腦出血穿刺定位導板3D打印快速個體化定制模式的應用初探

錢駿，劉發健，張孫鑫，劉齊東，曹德乾，黃祚韻，汪洋，杜奇勇，徐如祥，馮金周

3D打印技術近年已廣泛應用于臨床各學科，可提高臨床診療水平[1-2]。由于3D打印技術涉及昂貴的3D打印設備、專業性極強的三維模型制作及較長的影像數據人工提取傳送和模型制作周期，尚難以在各級醫院推廣。隨著醫工結合模式的推進，3D打印高科技公司可與醫院合作，推動醫學3D打印技術服務于臨床。2020年6月—2021年6月，四川省人民醫院與四川省江油市人民醫院神經外科聯合3D打印公司，開發并組建了快速個性化定制醫學3D打印智慧網絡系統，完成了21例高血壓性腦出血定位穿刺3D打印導板的制作，并服務于臨床。現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 共納入39例腦出血患者，其中觀察組為采用定制3D打印血腫穿刺導板定位引導穿刺的21例腦出血患者(江油市人民醫院9例，四川省人民醫院12例)，對照組為采用CT定位徒手穿刺的18例腦出血患者(江油市人民醫院11例，四川省人民醫院7例)。觀察組血腫分布于基底節區16例，額頂枕葉區5例，對照組分別為15例和3例，兩組患者在年齡、性別、血腫量、血腫分布部位、意識狀態、肢體偏癱等方面比較無統計學差異，見表1。所有患者均符合錐顱穿刺置管引流手術的病例入選標準[3]：(1)有明確高血壓病史且有服用降壓藥物史；(2)出血位于幕上包括基底節、額頂枕葉等部位；(3)出血量30～50 mL，且未破入腦室系統；(4)意識障礙為清醒、嗜睡或昏迷，無腦疝；(5)未口服華法林、阿司匹林等抗凝、抗血小板藥物且凝血功能正常。排除標準：(1)出血增大致腦疝發生；(2)有凝血功能障礙；(3)家屬不愿意采用錐顱穿刺置管引流手術；(4)等待3D打印導板制作期間病情急速惡化；(5)CTA證實為腦血管畸形、腦動脈瘤。本研究已通過四川省人民醫院醫學倫理委員會審批[倫理(研)2020年第419號]，所有患者及患者家屬均簽署知情同意書。

表1 兩組患者基本情況比較

1.2 硬件與軟件組建架構

1.2.1 儀器設備要求 128排雙源螺旋CT(西門子)，3D打印機(產品型號：DLP200，產品編碼：MAT00151218131355030305d6ff32，由華曙圖靈科技有限公司3D打印事業部提供)。Dell圖形工作站，操作系統Windows 10；醫學三維重建軟件Materialise Mimics 21.0；醫學云影像數據傳輸系統(V1.0)。導板打印主要材料：光敏樹脂(珠海賽納公司)。定位導板消毒在手術室完成，消毒設備為過氧化氫低溫等離子體滅菌器(型號：CASP-300D)，消毒時間2 h。

1.2.2 組網與服務模式 四川省人民醫院院內設有華曙圖靈科技有限公司醫學3D打印中心，負責電子模型三維重建和醫學3D實物STL格式文件傳送；四川省人民醫院、江油市人民醫院的神經外科和神經監護病房均設有醫學云影像數據傳輸系統電腦終端，通過與醫院PACS(picture archiving and communication systems,PACS)影像系統端口對接，提交3D打印申請并選擇所需要影像DICOM(digital imaging and communication in medicine,DICOM)數據，經網絡傳輸到醫學3D打印數據處理中心，完成三維重建電子模型，電子模型實時傳回申請電腦終端，與手術醫生實時窗口對話溝通調整血腫穿刺靶點和路徑，將最終形成的STL格式文件傳送至3D打印機完成導板及穿刺通道模型打印并應用于臨床。網絡傳輸的患者影像數據已經過脫敏處理，傳輸外網均通過網閘安全設備進行隔離后與醫院影像數據傳輸終端連接，確保醫院信息系統安全。兩家醫院手術室均設置有3D打印機并與醫學3D打印中心數據服務器連接，經處理的STL格式文件回傳后即可現場進行導板打印，并于手術室進行消毒處理后使用。

1.3 3D打印數據采集要求 對所有急診入院的腦出血患者，均采用以下參數進行頭部CT檢查：矩陣512×512，FOV 24 cm，層厚2 mm，層間距2 mm。掃描數據以DICOM格式保存。

1.4 個體化定制流程 確定手術方案為錐顱穿刺置管引流后，即啟動快速定制模式：(1)電腦終端提交患者3D打印導板申請，包括對導板的個體化要求、制定的手術時間及簽訂定制同意書，上傳所需要的影像數據；(2)影像數據通過醫學影像傳輸系統上傳到醫學3D打印數據處理中心；(3)數據處理中心快速完成三維建模并與手術醫生通過影像數據終端對話窗口溝通，確定穿刺靶心與路徑，獲得導板打印所需要的STL格式文件并回傳至醫院影像數據終端，連接3D打印機進行現場打印成品，消毒處理后即可提供臨床使用。流程見圖1。

紅色箭頭為內網，黑色箭頭為外網

1.5 手術方法與術后處理 符合入選標準的患者，術前均需要定位并設計好切口與穿刺位置，觀察組采用3D打印導板直接在頭皮上確定位置，對照組術前6 h再通過頭部CT金屬回形針標記定位穿刺部位。手術均在出血12 h后進行，常規氣管插管全麻，設置體位并固定，消毒鋪巾后，觀察組患者將已消毒的3D打印導板放到手術區的顱表位置，確定切口和穿刺部位，對照組患者直接使用術前設計好的切口與穿刺部位。切開頭皮，顱骨鉆孔。觀察組將3D打印導板再一次放于顱表位置，其穿刺孔與顱骨鉆孔處對準，經導板的穿刺通道管直接按規劃的深度完成血腫穿刺并放置引流管；對照組通過術前的畫線和方向徒手進行血腫穿刺與引流管置入。通過引流管抽吸出暗紅色血液或血凝塊，反復用生理鹽水沖洗血腫腔，若有活動性出血可注射含腎上腺素的冰生理鹽水控制出血，隨后接引流袋，縫合切口結束手術。若穿刺無血性液體抽出，則取出后重新穿刺。若出現以下情況轉開顱手術清除血腫:(1)穿刺過程中損傷到動脈，有活動性噴血;(2)沖洗過程中有活動性出血，使用含腎上腺素的冰生理鹽水無法控制；(3)穿刺術后引流管出現活動性出血無法控制。術后處理:(1)術后定期復查頭部CT了解殘余血腫量并確定繼續治療方案；(2)對殘余血腫超過原血腫三分之一的患者，通過引流管注入含4萬單位尿激酶的生理鹽水夾閉2 h后開放，每8 h一次，共三次。夾管期間觀察患者神志，若有煩躁則立即開放引流管，有新鮮血液流出時需要復查頭部CT確定緊急處理方案；(3)血腫殘余量低于原血腫三分之一時拔管，留管時間不超過5 d。見圖2。

A、B：術前定位血腫層； C:3D模型與導板； D、E：術后復查CT血腫清除引流管在位； F：術中頭體表定位標記； G：術中經導板定位通道穿刺置管； H：術中引流大部分血凝塊并完成手術

1.6 觀察指標與療效評價 (1)一次性穿刺成功率：指術中一次性穿刺血腫成功，能通過引流管直接抽吸出液態血或血凝塊；(2)置管精準率和術后3 d血腫清除率: 通過術后6 h復查頭部CT來判斷置管精準度，以引流管側孔和尖端與血腫腔和靶心的相對位置來評價，距離靶心1 cm以內且不超出原血腫腔評價為優，接近或超出血腫邊緣評價為差；術前與術后3 d的頭部CT檢查對比血腫清除情況，血腫量均由3D-Slicer軟件進行測算，血腫清除率=(術前血腫量-術后血腫量)/術前血腫量×100%，≥75%評價為有效，≤25%評價為無效；(3)不同定位方式耗費時間：對照組為術前最近一次頭部CT定位檢查到手術開始的時間，觀察組為提交3D打印申請開始至手術開始的時間。

2 結 果

2.1 兩組手術情況比較 兩組病例均完成錐顱血腫穿刺置管引流手術，無中轉開顱手術；觀察組在3D打印導板指引下均一次性穿刺置管成功，成功率100%，對照組術中一次穿刺成功11例，成功率61.11%，重復穿刺有7例，失敗率38.89%。兩組穿刺精準率、血腫清除率比較，觀察組優于觀照組(P<0.05)。見表2。

表2 兩組手術情況比較

2.2 不同單位3D打印導板定制耗費時間 導板定制耗費時間包括提交申請和數據上傳完成時間(即數據上傳時間)、三維建模形成打印數據時間、3D打印成品生產完成時間，兩組定位耗費時間，兩家醫院比較無統計學差異，見表3、表4、表5。

表3 江油市人民醫院兩組定位耗費時間比較

表4 四川省人民醫院兩組定位耗費時間比較

表5 不同單位3D打印導板個體化定制各環節耗費時間結果

2.3 術后恢復情況 術后出血增加、病情加重轉開顱手術的患者中，觀察組1例，對照組4例，此4例患者引流導管位置均位于血腫邊緣，且使用尿激酶血腫內灌注。病情加重率觀察組(1/21)明顯低于對照組(4/18)。術后使用尿激酶經引流管灌注，觀察組14例，對照組16例，兩組比較無統計學差異(P>0.05)。兩組均無死亡病例。

3 討 論

高血壓腦出血(hypertensive intracerebral hemorrhage,HICH)是臨床常見疾病，發病率約占腦卒中類型的10%～50%，且已向年輕化方向發展[4]。血壓波動導致病變腦血管破裂出血形成的血腫，可壓迫、破壞重要腦功能區的核團及神經纖維束，是影響患者預后的病理生理基礎[5-6]。臨床上常采取手術方式來清除血腫、解除壓迫、降低顱內壓和減少繼發性損害，進而改善其預后和提高成活率[7-8]。手術方式主要包括開顱血腫清除術和微創穿刺引流術兩大類，其中微創穿刺引流術具有腦組織創傷小、操作時間短及患者恢復快的優點[9-12]。且對于尚未發生腦疝的高血壓性腦出血患者，延期行穿刺引流能減少再出血，故采用微創穿刺血腫引流術或內鏡通道下手術，更容易被醫生和患方接受[13-15]。微創穿刺引流術最關鍵的就是血腫定位問題，目前臨床常用定位方法包括CT定位、立體定向、術中導航定位等。CT徒手定位和CT引導下定位因操作簡單和設備要求低被廣泛采用[16]，但需要手術醫生臨床經驗豐富，對顱腦解剖較熟練，才能將二維的CT血腫層面與大腦內實際位置對應，提高穿刺血腫成功率。而立體定向和術中導航定位，在實際操作中較為繁瑣，且大部分基層醫院缺乏此類設備，不利于廣泛開展。由于HICH多為急診手術，微創穿刺血腫在實際操作中多為盲穿，有多次穿刺調整而損傷腦血管神經的可能，因此如何精準定位是確保血腫穿刺手術質量的關鍵。盡管術中導航較為精準也省時，但是設備的昂貴導致難以在大部分醫院普及。近年隨著3D打印技術的快速發展，臨床上3D打印模型或植入材料也越來越常見，采用3D打印機制作腦血腫穿刺定位導板來引導術中穿刺引流，可實現精準穿刺，且大大降低腦內血腫穿刺的技術門檻，目前已取得了較好的治療效果[1，17-18]。

3D打印技術，也稱為“添加制造”技術，或“增材制造”“增量制造”技術，是基于三維CAD模型數據，通過逐層增加材料制造，打印出與相應三維CAD模型完全一致的實體模型或植入材料。腦出血患者CT檢查所獲得的DICOM數據，通過三維CAD建模可顯示血腫部位、血腫量，進而設計出血腫穿刺路徑與顱體表定位模型，并將此模型數據用3D打印機打印出實體模型，即3D打印血腫穿刺導板。此導板是按患者腦出血真實數據1∶1比例打印的，能精準匹配顱腦體表定位和穿刺路徑，完美解決血腫定位穿刺的技術問題。但在獲取3D打印產品的過程，多為人工前往醫院信息中心用光盤等媒介拷貝數據，再傳遞至3D打印公司，導板制作完成后再送回醫院，所需要時間大致為3～5 d，無法滿足HICH急診手術的需求。針對3D打印產品制作繁瑣、耗時較長的問題，本研究依托科研項目資助并結合臨床醫生需求進行攻關，通過信息網絡化組建一體化系統來解決，可滿足此類腦出血急診手術中的血腫快速定位需求。通過影像數據傳輸系統客戶端與醫院影像PACS系統對接，網閘物理網絡設備將內網與外網隔絕，僅允許醫院影像數據單向傳輸至外網進行3D打印數據處理，將復雜的三維建模交給專業中心處理，而獲得的3D打印數據模型通過回傳至醫院3D打印機完成現場打印，消毒后即可臨床使用。在保證醫院信息安全的前提下，很好地開展了個體化定制腦血腫定位穿刺導板的3D打印產品。本研究中，兩個單位均通過網絡安全傳輸影像數據，由3D打印數據處理中心完成三維建模和3D打印數據模型。再由各自醫院完成3D打印成品，這一模式可以滿足大多數醫院開展個體化定制3D打印腦血腫穿刺定位導板的臨床需求。

本研究中，使用3D打印的血腫定位導板引導血腫穿刺，精準度和血腫清除率均明顯優于對照組；從獲得導板的時間與對照組定位時間比較，觀察組雖然不占優勢，但并沒有因為獲取打印導板時間過長而影響手術效果，且對于病情變化加重的病例，有開顱手術作為保障。打印的導板體積小，所需要的3D打印機體積亦小，將3D打印機直接放置在有需求的單位，3D打印數據處理中心只負責處理三維建模并回傳數據，直接在有需求的單位進行現場打印，即可完美解決獲取導板時間過長的問題。本研究采用的個體化定制3D打印腦血腫穿刺定位導板，能在廣大基層醫院開展HICH的血腫微創穿刺手術，并能降低技術難度，提高手術精準度。概括此模式的優點：(1)3D打印導板定位穿刺精準，創傷小，恢復快，且技術門檻較低，適合廣大基層醫院開展；(2)利用數據信息網絡化傳輸，改變了傳統人工拷貝數據模式，能滿足偏遠醫院定制3D打印產品的需求；(3)數據信息網絡化組建所需要的安全設備費用一次性投入，長久享用，且費用低；(4)此模式定制3D打印產品的時間較傳統模式短，更能促進醫院信息網絡化辦公。當然此定制模式還有不足之處：(1)定制服務需要醫院相關職能部門和臨床科室的支持；(2)醫院職能部門對信息安全的顧慮，是阻礙此定制模式的關鍵，因此本研究采用網閘和服務器等設備，將醫院內網與外網分離阻隔，數據單向傳輸而徹底解決信息安全問題。

HICH微創手術治療在基層醫院已廣泛開展，由于定位的精準度差異性，各單位手術質量也有明顯差異。隨著人工智能與三維建模的結合，個性化定制服務模式獲取3D打印導板將更加便利，能幫助臨床醫生精準定位血腫，使手術操作的技術門檻大大降低。這種醫工結合網絡化定制3D打印產品值得在基層醫院推廣。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。