3D打印导板技术在脑出血微创穿刺引流术中的应用

脑出血是神经外科的急危重症。随着精准医学理念的发展,微创血肿穿刺引流术因其简单﹑安全﹑快速﹑损伤小的优势应用越来越多。准确而安全的穿刺是保证疗效和预防并发症的关键,但是临床上因为CT定位误差﹑术者操作偏差﹑患者个体差异等因素均可引起穿刺方向﹑距离等出现偏移,导致穿刺失败。借助于数字化医学及3D生物打印技术的快速发展,笔者等利用数字化设计和3D打印技术研制个体化导板,实现了个体化的微创血肿穿刺手术。


资料与方法

一﹑一般资料

选择自滨州医学院附属医院神经外科微创穿刺手术治疗的8例脑出血患者。所有患者均为高血压脑出血,排除脑疝﹑凝血功能障碍病﹑动脉瘤﹑血管畸形。其中男6例,女2例﹔年龄33~80岁,平均55.7岁﹔发病时间2h~3d,平均14.3h﹔基底节区脑出血7例,小脑1例﹔肢体偏瘫6例,肢端麻木1例,头痛头晕伴行走不稳1例。CT示血肿量16~78mL,平均37mL。具体内容见表1。本研究取得滨州医学院附属医院伦理委员会同意及患者知情同意。

二﹑方法

建立患者头颅及血肿腔三维模型,设计穿刺杆使其沿血肿长轴恰好穿至血肿中心周围。基于引导杆,通过布尔运算获得导板,予以3D打印,在导板的辅助下穿刺血肿腔,观察进针点﹑进针距离及方向和引流管在血肿内的位置。

1.虚拟针道设计和测量：患者取仰卧位,采用高速多排螺旋CT,术前对患者头颅进行螺旋CT薄层扫描(层厚选择0.625mm)。将获得的Dicom格式图像数据存储于CD或DVD光盘,导入到Mimics17.0医用手术设计软件(比利时Materialise公司)中,导入数据过程选择无损形式,在工作界面对手术区域头皮及血肿腔进行三维图像建模。在图像工作站上进行头皮及血肿腔结构分析,设计进针点和针道,并测量虚拟的针道长度,完成数字化的手术设计(图1﹑2)。

2.血肿腔穿刺导板的设计：将图像数据输人Mimics17.0软件后打开三维重建模型,定位三维参考平面,通过软件设计最佳的进针点和穿刺针道。然后提取头皮穿刺面的形态,应用逆向工程技术设计与头皮结构相匹配的导板。将导板﹑血肿腔针道进行贴合,观察针道与穿刺点对应的准确性。

3.导板的打印：利用国产的激光快速成型打印机将导板打印出来。材料用ABS树脂制作,具有较好的强度和硬度。加工完成后,去除支撑材料,检验贴合面的光滑程度,并检查导孔﹑导槽的内径与手术前设计方案比对无误后,将导板进行体外匹配,观察针道引导孔的准确性,确认经过引导孔穿刺不会损伤颅内大血管等。随后清洗低温消毒﹑封装备手术使用。

4.穿刺手术方法：对于基底节区脑出血患者一般取额部为穿刺点,取仰卧位,消毒铺单后取额部标记的位置为穿刺点,将包装消毒好的导板与额部头皮﹑眉弓﹑鼻根等面部结构进行贴合,观察其匹配准确性,确认后开始进行引导下穿刺(图3)。对于小脑出血取横窦下方3cm旁正中处为穿刺点,穿刺点周围粘贴2枚电极贴作为Marker点,取侧卧位,将导板与枕骨粗隆﹑Marker点等结构进行贴合,根据导板提供的进钉点,切开头皮,然后在导板的导引下钻颅骨孔,建立血肿腔穿刺的针道。按测量针道宽度及长度,选择合适的穿刺管穿刺,然后连接引流袋并固定。术后复查头颅CT并进一步行尿激酶溶凝治疗。

结果

8例患者术前均成功进行计算机建模和导板设计,并进行3D打印加工﹔术中所有导板均能满意贴附于头皮表面﹔术后复查CT示穿刺引流管的头端位于血肿内显示为手术成功,未进入血肿显示为败。进入血肿腔者再分为3型：

(1)引流管头端位于血肿预测位置3mm内作为满意﹔

(2)引流管头端在血肿内但偏离预测位置3mm外作为合格﹔

(3)引流管头端在血肿内但位于边缘处作为差。结果显示8例患者进针方位均与术前设计的虚拟方案一致,无穿刺失败,未出现血管神经损伤症状(图4)。穿刺精准度满意6例,合格1例,差1例。

具体内容见表1

讨论

准确而安全的穿刺是保证脑出血手术治疗效果和预防并发症的关键。目前术中CT定位﹑计算机辅助引导﹑手术机器人辅助等是临床上较常见的手术定位系统,但它们各有利弊。术中CT定位在多数医院比较普及,设备价格便宜,但术中操作不灵活,需要反复调整穿刺,并且有射线辐射危害﹔计算机辅助引导虽然定位精确,术中可提供实时的图像支持,但价格昂贵,还需要安装定位装置﹔手术机器人是最新的术中定位手段,它克服了人手抖动缺点,定位精确,但价格极其昂贵,尚未普及。随着计算机技术的发展,数字化手术辅助定位系统被越来越多的应用于手术,术前在计算机上可以精确设计并模拟手术方案,术中辅助指导医生将设计方案完整﹑准确地实现。

3D打印技术是当今最热门的生物医学研究方向之一,通过影像技术(CT﹑MRI等)资料的辅助,应用计算机辅助设计技术虚拟出待构建体的三维结构,然后利用相应的材料逐层创建出实体,具有高精度﹑构建速度快,可实现按需制造等优势及个性化﹑精准化﹑远程化等优点,特别适合于医学领域的应用。这样数字化设计的手术方案可通过3D打印手术导板的方式予以实现。故而本研究利用数字化设计和3D打印技术研制个体化导板相结合,实现个体化的微创血肿穿刺手术。

本组8例脑出血病例中血肿位于基底节区患者选择额部为穿刺点,在此处穿刺主要是考虑到：采用仰卧位,体位容易摆放,患者舒适,额部没有颞肌阻挡,穿刺深度容易测量,术中硬膜上脑膜中动脉分支少,不易形成硬膜外血肿,特别是此处为脑的“非功能区”,血管分布较少,可避免损伤外侧裂周围血管和引起穿刺道出血,同时沿血肿长轴穿刺可以更充分引流血肿。1例小脑出血取横窦下方3cm旁正中处为穿刺点,穿刺点周围粘贴2枚电极贴Marker作为贴合时的类似骨性标记点。导板面积一般设计为4cm×4cm,厚度3~5mm,导向杆长度4~6cm,内芯直径5mm,以便准确地贴合头皮及骨性标志点,同时节省打印材料。二者融合后就完成了导板的最终设计,直接形成导板的Dicom格式文件。在Mimics17.0软件中将导板模型以STL文件格式导出,再导入3D打印设备中,应用3D打印设备进行导板的加工。

打印好的导板低温消毒后能够在手术过程中还原手术设计方案,引导术者按照术前设计顺利进行手术操作。目前加工使用的3D打印设备有熔融沉积造型﹑光固化立体造型﹑三维印刷工艺以及选择性激光烧结,材料有ABS树脂﹑光敏树脂﹑石膏﹑铝合金等。本组患者采用的是ABS树脂材料,它具有设备便宜,维护成本低,加工速度快,成型精度极高,具有一定强度等特点。8例患者经过术后CT复查,证实进针方位均与术前设计的虚拟方案一致,无穿刺失败,6例患者引流管头端位于血肿预测位置3mm内﹔1例患者引流管头端在血肿内但偏离预测位置3mm外,考虑因患者烦躁,局麻手术操作中不合作,使穿刺骨孔与引导管产生一定偏移引起﹔1例患者引流管头端在血肿内但位于边缘处,考虑患者发病3d血肿机化硬缩,导致穿刺管未完全穿透血肿,反而沿血肿边缘滑开所致。总之,数字化设计及3D打印技术应用于脑出血微创穿刺手术具有定位准确,穿刺精准的优点,为脑出血治疗领域提供了一种安全有效的治疗方案,值得临床上推广使用。

编辑：南极熊

作者：杜洪澎李珍珠李泽福李勐邵伟刘永良