段光琦 王 嘯 劉 潔 唐 睿 隨幫志 王 彭

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

段光琦1王 嘯1劉 潔1唐 睿1隨幫志1王 彭2

目的 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。 方法選取2015年2月至2016年9月收治的11例腹膜后腫瘤患兒的全腹部CT平掃＋增強(qiáng)DICOM格式的原始數(shù)據(jù)，使用Mimics軟件對(duì)CT圖像進(jìn)行閾值選取、區(qū)域增長(zhǎng)、模具處理、多層編輯修飾等建模過(guò)程，最終獲得完整的腫瘤3D模型，通過(guò)3D打印機(jī)打印出患兒的腫瘤模型。術(shù)前將得到的腫瘤3D模型通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析并與患兒家屬談話(huà)。采用3D模型使用情況調(diào)查表分別對(duì)患兒家屬及手術(shù)助手進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。 結(jié)果 本研究成功建立11例腹膜后腫瘤的3D模型，腫瘤與周?chē)R近臟器、血管的情況顯示清晰。其中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?；純杭覍佥^談話(huà)前對(duì)病情掌握程度明顯提高（P＜0.05），手術(shù)助手滿(mǎn)意度調(diào)查評(píng)分（9.1±1.5）分。 結(jié)論 通過(guò)3D打印出的腫瘤模型可清晰顯示兒童腹膜后腫瘤復(fù)雜的解剖關(guān)系，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，有利于增進(jìn)家屬對(duì)于治療的配合。

3D打印技術(shù)；腹膜后腫瘤；外科手術(shù)；兒童

腹膜后腫瘤（retroperitoneal tumor，RT）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［1］。在小兒惡性腫瘤中，腹膜后腫瘤僅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?。?］。由于其位置深在，且癥狀隱匿，組織學(xué)類(lèi)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［3］。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(guò)增強(qiáng)CT可以在斷層結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步明確瘤體與周?chē)M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?chē)馄赎P(guān)系，對(duì)于實(shí)施個(gè)性化的手術(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(lái)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［4－6］。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)的手術(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?chē)慕馄式Y(jié)構(gòu)缺乏全面的分析［7］。主要原因在于周?chē)艿膹?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(zhuān)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(guò)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，其中腎母細(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（江蘇舟可醫(yī)療器械科技有限公司）。

三、建立腹膜后腫瘤3D模型

患兒家屬簽署CT檢查同意書(shū)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?chē)窘M織，保留并重建腫瘤周?chē)髣?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?chē)Y(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(wú)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(wú)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 EDEN 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(mǎn)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(huà)，使其了解腫瘤及其周?chē)鞴俚慕馄侍攸c(diǎn)、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∏榍昂髢纱位卮鹗中g(shù)相關(guān)問(wèn)題（共20個(gè)問(wèn)題），對(duì)談話(huà)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(mǎn)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(méi)用，10分為非常有用。

六、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

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(guò)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?chē)鞴傺艿姆植记闆r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）。

表1 11例腹膜后腫瘤患者家屬應(yīng)用3D打印模型交代病情前后正確回答手術(shù)相關(guān)問(wèn)題結(jié)果［個(gè)，中位數(shù)（%）］Table 1 Results of correctly answering operative questions before and after history-knowing in parents of 11 RT children and after during the application of 3D printingmodel［n，median（%）］

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(chēng)醫(yī)師認(rèn)為3D打印模型精確顯示了患者腫瘤大小及周?chē)M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(mǎn)意度詳見(jiàn)表2。兩種不同的快速成型加工方法的比較，詳見(jiàn)表3。

表2 4名低年資醫(yī)師對(duì)于腫瘤3D模型的滿(mǎn)意度（分）Table 2 Satisfaction level of3D tumormodeling for 4 junior physicians（points）

表3 SLA與Polyjet兩種快速成型加工方法的比較Table 3 Comparison of two fast prototyping Methods SLA versus Polyjet

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?chē)K器、血管的毗鄰關(guān)系（圖1，圖2）。

圖1 腎母細(xì)胞瘤3D腫瘤模型圖Fig.1 Nephroblastoma illustration of3D model

圖2 神經(jīng)母細(xì)胞瘤3D腫瘤模型圖Fig.2 Neuroblastoma

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(wú)法通過(guò)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［9］。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?chē)?、組織進(jìn)行分割，不僅可以在個(gè)人電腦中實(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(guò)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［10］。

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?chē)M織結(jié)構(gòu)沒(méi)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［11］。目前對(duì)于此類(lèi)模型的彩色打印主要有3種方法，第1種，光敏樹(shù)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(shù)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［12］。本研究第1種方法選用的是高韌性的光敏樹(shù)脂，通過(guò)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?chē)馄式Y(jié)構(gòu)，整個(gè)打印過(guò)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)［13］。但由于材料的局限性，無(wú)法獲得對(duì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)。不過(guò)，最大的優(yōu)勢(shì)在于費(fèi)用相對(duì)低廉［14－15］。相比而言，多色樹(shù)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［16］。

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(wèn)題，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致整個(gè)手術(shù)方案的失敗。盡管目前的商用醫(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(méi)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(guò)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［18］。

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［19］。以往無(wú)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?chē)M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(mǎn)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。

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App lication of 3-dimensional printing in surgical planning for pediatric retroperitoneal tumor

.
Duan Guang-qi1，Wang Xiao1，Liu Jie1，Tang Rui1，Sui Bang-zhi1，Wang Peng2.1.Department of Pediatric Surgery，Gejishan Hospital，Wannan Medical College，Wuhu 241001，China；2.Jiangsu Zhouke Medical Device Technology Co.，Ltd，Nantong 226000，China.Email：duangq453＠sina.com

Objective To explore the application of 3-dimensional（3D）printing in surgical planning for pediatric retroperitoneal tumor（RT）and communication between doctor and patients.Methods From February 2015 to September 2016，11 RT children

enhanced computed tomography（CT）scanning of whole abdomen.The imaging data were saved in DICOM format.3Dmodelwas reconstructed by MIMICSsoftware by threshold，region growingmorphology operation and multi-layer edition.Meanwhile，the data ofmodel were sent to 3D printer.Finally themodel was used for surgical planning and doctor-patient communications.Questionnaire was distributed at the same time.Results Clinical3Dmodelswere successfully established by 3D printing.Based upon thesemodels，tumors，adjacent organs and vessels were distinctly delineated.With the assistance of printing models，8 cases underwent tumorectomy successfully and another 3 cases opted for hospital transfer.On average，the questionnaire results of patient satisfaction were higher than before（P＜0.05）.And the satisfaction results of surgeon assistants were 9.1±1.5 points.Conclusion Complex relationship between tumor and adjacent tissuemay be distinctly delineated by 3D printingmodels.Moreover，this technique allows for rational individualized surgical planning，improved understanding of disease and better therapeutic compliance.

3D Printing；Retroperitoneal Neoplasms；Surgical Procedures，Operative；Child

10.3969/j.issn.1671—6353.2017.05.004

皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院引進(jìn)人才科研基金（YR201403）

1.皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院小兒外科（安徽省蕪湖市，241001）；2.江蘇舟可醫(yī)療器械科技有限公司（江蘇省南通市，226000），Email：duangq453＠sina.com

2017—03—21）

本文引用格式：段光琦，王嘯，劉潔，等.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［J］.臨床小兒外科雜志，2017，16（5）：430—435.

10.3969/j.issn.1671—6353.2017.05.004.

Citing this article as：Duan GQ，Wang X，Liu J，et al.Application of 3D printing in surgical planning for pediatric retroperitoneal tumor［J］.JClin Ped Sur，2017，16（5）：430—435.DOI：10.3969/j.issn.1671—6353.2017.05.004.