【解析】3D打印技術(shù)在兒童腹膜后腫瘤手術(shù)規(guī)劃中的應(yīng)用

近年來3D打印技術(shù)和醫(yī)學影像學技術(shù)不斷發(fā)展,，3D打印技術(shù)逐步應(yīng)用于一些復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)操作訓練中,，尤其在骨科,、口腔科及顱頜面外科手術(shù)中應(yīng)用較多,。

腹膜后腫瘤(是指起源于腹膜后間隙的腫瘤,，廣義上可包括腹膜后臟器如腎,、腎上腺等實質(zhì)性臟器腫瘤,。在小兒惡性腫瘤中，腹膜后腫瘤儀次于白血病及中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤而居第三位,，是威脅小兒健康和生命的嚴重疾病,。由于其位置深在，且癥狀隱匿,，組織學類型繁多,，缺乏特異性臨床表現(xiàn)，難以早期發(fā)現(xiàn),，以至于確診時往往腫瘤已較大,。治療原則以手術(shù)治療為首選。由于腫瘤常累及腹膜后血管,、神經(jīng)及臟器,，解剖關(guān)系復(fù)雜，致使手術(shù)難度增大,。
目前通過增強CT可以在斷層結(jié)構(gòu)上進一步明確瘤體與周圍組織血管的解剖關(guān)系,，然而，由于醫(yī)師閱片水平的不同,，對影像學數(shù)據(jù)信息的理解也存在很大差異,，一定程度上會影響醫(yī)療小組的診斷，更有甚者會影響術(shù)者對整個病情的判斷,。如果能夠最大程度應(yīng)用影像學手段明確腫瘤周圍解剖關(guān)系,，對于實施個性化的于術(shù)方案具有重大意義，并且可以提高醫(yī)患溝通的效率,。近年來3D打印技術(shù)和醫(yī)學影像學技術(shù)不斷發(fā)展,，3D打印技術(shù)逐步應(yīng)用于一些復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)操作訓練中，尤其在骨科,、口腔科及顱頜面外科手術(shù)中應(yīng)用較多,。根據(jù)患者術(shù)前的三維影像學資料，如CT,、MRI等,，應(yīng)用3D打印技術(shù)可直接,、精確地打印手術(shù)區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu),。

術(shù)者可在此基礎(chǔ)上做出更準確的診斷，制定更詳細的于術(shù)方案，評估術(shù)中可能存在的風險,，并可在實物模型上操作,、練習手術(shù)，預(yù)演手術(shù)結(jié)果等,，從而縮短了手術(shù)時間,，提高了手術(shù)成功率。然而,，其在腹部外科中,，尤其實體腫瘤方面應(yīng)用相對較少。有文獻報道在肝,、腎腫瘤方面有初步的應(yīng)用,，但其僅僅局限于組織臟器的分割，對臟器周圍的解剖結(jié)構(gòu)缺乏全面的分析,。主要原因在于周圍血管的復(fù)雜,、臟器的變異等等使得構(gòu)建腫瘤三維重建模型的復(fù)雜性和專業(yè)性高，圖像分割建模的難度大大增加,，限制了3D打印技術(shù)的應(yīng)用,。本研究應(yīng)用Mimics軟件進行3D建模，獲取腹膜后腫瘤3D模型,，通過3D打印機打印出腫瘤模型,，探討3D打印技術(shù)在兒童腹膜后腫瘤手術(shù)規(guī)劃及醫(yī)患溝通中的應(yīng)用價值。

材料與方法
一,、研究對象
  選取2015年2月至2016年9月本院收治的11例術(shù)前經(jīng)腹部彩超及全腹增強CT診斷為腹膜后腫瘤患兒,，其巾腎母細胞瘤4例，神經(jīng)母細胞瘤3例,，腹膜后畸胎瘤4例,，均擬行腫瘤切除術(shù)。其中男4例,，女7例,，年齡12 - 65個月，平均年齡(44.9±12.3)個月,，CT檢查提示腫瘤直徑6.3- 15.8 cm,，平均(10.5+2. 7) cm。手術(shù)助手調(diào)查對象：4名從事小兒普外,、泌尿外科工作1年以上的住院醫(yī)師,。

二、設(shè)備以及軟件
    雙源64層CT機(Siemens,，Somatom Definition),，三維重建軟件：Mimics R17.0,，Magics 18.0( Materialise)，3D打印機：CONNECX 350,；SLA300,。

三、建立腹膜后腫瘤3D模型
患兒家屬簽署CT檢查同意書后行全腹部增強CT檢查,。掃描范圍：膈頂至恥骨聯(lián)合,，由頭側(cè)向足側(cè)掃描。分別采集動脈期,、靜脈期,、延遲期三項數(shù)據(jù)，掃描結(jié)束后進行薄層重建,，重建層厚0. 625 mm,、間隔0. 625 mm，取得DICOM格式的CT數(shù)據(jù),，將其導(dǎo)入Mimics R17.0軟件進行三維重建,。對增強CT的3期依次使用閾值選取、區(qū)域增長,、多層編輯修飾等技術(shù)進行三維重建,，人工去除腫瘤周圍脂肪組織，保留并重建腫瘤周圍大動脈,、靜脈,、其他鄰近臟器，區(qū)分正常組織和腫瘤組織,，對模型進行360,。全方位旋轉(zhuǎn)觀察，以顯示腫瘤部位及其與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系,。

四,、模型3D打印
模型打印采用兩種方式：①光固化成型法，將重建數(shù)據(jù)以stl格式保存導(dǎo)入到Magics軟件中,，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理,，檢查水密性無誤后，進行支撐設(shè)計,，切片處理,，將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入SLA設(shè)備進行快速光固化成型。打印完成后,，檢查模型無缺損,，采用95%酒精浸泡去除支撐，二次固化,，然后打磨,，拋光,，進行后期上色處理，最后進行烘干,。②多噴頭噴射法。將重建數(shù)據(jù)以彩色stl格式導(dǎo)入CONNECX E．DEN 350自帶軟件,，選擇合適的擺放位置,、切片厚度以及包裹方式，進行自動切片以及快速成型,。加工結(jié)束后,，應(yīng)用高壓水槍將水溶性支撐沖洗去除。

五,、滿意度調(diào)查
術(shù)前同一術(shù)者應(yīng)用3D模型與患兒家屬進行術(shù)前談話,，使其了解腫瘤及其周圍器官的解剖特點、位置,、手術(shù)方式,、手術(shù)可能出現(xiàn)的并發(fā)癥等�,；純杭覍儆诮淮�病情前后兩次回答手術(shù)相關(guān)問題（共20個問題）,，對談話效果及3D打印模型用于交流的認可度進行調(diào)查。

    術(shù)后使用滿意度調(diào)查表對4名從事小兒普外,、泌尿科工作時間1年以上的住院醫(yī)師進行調(diào)查,，內(nèi)容包括：模型對腫瘤大小、血管關(guān)系的理解是否有幫助,；模型對手術(shù)方案理解是否有幫助,；模型對減少手術(shù)并發(fā)癥是否有幫助。評分從高到低依次為1 -10分,，1分為根本沒用,，10分為非常有用。

六,、統(tǒng)計學處理
所有數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標準差(x±s)表示,，應(yīng)用統(tǒng)計學軟件SPSS19.0進行分析。對兩種不同的加工工藝的指標采用獨立樣本t檢驗進行分析,，對3D打印模型前后回答問題正確數(shù)的中位數(shù)進行對比,，采用非參數(shù)Wilcoxon秩和檢驗，以P<0. 05視為差異有統(tǒng)計學意義,。

結(jié)果
本研究中所有患兒家屬對手術(shù)安排及3D打印知情,，并同意參與這一單中心前瞻性觀察。所有患兒均接受CT掃描確診后擬行腫瘤切除術(shù),。均用軟件行數(shù)字建模后,，使用三維重建軟件和3D打印機對腫瘤模型進行分色打�,。ㄈ鐖D1，圖2）,。所有患兒家屬術(shù)前對病情特點,、手術(shù)方案及風險的了解均通過術(shù)者用患者CT資料和3D打印模型進行交流獲取，應(yīng)用3D模型交代病情后11例患兒家屬對腫瘤病變特點,、腫瘤與周圍器官血管的分布情況及手術(shù)方案的認知程度較交代病情前顯著提高(P<0. 05,，表1)。

11例患兒中,，有8例成功施行腫瘤切除術(shù),，3例患兒家屬要求轉(zhuǎn)院治療。4位初級職稱醫(yī)師認為3D打印模型精確顯示了患者腫瘤大小及周圍組織,、血管的情況,，有利于術(shù)前預(yù)知手術(shù)切除范圍、應(yīng)該規(guī)避的血管及手術(shù)的難點,，根據(jù)3D打印模型進行術(shù)前規(guī)劃對手術(shù)的幫助很大,，對3D打印模型的使用滿意度詳見表2。兩種不同的快速成型加工方法的比較,，詳見表3,。

11例患兒的3D腫瘤模型成功建立，平均耗時245 min,，模型清晰地反映了腫瘤與周圍臟器,、血管的毗鄰關(guān)系（圖1，圖2）,。

討論
一,、重建方法的區(qū)別
    目前主流的重建方法以CT設(shè)備自帶的重建模塊為基礎(chǔ)，采用多種重建方法,，比如最大密度投影,、最小密度投影等進行三維重建8。但僅僅在工作站中使用,，臨床醫(yī)生無法通過PACS在終端進行三維成像,，并對圖像進行個體化的虛擬手術(shù)預(yù)演。

商業(yè)軟件的出現(xiàn),，結(jié)合醫(yī)生的閱片經(jīng)驗,，采用多種算法結(jié)合，對瘤體以及周圍血管,、組織進行分割,，不僅可以在個人電腦巾實現(xiàn)，而且可以多方位全角度地實現(xiàn)對瘤體結(jié)構(gòu)的觀察,，并且可以模擬投影至2D斷面的解剖結(jié)構(gòu),，與此同時,，由于采用了通用的標準保存格式，可以輕松地將數(shù)字模型通過快速成型的方式轉(zhuǎn)化為實物模型,，讓醫(yī)患雙方更為直接地了解病變的程度以及解剖關(guān)系,。

二、不同3D打印技術(shù)的比較
腹膜后血管變異較多,，同時由于腫瘤的侵占,，血管以及其他組織的移位，如果對腫瘤周圍組織結(jié)構(gòu)沒有充分認識而貿(mào)然手術(shù),，將有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果,。目前對于此類模型的彩色打印主要有3種方法,，第1種,，光敏樹脂光固化成型后期上色處理，第2種石膏粉末彩色打印,，第3種多色光敏樹脂噴射打印,。有文獻報道，采用粉末粘結(jié)技術(shù)對腎臟模型進行3D打印,，雖然能反映組織的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系,，但是粉末粘結(jié)的表面顆粒感很強，而且石膏粉末成型質(zhì)硬較脆容易破損,，在本研究中被排除在外,。

本研究第1種方法選用的是高韌性的光敏樹脂，通過后期處理打磨拋光后去除臺階紋理效應(yīng),，然后進行上色處理,，最終能清晰地還原瘤體周圍解剖結(jié)構(gòu)，整個打印過程的重點在于前期數(shù)據(jù)處理,、支撐設(shè)計以及后期的支撐去除,、上色工藝等環(huán)節(jié)。但由于材料的局限性,，無法獲得對模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀認識,。不過，最大的優(yōu)勢在于費用相對低廉,。相比而言,，多色樹脂噴射打印，模型仿真度較高,，透明化處理可以讓醫(yī)患雙方清楚地觀察到模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu),，而且工藝處理簡單，但是費用相對昂貴,，臨床應(yīng)用推廣會受到很大的局限,。

三,、本技術(shù)的關(guān)鍵點
如何評價一個模型的優(yōu)劣，除了本身的加工工藝之外,，精準的圖像分割,，建模是實現(xiàn)優(yōu)秀模型的基礎(chǔ)和必要條件。只有做到精準的分割與建模,，才可能做到精準的打印,。如果分割出現(xiàn)問題，嚴重者可能導(dǎo)致整個手術(shù)方案的失敗,。盡管日前的商用醫(yī)學圖像重建軟件已經(jīng)可以做到模塊化,，但是對于軟組織的分割依然是一個難題，一方面在于組織的變異,，尤其是腹膜后組織,、血管錯綜復(fù)雜，沒有一定的臨床經(jīng)驗基礎(chǔ),，很難將血管組織結(jié)構(gòu)分割完全[17],。只有對斷層結(jié)構(gòu)有了充分的認識，形成了空間解剖結(jié)構(gòu),，才能做到分割準確,。同時，在分割過程中,，必要時結(jié)合圖譜以及多平面的交互分割,，最終確保模型分割的可靠性。

四,、模型的臨床意義
3D模型的使用使術(shù)前與患兒家屬的溝通變得容易,，患兒家屬對病情、手術(shù)方案的理解會明顯提高,。以往無論對患兒家屬如何詳細介紹CT情況或用文字方法介紹病情及手術(shù)方案,，患者的理解程度都不高。本研究結(jié)果顯示,，數(shù)字建模有利于明顯提高患兒家屬對腫瘤病變特點及手術(shù)方案的理解,，增加了醫(yī)患之間的相互理解，由于患兒家屬對腫瘤位置特點更加熟悉,，針對腫瘤切除術(shù)可能出現(xiàn)的特異性并發(fā)癥就會有所理解,，減少了醫(yī)療糾紛的發(fā)生。本研究參與調(diào)研的初級資質(zhì)醫(yī)師認為,，3D數(shù)字模型能夠精確顯示患兒腫瘤的大小及周圍組織和血管的情況,，有利于術(shù)前規(guī)劃手術(shù)切除范圍、預(yù)知應(yīng)該規(guī)避的血管及手術(shù)的難點，滿意度較高,。傳統(tǒng)的影像學資料需要術(shù)者有豐富的閱片經(jīng)驗才能達到完全了解,，而3D數(shù)字模型彌補了初級資質(zhì)外科醫(yī)師閱片經(jīng)驗的不足，從而增加了醫(yī)生對手術(shù)成功的把握,。

本研究應(yīng)用3D打印技術(shù),，將兒童腹膜后腫瘤等比例還原，清晰顯示兒童腹膜后腫瘤復(fù)雜的解剖關(guān)系,，用于手術(shù)預(yù)演以及醫(yī)患溝通,，有助于術(shù)前規(guī)劃出合理的手術(shù)方式，并可提高患兒家屬對于手術(shù)方式的認知,，有利于家屬對于治療的配合,。

編輯：南極熊
作者：段光琦  王  嘯  劉  潔  唐睿  隨幫志  王  彭
來源： 醫(yī)學空間