù)規(guī)劃和3D打印技術(shù)在制作基于影像數(shù)據(jù)的定制化手術(shù)工具的可行性。未來(lái)3D打印快速成型技術(shù)在復(fù)雜腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用將成為主流，我們相信這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)在復(fù)雜腫瘤切除中的應(yīng)用會(huì)具有較大價(jià)值。