第一作者：周龙，王文举，李知阳
通讯作者：蔡强
其他作者：魏航宇，陈谦学，柳再明，叶晖，宋平，程利，雷盼，陈胜#
作者单位：武汉大学人民医院（湖北省人民医院），#湖北省当阳市人民医院
Zhou, L., Wang, W., Li, Z. et al. Clinical application of 3D-Slicer + 3D printing guide combined with transcranial neuroendoscopic in minimally invasive neurosurgery. Sci Rep 12, 20421 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24876-1
摘 要
随着医学科技的进步及微创理念的发展，神经外科手术也越来越向着精准与微创的方向发展，其主要目标是最大限度地切除病灶，减少并发症，并且不造成新的神经功能障碍。计算机辅助的医学图像处理软件（3D-Slicer、ITK-SNAP等）联合3D打印技术可以真实的还原出颅内病灶的形态与位置，这不仅对以解剖为基础的神经外科手术是巨大的帮助，而且通过3D打印导板还可以精准定位颅内病灶[1]，有效的避免不必要的神经损伤。近几年经颅神经内镜技术在脑出血、颅内肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉畸形及三叉神经/面神经微血管减压等手术中的创造性使用，使得神经外科微创手术迈上了新的台阶[2-6]。本临床研究通过3D-Slicer术前重建颅内病灶、利用3D打印导板术前精准定位，无需术中神经立体导航系统，就可以精准地定位颅内病灶，规划出最合理的手术入路，术中使用经颅神经内镜微创手术，清晰的显示病灶与正常脑组织、神经、血管等结构的关系，明显的减轻手术创伤及神经功能副损伤，提高手术效率及安全性，降低各种并发症的发生率。武汉大学人民医院东院神经外科在熟练使用3D-Slicer联合Sina/MosoCam术前规划技术的基础上，新开发了3D打印技术应用于术前规划，在计算机辅助医学影像技术方面积累了一定经验，现报道如下。
方 法
一般资料
本研究收集了自2021年10月至2022年2月武汉大学人民医院东院神经外科患者资料，纳入标准为幕上使用3D-Slicer重建，术前通过3D打印定位导板定位及术中使用神经内镜微创手术的患者，包括脑肿瘤、脑积水、海绵状血管瘤及慢性硬膜下血肿等。收集患者术前MRI+增强或头颈CTA、颅脑薄层CT的数据，数据格式为DICOM，术前使用3D-Slicer重建的三维图片，术前设计打印3D定位导板等资料。总共收集资料完整的患者16名，其中男性5例，女性11例，年龄46-76岁，其中脑肿瘤6例（脑膜瘤3例，胶质母细胞瘤1例，肺癌脑转移2例），海绵状血管瘤2例，脑积水7例，慢性硬膜下血肿1例。16例患者术前定位准确，术中快速到达目标区域，术后影像学资料证实肿瘤切除干净，分流管脑室端位置良好。详细临床信息见表1，略。
3D-Slicer重建模型及设计定位导板
术前定位设计手术切口及术中协助指导手术切除
图1. 金属导板可以消毒后术中使用，配合单独设计的导板，可以术中指导颅内病灶的方向及脑室系统穿刺的方向。
结 果
3D打印定位导板及经颅神经内镜技术使用
3D打印的病灶模型可以很好地反映出与正常脑组织的关系，3D打印的定位导板配合经颅神经内镜可以使手术精准及微创化。根据重建后的3D脑室系统设计的枕部侧脑室穿刺通道，在神经内镜的引导下，可以准确的将脑室腹腔分流管脑室端送达侧脑室额角的目标位置。
代表性病例介绍
病例A：患者为右侧额叶脑膜瘤病人（图A1-A3）。我们通过患者术前颅脑薄层CT数据，重建肿瘤位置并且重建肿瘤周边脑沟脑回，清晰的显示了肿瘤位于额叶中央前回前部（图A5）。根据肿瘤位置，我们设计了包含鼻根、眼眶及右侧耳廓三处体表标志的定位导板（图A6、A7），术前准确的定位出肿瘤的位置，并且设计出不同于常规手术的直切口（常规手术为“U”型切口）（图A8）。术中剪开硬脑膜即见肿瘤（图A9），并且肿瘤位于小骨窗正中间，证实定位准确，完整切除肿瘤，无任何脑组织副损伤（图A10、A11），术后颅脑CT提示肿瘤切除干净（图A4），病检示脑膜瘤（图A12），恢复良好。
图A. A1-A3：颅脑MRI增强检查提示右侧额叶占位性病变，均匀强化，边界清楚；A4：术后颅脑CT提示术后颅内病灶切除干净；A5：3D-Slicer重建的颅内病灶与中央前、后回脑组织的关系；A6-A7：通过3D打印的定位导板；A8：根据3D定位导板定位后的手术切口设计，圆圈为颅内病灶体表投影，实线直切口为改良后的小切口，直尺显示手术切口约4cm，虚线“U”型切口为常规手术切口；A9：神经内镜下剪开硬脑膜即见病灶；A10：神经内镜下见病灶切除干净，周围组织无明显副损伤；A11：完整切除的病灶；A12：术后病检。
病例B：患者为右侧丘脑肺癌脑转移病人（图B1-B4）。我们通过患者术前颅脑薄层CT数据，重建肿瘤位置并且建立肿瘤到头皮的引导通道，清晰的显示了肿瘤位于右侧丘脑（图B5、B6）。根据肿瘤位置，我们设计了定位导板（图B7、B8）及手术切口（图B9）。术中剪开硬脑膜、沿设计方向皮层造瘘后即见肿瘤（图B10），术后复查颅脑CT示肿瘤切除干净（图B11），颅骨三维重建示骨窗大小约3.5cm（图B12），病检示浸润性肺腺癌脑转移。
病例C：患者为右侧基底节区近侧脑室旁海绵状血管瘤伴出血病人（图C1-C4）。我们通过患者术前颅脑薄层CT数据，重建病灶位置，清晰的显示了病灶位于右侧基底节区近侧脑室处，我们设计经侧脑室入路切除病灶，根据上述观点建立侧脑室到头皮的引导通道（图C5、C6）。自制扩张器经设计方向扩张脑组织形成通道（图C9），经颅神经内镜沿设计通道进入侧脑室行病灶切除术（图C10-C12），完整切除术病灶（图C13）。术后复查颅脑CT示病灶切除干净（图C14），颅骨三维重建示骨窗大小约3.2cm（图C15），病检示海绵状血管瘤。
图C. C1：术前颅脑CT提示右侧基底节区近侧脑室高密度病灶；C2-C4：术前颅脑MRI提示右侧基底节区近侧脑室病灶；C5-C6：3D-Slicer重建的病灶与侧脑室之间的关系，定位导板的三维图片；C7：3D打印的定位导板；C8：根据打印的定位导板设计的手术直切口；C9-C10：术中定位的金属3D导板；C11-C13：经颅神经内镜完整切除术病灶；C14：术后颅脑CT提示病灶切除干净；C15：术后颅骨三维重建提示骨窗大小约3.2cm。
病例D：患者为交通性脑积水病人（图D1-D3）。我们通过患者术前颅脑薄层CT数据，重建脑室系统并且建立左侧脑室到头皮的引导通道，清晰的显示了侧脑室系统扩大的情况（图D4）。术前准确的定位了穿刺的位置（不同于常规的侧脑室三角区穿刺点和枕角穿刺点，即Keen’s点、Frazier’s点及Dandy’s点），我们团队称之为“蔡氏点”，并且画出穿刺方向（图D6）。术中沿穿刺方向进入神经内镜即到达侧脑室内，侧脑室脉络丛清晰可见（图D7），证实定位准确，经颅神经内镜引导下置入脑室腹腔分流管脑室端，避开脉络丛到达侧脑室额角，做到精准化可视置管（图D7）。术后复查颅脑CT示引流管位置良好（图D8、D9），患者症状缓解明显。
图D. D1-D2：术前颅脑MRI提示脑积水；D3：术前CT提示脑积水；D4：3D-Slicer重建的脑室系统及设计的穿刺通道；D5：3D打印的定位导板；D6：根据定位导板设计的手术直切口（白箭头），黑箭头为穿刺方向；D7：经颅神经内镜视角下的脉络丛集分流管脑室端；D8-D9：术后颅脑CT提示分流管位于侧脑室额角。
讨 论
在神秘的大脑中准确的找到病灶是神经外科手术成功的基础，而经颅神经内镜的使用是神经外科微创手术实施的前提。计算机辅助的医学图像引导系统已经应用于神经外科手术确定病灶位置及周围解剖关系等临床实践中，并且可以设计出进入手术视野的最佳路径。随着3D-Slicer和3D打印技术的发展，3D打印模型已被用于解剖模型和医疗植入物的定制[7,8]，如颅骨缺损修补的塑形钛板、PEEK板等修补材料，精准的3D打印模型可以帮助神经外科医生清晰地观察颅内病变与周围组织的立体空间关系，可以帮助患者及家属更好的了解病变的情况及手术的风险、促进医患沟通，而对于临床医学生来说，精准的3D打印解剖模型是目前最先进、最合适的教学解剖模型。先前的研究[7,9]，均是说明3D打印颅脑模型为模拟手术提供了良好的训练材料，有助于术前设计、经验积累和结果验证，有效提高手术效果和减少手术并发症。我们团队已经熟练使用3D-Slicer软件进行三维重建和使用Sina/MosoCam手机APP进行虚拟三维投影来进行术前规划，为了克服手机投影的失真和不稳定性，再此基础上我们的团队进一步开发3D打印定位导板技术。
近年来，经颅神经内镜技术发展迅速，在现代神经外科微创手术中得到了广泛应用。经颅神经内镜技术是一种微创手术方式，是一种有希望替代传统手术的方法，具有良好的光照、多角度视角、近距离观察等优点，该技术在高血压脑出血手术[2]、开颅动脉瘤夹闭手术[3,4]、三叉神经/面神经微血管减压手术[6]甚至是开颅脑肿瘤手术方面具有巨大的优势。有研究[10]显示，经颅神经内镜技术在脑出血手术中的血肿清除术高达90%以上，而且副损伤小，并发症少，安全有效。我们先前的研究[11]显示，经颅神经内镜微创手术清除慢性硬膜下血肿的纤维蛋白间隔后，所有患者均恢复良好，无复发；并且所有的引流管置管位置准确，没有并发症；该方法视野清晰，创伤小，可降低复发率和死亡率。经颅神经内镜的优势在三叉神经/面神经微血管减压中发挥到了极致，在我们既往的临床研究[6]中，经颅神经内经技术可以多角度抵近观察的血管和神经的关系，并且可以探查显微镜无法观察到的可疑压迫区域，所有的患者均完全采用经颅神经内镜进行微血管减压手术，并且获得了满意的效果，除部分患者术后围手术期有眩晕和呕吐外几乎没有远期并发症。当然，经颅神经内经也有缺点，经颅神经内镜是二维图像，不能提供立体的深度感知，并且存在所谓的“灯下黑”情况，即无法观察内镜后的术区，手术中可能造成脑挫裂伤等副损伤的情况。
我们目前的研究显示，对于位置表浅的病灶，我们可以做到术前精准定位，改变了既往因术前定位不准，需使用“U”形或弧形大切口的头皮切口及大骨瓣方式，而采取皮肤直切口方式直接定位病灶，明显减小了手术创伤，准确定位避免了对正常脑组织及神经纤维的不必要损伤，缩短了手术及术后康复时间。病例A为右侧额叶中央前回功能区旁浅表脑膜瘤，我们通过3D-Slicer重建及3D打印导板定位，精准定位肿瘤位置，避免了对中央前回等重要功能区的骚扰，减少了手术并发症的发生。对于位于深部或功能区的病灶，我们通过3D-Slicer重建病灶，通过3D打印模型了解与周围结构的关系，设计出了最合适的新的手术入路，通过3D打印定位导板准确定位病灶，使用经颅神经内镜技术切除病灶，做到了精准及微创。病例B和C属于深部脑功能区病灶，存在定位困难，周边解剖结构复杂、一旦损伤将导致严重后果等一系列问题。同样，我们也是术前使用3D-Slicer重建病灶及3D打印导板定位，并且通过导板指导皮层造瘘的方向，通过经颅神经内镜技术的辅助，精准、微创地狙击到了深部病灶，完成了全切手术，保护了重要的功能区。但对于深部病灶，无论是Sina/MosoCam虚拟投影还是3D打印定位技术，术中定位的精确度不可避免的会受到脑组织移位的影响[12]，这也是手术中需要严格注意的问题。病例D为交通性脑积水，通过3D-Slicer重建扩张的脑室系统，根据形态和变形的脑室系统位置设计最合适的引导穿刺通道，标记合适的头皮穿刺点（根据我们的经验，此穿刺点不同于以往的任何穿刺点，我们的团队称之为“蔡氏点”）；在手术过程中辅以神经内经技术，可以做到避开可能堵管的脉络丛并且精准置管到侧脑室额角。
综上所述，计算机辅助的医学图像处理技术联合3D打印手术模型及定位导板等先进的信息技术手段可以在神经外科手术中发挥重要的作用，而经颅神经内镜等微创神经外科手术技术的发展大大节省了手术时间，提高了手术质量。上述神经外科精准定位和微创手术技术难度不高，同时又具有设备价格不贵，操作简单、易学，定位准确及手术微创等诸多优点，被认为是切实可行、可靠、便于诊断和术前规划新技术，适合在所有医疗机构的神经外科及其他手术科室推广使用。
参考文献
第一作者简介
周龙
武汉大学人民医院（湖北省人民医院）
● 武汉大学人民医院神经外科主治医师。
● 武汉市东湖高新区紧急医学救援队成员。
● 中国民族医药学会外科分会理事。
● 获得湖北省科技进步奖三等奖1项（排名第6）；参与国家自然科学基金面上项目1项；以第一作者或共同通讯作者发表核心论文22篇，其中SCI 10篇（总IF＞40），中华系列5篇。
通讯作者简介
蔡强 教授
武汉大学人民医院（湖北省人民医院）
● 东院神经外科副主任。
● 医学博士，二级主任医师，博士生导师，博士后工作站导师，美国耶鲁大学访问学者及访问副教授。
● 一直从事临床一线工作，主要致力于颅底肿瘤、脑血管病、脑积水、三叉神经痛及面肌痉挛等的微创及神经内镜治疗。湖北省神经内镜＂领军人物＂，率先在湖北省内开展三叉神经痛、面肌痉挛、松果体区肿瘤、听神经瘤、脑膜瘤、颅脑损伤及动脉瘤的神经内镜微创治疗；同时应有神经内镜治疗垂体瘤、胶质瘤、复杂性慢性硬膜下血肿、复杂性脑积水及血管畸形等，取得良好效果，获得广大患者一致好评。
● 首创神经内镜联合钻孔引流的＂二合一＂手术治疗脑溢血，效果良好；在世界上首次完成大脑中动脉动脉瘤合并脑内血肿的神经内镜治疗；在世界上首次完成血管畸形并脑内血肿的神经内镜治疗；对脑积水的神经内镜手术入路进行优化改进，扩大了神经内镜的手术适应症。
● 获湖北省科技进步一等奖、二等奖各一项；主持国家自然科学基金面上项目2项，主持省部级项目5项，以第一作者发表SCI收录论文15篇，通讯作者1篇，其他论文十余篇。
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