顱內動脈瘤3D打印模型構建及臨床研究*

楊 學 周赤忠* 張雪梅 陳 俊 羅 寬

顯微外科修剪是腦動脈瘤手術的標準技術，合適的手術方案是該手術成功的關鍵[1]。術前成像無法清楚地向外科醫生清楚地顯示動脈瘤與周圍顱神經，脈管系統和其他關鍵解剖結構之間復雜的解剖關系[2-3]。三維(three dimensional，3D)打印技術的發展為動脈瘤的外科治療提供了一種新方法。3D打印技術已廣泛應用于口腔外科和整形外科，但目前關于其在動脈瘤治療中的應用報道較少[4]。為此，本研究探討制作3D打印個體動脈瘤模型的材料其價值以及構建3D打印模型的方法，評估顱內動脈瘤的治療價值，為臨床3D打印技術在顱內動脈瘤的應用提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年1月至2019年1月在武漢科技大學附屬普仁醫院神經外科診斷治療的50例自發性蛛網膜下腔出血或腦內血腫患者，均經頭顱3D-CT血管造影(3D-computed tomography angiography，3D-CTA)及全腦血管造影確診為顱內動脈瘤。患者中男性22例，女性28例；年齡40～65歲，平均年齡(49.34±7.38)歲；入院時患者經亨特·赫斯(Hunt-Hess)評分[5]：Ⅰ級9例，Ⅱ級23例，Ⅲ級15例，Ⅳ級3例；動脈瘤部位中頸內動脈瘤4例，大腦前與中動脈瘤10例和14例，前與后交通動脈瘤12例和6例，基底動脈2例，椎動脈2例。

1.2 儀器與試劑

采用Toshiba Aquilion one型320排CT掃描儀(日本東芝公司)。碘普羅胺注射液300(拜耳醫藥保健有限公司廣州分公司，碘濃度300 mg/mL，國藥準字H10970417)。

1.3 3D打印模型構建及應用方法

1.3.1 3D虛擬模型構建

采用Aquilion one型320排CT掃描儀，從顱底至顱頂進行顱內動脈瘤3D-CTA掃描，采集原始數據。掃描參數：視野250 mm，矩陣512×512，管電壓120 kV，管電流300 mAs，探測器覆蓋范圍20～40 mm，螺旋厚度0.625 mm，間距0.625 mm；基于C3～C4椎體為監測時間點，使用高壓注射器靜脈，注射速度5.0 ml/s，注射液成分為10 ml生理鹽水+20 ml碘普羅胺注射液300(碘濃度300 mg/ml)，根據時間密度曲線與增強掃描最終獲得原始像數據，導入Mimics軟件。采用動態自適應區域分割腦血管區域，設置X軸、Y軸和Z軸，定義閾值界限。根據顱骨和血管的灰度值差異，重建3D虛擬模型，并優化處理。根據原始CT坐標裝配融合，繼而獲得顱骨和血管的3D虛擬模型，清楚的展示動脈瘤的部位、大小、朝向及其與顱骨和周邊血管的空間位置。

1.3.2 3D打印模型建立

顱內動脈瘤3D打印模型的建立。將3D虛擬模型導入快速成型機前處理軟件，采用光固化成型技術(Prisim 400，耗材光敏樹脂，成型速度1000 g/s，打印精度254×379×508 dpi)，通過紫外線或者其他光源照射凝固成型，逐層固化。將顱內動脈瘤3D虛擬模型按照原比例進行打印制作出實體模型，在術前、術中的應用提供全面直觀的參考。

1.3.3 3D打印模型應用

3D打印模型在術前和術中的應用。術前將3D實體打印模型向患者家屬展示有助于建立良好的溝通，請有豐富經驗的兩位主任醫師與專家多角度觀察3D模擬模型，評估3D打印模型，并設計手術入路，模擬上夾。

1.4 臨床評價指標

(1)采用格拉斯哥預后量表(Glasgow outcome scale，GOS)評分[6]評估術后腦損傷恢復程度及預后情況：①痊愈良好，恢復正常生活，輕度小殘疾；②中度殘疾，但尚可獨立生活，在有保護的情況下工作；③重度殘疾，不能獨立日常生活與工作，需要照顧；④一直為植物生存狀態，保留眼部活動與睡眠周期；⑤死亡。

(2)3D打印模型對在CTA下已行手術方案比較，評估3D打印模型的應用價值。

2 結果

2.1 部分動脈瘤患者的3D打印模型與已行手術方案情況

在50例患者中發現75枚動脈瘤，經手術夾閉71枚，行包囊術4枚。術后1周內復查，CTA結果顯示完全夾閉69枚。術后GOS評分：死亡1例，重度4例，輕度、中度殘疾12例，良好33例，GOS評分4～5分占90%，1～3分占10%。手術不良事件：無誤夾重要的穿支動脈及毗鄰血管病例，而瘤頸殘留2例，載瘤動脈狹窄2例，不良發生率為8 %。見表1。

2.2 典型病例分析

(1)病例一。患者女性，52歲，因“突發頭痛13 h”入院，經頭顱CTA示動脈瘤存在左側大腦前動脈A3段與中動脈M1段、左側椎與基底動脈段分別存在1枚(藍色箭頭示)。經3D打印模型后，發現處于腦干腹外側面的椎動脈動脈瘤，行遠外側入路并手術夾閉；基底動脈段的瘤體朝向上，采用眶上鎖孔入路并夾閉動脈瘤M1段，與術中所見基本一致，見圖1。

(2)病例二。患者女性，44歲，因“突發人事不省8 h”入院，經頭顱CTA示動脈瘤存在左側椎動脈段、右側大腦中動脈M1段與后交通段各1枚(藍色箭頭示)。由于動脈瘤椎動脈段破裂出血，行右側遠外側入路術。3D打印模型可見斜坡巖骨交界處與動脈瘤粘連，磨除骨窗時可見動脈瘤顯露不完全，舌下骨性突起阻擋視野，致術者操作不便，見圖2。

表1 部分動脈瘤患者的3D打印模型與已行手術方案情況

圖1 顱內動脈瘤3D打印模型示圖

圖2 顱內動脈瘤重建后圖像

3 討論

腦動脈瘤中的血流動力學常用于評估動脈瘤破裂風險、生長或再通的可能性[7]。目前，采用CTA和數字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)的標準成像方案不能夠測量或量化血液速度或體積流速，故附加成像檢查的實施是研究的主題，并且如果患者的治療被不適當地延遲則可能是不能預料的[8]。作為替代技術已經提出計算建模來研究動脈瘤血流動力學，但其結果的有效性和適用性尚未確定，或者已經提出了使用簡化或患者特異性幾何形狀的動脈瘤復制品的離體成像[9-10]。3D打印的增材制造技術已在各種醫療中應用，為患者創建個體患者解剖結構的精確模型，在手術期間和用于手術訓練和(或)計劃的視覺輔助，以及作為患者特定的模型[11-12]。新一代消費級3D打印機使整個打印過程實現現場、快速且經濟高效，但是以此種方式創建的復制品的準確性仍有待確定[13-14]。3D打印技術的發展為手術治療提供了一種新的方法，但目前關于其在動脈瘤治療中應用的報道較少。

Yin等[15]報道，3D打印模型可用作操作物理模型來設計手術方案，有助于手術計劃，尤其是治療難治性多發性骨折的術前計劃動脈瘤和巨大動脈瘤。通過3D實體打印的動脈瘤特征可準確的為術中選擇最佳體位與手術入路提高直觀的參考，暴露出最佳的動脈瘤頸，使臨床手術操作者很好的掌握動脈瘤頸部及周邊血管的關系。金國良等[16]采用顱內動脈瘤3D打印模型可很好展示腦血管(載瘤動脈的關系和周圍分支血管)和顱內動脈瘤大小、形狀及瘤體朝向的情況，可以為開顱動脈瘤術前、術中顱內動脈瘤瘤夾選擇和夾閉方式提供良好的參考價值。顱內動脈瘤的介入治療日趨完善，尤其在開顱手術中可以很好地暴露手術位置。動脈瘤栓塞中微導管的精準塑形直接決定手術的成功與否，關鍵是微導管精準到位動脈瘤囊內以及微導管頭端需保持良好的穩定性，而3D打印技術可以三維重建動脈瘤復合體獲得較好的動脈瘤與載瘤動脈成角、空間位置的變化，指導微導管塑形，提高手術成功率[17-18]。

Anderson等[19]研究表明，對10名受試者創建3D打印的動脈瘤模型與源解剖結構之間存在良好的一致性，印刷模型和源圖像的動脈瘤直徑測量值相關性良好，提示3D打印動脈瘤模型是準確的且能夠在室內生產，可以用于先前引用的應用，解剖學的精確度還能夠將其用于MRI流動模型。錢希穎等[20]研究顯示，3D打印技術能較好的顯示動脈瘤及其毗鄰解剖結構的空間關系，具有良好的臨床應用前景。周路球等[21]采用全仿真模型明顯提高動脈瘤手術的質量，改善預后。

本研究應用3D打印的動脈瘤模型，設計手術入路，模擬上夾，顯示出較好的臨床價值，50例患者發現75枚動脈瘤，經手術夾閉71枚，行包囊術4枚。術后1周內復查CTA，其結果顯示，完全夾閉69枚；術后GOS評分4～5分占90%，1～3分占10%。手術無誤夾重要的穿支動脈及毗鄰血管病例，不良發生率為8%，表明3D打印的動脈瘤模型具有較高的臨床應用價值。

4 結論

3D打印的動脈瘤模型可以多角度觀察3D模型，術前輔助設計手術入路，選擇最佳夾閉方案，減少術中誤夾情況，不良事件發生率較低，GOS評分預后良好，具有較高的臨床應用價值。