【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(xué)影像學(xué)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(xùn)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(shí)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(yán)重疾病,。由于其位置深在,，且癥狀隱匿，組織學(xué)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(shí)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(qiáng)CT可以在斷層結(jié)構(gòu)上進(jìn)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(duì)影像學(xué)數(shù)據(jù)信息的理解也存在很大差異,，一定程度上會(huì)影響醫(yī)療小組的診斷,，更有甚者會(huì)影響術(shù)者對(duì)整個(gè)病情的判斷。如果能夠最大程度應(yīng)用影像學(xué)手段明確腫瘤周圍解剖關(guān)系,，對(duì)于實(shí)施個(gè)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(xué)影像學(xué)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(xùn)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(xué)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(zhǔn)確的診斷,，制定更詳細(xì)的于術(shù)方案，評(píng)估術(shù)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并可在實(shí)物模型上操作,、練習(xí)手術(shù),，預(yù)演手術(shù)結(jié)果等，從而縮短了手術(shù)時(shí)間,，提高了手術(shù)成功率,。然而，其在腹部外科中,，尤其實(shí)體腫瘤方面應(yīng)用相對(duì)較少,。有文獻(xiàn)報(bào)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(duì)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(jìn)行3D建模,，獲取腹膜后腫瘤3D模型，通過3D打印機(jī)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(jià)值,。

材料與方法
一、研究對(duì)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(qiáng)CT診斷為腹膜后腫瘤患兒,，其巾腎母細(xì)胞瘤4例,，神經(jīng)母細(xì)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(gè)月,，平均年齡(44.9±12.3)個(gè)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(duì)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(jī)(Siemens，Somatom Definition),，三維重建軟件：Mimics R17.0,，Magics 18.0( Materialise)，3D打印機(jī)：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(qiáng)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(dòng)脈期、靜脈期,、延遲期三項(xiàng)數(shù)據(jù),，掃描結(jié)束后進(jìn)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(jìn)行三維重建,。對(duì)增強(qiáng)CT的3期依次使用閾值選取,、區(qū)域增長(zhǎng)、多層編輯修飾等技術(shù)進(jìn)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(dòng)脈、靜脈,、其他鄰近臟器,，區(qū)分正常組織和腫瘤組織，對(duì)模型進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,，檢查水密性無誤后,，進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，切片處理,，將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入SLA設(shè)備進(jìn)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(jìn)行后期上色處理，最后進(jìn)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(jìn)行自動(dòng)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(jìn)行術(shù)前談話,，使其了解腫瘤及其周圍器官的解剖特點(diǎn),、位置、手術(shù)方式,、手術(shù)可能出現(xiàn)的并發(fā)癥等,。患兒家屬于交代病情前后兩次回答手術(shù)相關(guān)問題（共20個(gè)問題）,，對(duì)談話效果及3D打印模型用于交流的認(rèn)可度進(jìn)行調(diào)查,。

    術(shù)后使用滿意度調(diào)查表對(duì)4名從事小兒普外、泌尿科工作時(shí)間1年以上的住院醫(yī)師進(jìn)行調(diào)查,，內(nèi)容包括：模型對(duì)腫瘤大小,、血管關(guān)系的理解是否有幫助；模型對(duì)手術(shù)方案理解是否有幫助,；模型對(duì)減少手術(shù)并發(fā)癥是否有幫助,。評(píng)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(jì)學(xué)處理
所有數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示,，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS19.0進(jìn)行分析,。對(duì)兩種不同的加工工藝的指標(biāo)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)3D打印模型前后回答問題正確數(shù)的中位數(shù)進(jìn)行對(duì)比,，采用非參數(shù)Wilcoxon秩和檢驗(yàn),，以P<0. 05視為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果
本研究中所有患兒家屬對(duì)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(jī)對(duì)腫瘤模型進(jìn)行分色打�,。ㄈ鐖D1,，圖2）。所有患兒家屬術(shù)前對(duì)病情特點(diǎn),、手術(shù)方案及風(fēng)險(xiǎn)的了解均通過術(shù)者用患者CT資料和3D打印模型進(jìn)行交流獲取,，應(yīng)用3D模型交代病情后11例患兒家屬對(duì)腫瘤病變特點(diǎn)、腫瘤與周圍器官血管的分布情況及手術(shù)方案的認(rèn)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(jí)職稱醫(yī)師認(rèn)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(diǎn)，根據(jù)3D打印模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃對(duì)手術(shù)的幫助很大,，對(duì)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(shí)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(jìn)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(jìn)行三維成像,，并對(duì)圖像進(jìn)行個(gè)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(yàn),，采用多種算法結(jié)合,，對(duì)瘤體以及周圍血管、組織進(jìn)行分割,，不僅可以在個(gè)人電腦巾實(shí)現(xiàn),，而且可以多方位全角度地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí),，由于采用了通用的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)由于腫瘤的侵占,，血管以及其他組織的移位，如果對(duì)腫瘤周圍組織結(jié)構(gòu)沒有充分認(rèn)識(shí)而貿(mào)然手術(shù),，將有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果,。目前對(duì)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(xiàn)報(bào)道,，采用粉末粘結(jié)技術(shù)對(duì)腎臟模型進(jìn)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(qiáng),，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(tái)階紋理效應(yīng)，然后進(jìn)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(gè)打印過程的重點(diǎn)在于前期數(shù)據(jù)處理、支撐設(shè)計(jì)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(duì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí),。不過,，最大的優(yōu)勢(shì)在于費(fèi)用相對(duì)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(jiǎn)單,，但是費(fèi)用相對(duì)昂貴，臨床應(yīng)用推廣會(huì)受到很大的局限,。

三,、本技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)
如何評(píng)價(jià)一個(gè)模型的優(yōu)劣,，除了本身的加工工藝之外，精準(zhǔn)的圖像分割,，建模是實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀模型的基礎(chǔ)和必要條件,。只有做到精準(zhǔn)的分割與建模，才可能做到精準(zhǔn)的打印,。如果分割出現(xiàn)問題,，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致整個(gè)手術(shù)方案的失敗。盡管日前的商用醫(yī)學(xué)圖像重建軟件已經(jīng)可以做到模塊化,，但是對(duì)于軟組織的分割依然是一個(gè)難題,，一方面在于組織的變異，尤其是腹膜后組織,、血管錯(cuò)綜復(fù)雜,，沒有一定的臨床經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，很難將血管組織結(jié)構(gòu)分割完全[17],。只有對(duì)斷層結(jié)構(gòu)有了充分的認(rèn)識(shí),，形成了空間解剖結(jié)構(gòu)，才能做到分割準(zhǔn)確,。同時(shí),，在分割過程中，必要時(shí)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(duì)病情,、手術(shù)方案的理解會(huì)明顯提高。以往無論對(duì)患兒家屬如何詳細(xì)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(duì)腫瘤病變特點(diǎn)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(duì)腫瘤位置特點(diǎn)更加熟悉，針對(duì)腫瘤切除術(shù)可能出現(xiàn)的特異性并發(fā)癥就會(huì)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(jí)資質(zhì)醫(yī)師認(rèn)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(diǎn)，滿意度較高,。傳統(tǒng)的影像學(xué)資料需要術(shù)者有豐富的閱片經(jīng)驗(yàn)才能達(dá)到完全了解,，而3D數(shù)字模型彌補(bǔ)了初級(jí)資質(zhì)外科醫(yī)師閱片經(jīng)驗(yàn)的不足,，從而增加了醫(yī)生對(duì)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(duì)于手術(shù)方式的認(rèn)知，有利于家屬對(duì)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(xué)空間