【解析】3D打印技術在兒童腹膜后腫瘤手術規(guī)劃中的應用

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

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，解剖關系復雜，致使手術難度增大。
目前通過增強CT可以在斷層結構上進一步明確瘤體與周圍組織血管的解剖關系，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，更有甚者會影響術者對整個病情的判斷。如果能夠最大程度應用影像學手段明確腫瘤周圍解剖關系，對于實施個性化的于術方案具有重大意義，并且可以提高醫(yī)患溝通的效率。近年來3D打印技術和醫(yī)學影像學技術不斷發(fā)展，3D打印技術逐步應用于一些復雜手術的術前規(guī)劃及手術操作訓練中，尤其在骨科、口腔科及顱頜面外科手術中應用較多。根據(jù)患者術前的三維影像學資料，如CT、MRI等，應用3D打印技術可直接、精確地打印手術區(qū)域的解剖結構。

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

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。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，由頭側向足側掃描。分別采集動脈期、靜脈期、延遲期三項數(shù)據(jù)，掃描結束后進行薄層重建，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。全方位旋轉觀察，以顯示腫瘤部位及其與周圍結構的關系。

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格式保存導入到Magics軟件中，進行數(shù)據(jù)預處理，檢查水密性無誤后，進行支撐設計，切片處理，將切片數(shù)據(jù)導入SLA設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。加工結束后，應用高壓水槍將水溶性支撐沖洗去除。

五、滿意度調(diào)查
術前同一術者應用3D模型與患兒家屬進行術前談話，使其了解腫瘤及其周圍器官的解剖特點、位置、手術方式、手術可能出現(xiàn)的并發(fā)癥等。患兒家屬于交代病情前后兩次回答手術相關問題（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、血管關系的理解是否有幫助；模型對手術方案理解是否有幫助；模型對減少手術并發(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。

結果
本研究中所有患兒家屬對手術安排及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。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印（如圖1，圖2）。所有患兒家屬術前對病情特點、手術方案及風險的了解均通過術者用患者CT資料和3D打印模型進行交流獲取，應用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，3例患兒家屬要求轉院治療。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，有利于術前預知手術切除范圍、應該規(guī)避的血管及手術的難點，根據(jù)3D打印模型進行術前規(guī)劃對手術的幫助很大，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設備自帶的重建模塊為基礎，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預演。

商業(yè)軟件的出現(xiàn)，結合醫(yī)生的閱片經(jīng)驗，采用多種算法結合，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)對瘤體結構的觀察，并且可以模擬投影至2D斷面的解剖結構，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系。

二、不同3D打印技術的比較
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構沒有充分認識而貿(mào)然手術，將有可能產(chǎn)生災難性的后果。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，采用粉末粘結技術對腎臟模型進行3D打印，雖然能反映組織的解剖結構關系，但是粉末粘結的表面顆粒感很強，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，然后進行上色處理，最終能清晰地還原瘤體周圍解剖結構，整個打印過程的重點在于前期數(shù)據(jù)處理、支撐設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)部結構的直觀認識。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)部的結構，而且工藝處理簡單，但是費用相對昂貴，臨床應用推廣會受到很大的局限。

三、本技術的關鍵點
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，嚴重者可能導致整個手術方案的失敗。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、血管錯綜復雜，沒有一定的臨床經(jīng)驗基礎，很難將血管組織結構分割完全[17]。只有對斷層結構有了充分的認識，形成了空間解剖結構，才能做到分割準確。同時，在分割過程中，必要時結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模型的使用使術前與患兒家屬的溝通變得容易，患兒家屬對病情、手術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方案，患者的理解程度都不高。本研究結果顯示，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，有利于術前規(guī)劃手術切除范圍、預知應該規(guī)避的血管及手術的難點，滿意度較高。傳統(tǒng)的影像學資料需要術者有豐富的閱片經(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)生對手術成功的把握。

本研究應用3D打印技術，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雜的解剖關系，用于手術預演以及醫(yī)患溝通，有助于術前規(guī)劃出合理的手術方式，并可提高患兒家屬對于手術方式的認知，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