3D打印技术在脑膜瘤术前定位中的初步应用
2019-07-14 韩新宇 刘鹏飞 李珍珠 中国临床神经外科杂志
选取2016年12月至2017年6月收治的大脑凸面脑膜瘤10例，其中男4例，女6例；平均年龄（47.2±3.4）岁。影像学检查诊断为凸面脑膜瘤7例、大脑镰旁脑膜瘤3例。
脑膜瘤是最常见的颅内良性肿瘤，约占成人中枢神经系统肿瘤的30%，儿童较少见，发病率随年龄增长而增加，女性尤为显著。60%的脑膜瘤位于矢状窦旁、大脑凸面、鞍结节等部位，位于大脑镰、小脑幕、侧脑室等部位的脑膜瘤较少见。目前，脑膜瘤以手术切除为主，但是一些特殊部位的脑膜瘤定位较困难，特别是体积较小且部位较深的，或位于主要功能区的脑膜瘤。
随着显微神经外科的发展，神经导航技术逐渐应用于脑膜瘤手术中，可辅助准确定位病灶；但神经导航成本较高，价格昂贵。我们通过收集脑膜瘤病人影像学资料，运用Mimics17.0软件将病人影像资料重建出三维影像；然后设计并制作出带有肿瘤位置标记的个体化3D打印导板，术前可精准定位脑膜瘤，取得良好效果，现报道如下。
1. 资料与方法
1.1 研究对象
选取2016年12月至2017年6月收治的大脑凸面脑膜瘤10例，其中男4例，女6例；平均年龄（47.2±3.4）岁。影像学检查诊断为凸面脑膜瘤7例、大脑镰旁脑膜瘤3例。
1.2 3D打印相关设备
3D打印机配置：RH A8 3D打印机。计算机配置：CPU为Inter Core i5-4460，内存容量为8 GB，系统类型为64位操作系统，基于x64的处理器，显示器分辨率为1 920×1 080。医学3D打印专用软件为Mimics17.0软件。
1.3 脑膜瘤三维重建及3D打印导板设计
1.3.1 重建头部三维模型
将病人颅脑CT或MRI薄层扫描所得二维影像资料以DICOM格式刻盘存档，作为脑膜瘤原始数据。运用Mimics17.0图像处理软件将原始数据导入，调整阈值范围选择整个头颅，重建出头部三维模型。
1.3.2 构建脑膜瘤三维模型
调整阈值范围，选出肿瘤，构建出肿瘤三维模型，剔除与肿瘤组织无关的颅内结构，旋转视角观察肿瘤的位置、大小及其与颅内结构的关系。
1.3.3 设计个体化导板三维模型
根据病人头部模型构建出头部导板三维模型，在三维模型上画出定位脑膜瘤所需的局部导板，应包括顶结节及外耳廓等重要体表解剖标志，以便更好地固定导板。根据肿瘤的位置、大小及其体表投影在导板上去除相应面积的区域，使肿瘤的体表投影包裹在该区域内。构建出个体化导板三维模型后，旋转视角观察导板与头部模型的贴合情况。为使其两者贴合更加紧密，可对导板做光滑处理。导板设计满意后将其以STL的文件格式导出。
1.3.4 打印个体化导板
在3D打印软件中打开之前导出的STL格式的文件，并对模型进行调整，调整到合适角度，添加底部支撑，填充密度为10%，设置合适的打印速度，自动切片后将文件传送到RH A8 3D打印机打印。打印过程中，要注意观察3D打印机的打印状态，防止打印材料不贴合或喷头损坏等意外情况发生。打印完成后取出模型，将底部支撑去除，可将模型放于病人头部，检查模型与病人头部是否贴合紧密，再次核对病人颅脑CT或MRI，确保模型与脑膜瘤的位置在同一侧，消毒备用。3D打印模型过程中所需成本为200~300元。
1.4 术前定位
1.4.1 术前准备
头部备皮，将头皮清洗干净。准备脑膜瘤切除术所需手术器械。1.4.2 脑膜瘤体表定位手术消毒前将3D打印导板置于病人头部，通过重要体表解剖标志如眉弓、鼻梁、顶结节及外耳廓等固定3D打印导板，根据3D打印导板定位肿瘤体表投影。
2. 结果
2.1 个体化3D打印导板
10例脑膜瘤均成功设计并打印出3D打印导板，其中7例经鼻梁、眉弓、外耳道固定，3例经顶结节、外耳道固定。导板与病人头部均可紧密贴合。
2.2 手术定位
术前将3D打印导板紧密贴合于病人头面部，通过重要体表解剖标志进一步固定。脑膜瘤定位准确，肿瘤均位于骨窗的中心位置，进而避免无效开颅以及为寻找肿瘤而对脑组织进行过度牵拉，减少术中出血及脑组织损伤，肿瘤均达到Simpson Ⅰ级切除。术后未出现明显血肿、脑水肿及神经症状。
图1 大脑镰旁脑膜瘤3D导板制作及术前定位结果（导板经眉弓、鼻梁、耳廓固定）A. 颅脑CT；B~D. 导板制作图像；E、F. 术前肿瘤的体表定位；G.术中所见肿瘤情况
图2 大脑凸面脑膜瘤3D导板制作及术前定位结果（导板经顶结节、耳廓固定）A. 颅脑MRI；B、C. 导板制作图像；D、E. 术前肿瘤的体表定位；F. 术中所见肿瘤情况
3. 讨论
脑膜瘤来源于构成蛛网膜的外层蛛网膜帽细胞，根据WHO分级分为良性脑膜瘤（WHOⅠ级）、非典型脑膜瘤（WHOⅡ级）和间变性脑膜瘤（WHOⅢ级）；其中大部分是良性肿瘤，手术切除可以达到良好的远期疗效，是目前主要的治疗方式。在脑膜瘤切除手术中，术前肿瘤的准确定位具有至关重要的作用。以往，主要依靠术前颅脑CT、MRI，结合既往手术经验进行术前定位。这对术者的颅脑解剖知识及空间想象能力要求较高，而且对于一些体积较小的脑膜瘤往往无法准确定位，结果导致手术过程中皮瓣及骨窗过大，造成过多脑组织暴露以及无效开颅；因无法准确定位有时还会导致肿瘤偏离骨窗，术中需要过多、过度牵拉脑组织以找寻病灶，从而增加手术创伤。
近些年来，随着神经导航技术的逐渐应用，肿瘤定位的问题已得到初步解决。神经导航技术依赖强大的计算机工作站处理图像数据和运用复杂的软件算法，为手术提供定位信息。在脑膜瘤切除术中，神经导航有助于规划术中骨瓣和硬脑膜开口；可减少术中原发性创伤，缩短手术时间，提高手术效率。但神经导航技术成本较高，在一些医院开展较为困难，而且在一定程度上会增加病人费用。此外，术中的一些因素会影响神经导航的准确性。因此，需要寻找一种简单、低廉且准确的定位方法，帮助制定更加合适的手术方案和简化手术过程，降低手术难度。
3D打印技术从20世纪80年代后期开始出现，近些年由于成本降低、计算机工程和应用程序的扩展而在各行各业得到迅速发展。在神经外科领域，因颅内解剖结构精密复杂，术前仅靠影像学检查无法得到更加彻底的认知，利用3D打印技术可制作复杂血管及肿瘤的模型，通过3D模型可以辅助规划手术方案。
有学者运用3D打印技术制作出鞍结节、镰旁脑膜瘤及其周围血管实体模型，用于术前规划手术方案，辅助脑膜瘤切除，效果十分显著。此外，3D打印技术还应用于教学及复杂手术演练、颅骨缺损修补等方面。我们运用Mimics图像处理软件对脑膜瘤病人原始影像学资料进行处理，构建并打印出个体化3D导板模型，对脑膜瘤术前定位帮助很大，而且有诸多优势：①辅助术前精准定位，制定更加优化的手术方案，尤其是不易确定手术入口位置的体积较小的脑膜瘤，通过3D打印导板定位肿瘤的体表位置可使术中皮瓣及骨窗的选取更加适宜，避免术中不必要的出血及脑组织的损伤，缩短手术时间，减少手术创伤。②不用通过颅脑CT或MRI二维影像推测肿瘤的位置，在导板的设计过程中，可在软件中设计出肿瘤模型，旋转视角在各个角度观察肿瘤的大小、形状及其在颅内的位置，可在术前对肿瘤有更加充分地认识，增加手术信心。③设计制作脑膜瘤定位导板的过程较为简单，3D打印模型所需成本也较低，每个模型需200~300元，相对神经导航系统价格低廉。④用于神经外科教学，有利于年轻的神经外科医生更好的掌握脑膜瘤手术的切口位置。
综上所述，运用3D打印技术设计并打印出个体化导板，有助于脑膜瘤的术前精准定位，优化手术方案，特别是体积较小或位于主要功能区的脑膜瘤，可有效避免手术切口的偏差，减少不必要的出血及损伤。但本研究仍处于初步探索阶段，尚需大量的临床病例来验证并积累经验，找寻不足；而且尚未制作出肿瘤及其周围血管实体模型，在脑膜瘤切除术中找到并有效控制供血动脉是至关重要的步骤之一。因此，3D打印技术用于制作脑膜瘤及其周围血管实体模型，以及通过个性化导板对脑膜瘤的主要供血血管进行定位，以求进一步优化脑膜瘤切除手术，仍有待进一步研究。
原始出处：
韩新宇,刘鹏飞,李珍珠,高文波,耿鑫,李承龙,李泽福.3D打印技术在脑膜瘤术前定位中的初步应用[J].中国临床神经外科杂志,2018,23(06):402-404.
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