3D列印技術實現乳腺腫瘤的精準手術

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南京醫科大學第一附屬醫院唐金海教授帶領其團隊，致力3D列印技術對乳腺腫瘤精準手術的應用研究，並取得初步成效。本文為您剖析3D列印技術在乳腺腫瘤精準手術中的應用。

孫濤，張鶴達，李建，唐金海

在世界範圍內，乳腺癌都是常見的危及女性生命的惡性腫瘤之一，發病率不僅逐年上升，而且越來越年輕化。保乳手術及乳房重建成為年輕患者的重要選擇。但儘管現在的醫學檢查手段已比較完善，但仍不能立體表現瘤體與乳房的真實空間，比如血流來源、走向，血管徑大小，各穿支間是否存在交通支，距離乳頭乳暈的空間實際距離等情況，因此術前無法準確設計手術方案。3D列印技術的問世使攻克這一難題成為可能。南京醫科大學第一附屬醫院唐金海教授帶領其團隊，致力3D列印技術對乳腺腫瘤精準手術的應用研究，並取得初步成效。本文為您剖析3D列印技術在乳腺腫瘤精準手術中的應用。

3D列印技術，又稱快速成型技術（rapid prototyping，RP）或增材製造技術（additive manufacturing，AM），是一種以數字模型文件為基礎，應用粉末狀、液態塑料或金屬等可黏合材料，通過逐層列印方式來構造物理模型的技術。3D列印技術在國內外醫學領域案例不少，主要應用於骨科、頜面整形、肝膽、血管等學科，但鮮有將此技術應用於乳腺精確手術治療方面的報道。本文報道2例3D列印的乳腺模型製作方法、流程、術前規劃及手術方案制定的臨床應用成功案例，供同道們參考與討論。

病例1：女，60歲，發現右乳腫塊2月余，居右乳上方，約核桃大小，無疼痛感，乳頭無溢血溢液。乳腺彩超示：雙側乳腺腺體增生，右乳低回聲，BI-RADS 4C。胸部CT平掃：右乳偏外側象限稍緻密，右側腋窩淋巴結稍腫大，左側腋窩、縱隔小淋巴結；兩肺散在斑片條索影，兩下肺明顯，似炎性或陳舊性改變。乳腺MRI：似右乳癌伴右側腋窩淋巴結稍腫大；左乳增生性改變。專科檢查：雙乳對稱，雙乳頭齊平；觸及右乳外上象限一片增厚區，大小約4.3 cm×3.0 cm，增厚區中可及兩個腫塊，稍大者約2.5 cm×1.0 cm，邊界欠清，質硬，活動一般，余乳未及明顯腫塊。雙腋下未觸及明顯腫大淋巴結。

病例2：女，26歲，發現右乳腫塊半年，居右乳上方，無壓痛，無乳頭溢血、溢液。乳腺B超：右側乳腺結節，BI-RADS 4B類。乳腺MRI：右乳外上象限類圓形腫塊，BI-RADS 4b，右腋下多發腫大淋巴結，BI-RADS 4a。專科查體：雙乳發育正常，基本對稱，右乳11點方向距乳頭2 cm處可及一3cm×2 cm腫塊，質硬，界不清，可活動，不伴乳頭溢液。

2.1數據收集

2.1.1 多排CT胸部平掃 採用患者頭先進方式仰卧於檢查床上，雙手高舉抱頭，運用PHILIPS 16排螺旋CT進行掃描，掃描範圍從胸廓入口至肺底。具體參數：Kv 120，mAs 180，pitch 1.063，准直厚度1.5 mm。掃描過程中患者需要深吸氣屏住。

2.1.2 乳腺3.0T MR平掃加增強掃描 檢查設備有Siemens Trio Tim 3.0 T超導型磁共振掃描儀、Invivo乳腺專用8通道相控陣線圈，頻率123.2MHz，高壓注射器。採用患者頭先進方式俯卧於乳腺專用8通道相控陣線圈上，雙乳自然懸垂於乳腺線圈的兩個圓孔內，橫向游標與乳頭對齊進入磁體中心。依次對雙側乳腺行軸位T2-tirm、DWI、T1WI動態增強掃描，矢狀位T2WI脂肪抑制(FS)掃描。

(1)軸位T2-tirm：反轉恢復預備脈衝磁化準備的快速自旋迴波序列（turbo inversion recovery magnitude），TR/TE：5 000 ms/61 ms，FOV：340 mm×340 mm，層厚4.0 mm。

(2)軸位彌散加權成像（diffusion weighted MR imaging，DWI）：單次激發平面回波序列（single-shot echo planner imaging sequence，SS-EPI），頻率選擇脂肪抑制技術，擴散敏感因子（b值）＝50 s/mm2 和800 s/mm2 X、Y、Z 軸3個擴散方向。TR/TE：6 300 ms/88 ms，FOV：340 mm×117 mm，層厚4.0 mm。

(3)軸位T1WI動態增強掃描（1＋5）：快速小角度激發三維成像序列（3D-FLASH），加脂肪抑制，TR/TE：4.23 ms/1.57 ms，翻轉角為10°，矩陣256×256，FOV：340 mm×340 mm，層厚：0.9 mm，動態增強掃描注射造影劑前先平掃1次，平掃結束后靜脈團注造影劑（Gd-GTPA，15 ml，流速3 ml/s），繼而快速推注20 ml生理鹽水，第23 s開始增強掃描，連續無間斷掃描5次，採用并行採集，總時間為203 s。

(4)選擇性T2WI脂肪抑制（T2-FS）延遲矢狀位掃描：TR/TE：3000 ms/72 ms， 矩陣256×256，FOV：180 mm×180 mm。

2.23D重建

對獲取的MRI、CT掃描圖像均採用MITK軟體（Medical Imaging ToolKi）處理，MITK是一款開源的醫用圖像處理軟體，可以直接讀取CT、MRI等設備採集到的DICOM文件，通過對影像數據內的興趣區域進行可視化分割提取，可以計算生成並導出STL格式（STereo Lithography）的三維網格模型，圖1為三維重建處理流程圖。

圖1 三維重建處理流程

由於整個區域內包含有腺體、腫瘤、血管、皮膚、脂肪、胸廓骨骼和胸廓前壁胸肌等多種組織，並且需要使用不同的顏色進行區分，所以我們使用多分割蒙版方式來創建模型，每種組織對應一個分割蒙版，而每個分割蒙版都是由興趣體素構成的。患者的影像學檢查包含CT和MRI數據，兩次數據採集時患者的體位有所區別，所以需要事先使用Point Based Registration功能來將兩組數據進行配准。

核磁影像中的腫瘤邊緣清晰、強化明顯，使用Segmentation分割工具欄下的3D Tools中的Threshold閾值工具即可分離出腫瘤（圖2a、2d）。乳腺內部的腺體組織同樣有強化，但信號強度比腫瘤組織略低，我們使用3D Tools下的UL Threshold工具來提取腺體（圖2b、2e）。不同於Threshold僅能設定一個最低值，此工具能同時設置一個最低值和最高值，信號強度位於設定值區間內的組織都會被選中。由於乳房的有些皮膚的信號強度和乳腺類似，所以會被選擇進來，此時需要藉助2D Tools下的Subtract工具將這部分選擇區域擦除，最後僅留下腺體區域即可。皮膚、胸廓骨骼和胸廓前壁胸肌的重建方法與創建乳腺腺體的方法類似，不過為了創建更為平滑的皮膚，我們將皮膚內部完全填充為實體。

乳腺周圍的毗鄰血管組織的信號強弱不一，很難使用閾值分割工具來進行選擇，所以我們使用了3D Tools下的Region Growing工具來進行提取（圖2c、2f）。此工具允許操作者選擇影像中的一點，然後所有與該點相連並且灰階值位於設定偏差範圍內的體素都會被提取出來，所以非常適合於創建血管類結構。不過由於有些乳腺組織與血管緊鄰，分割時也會被誤選進來，此時可以使用2D Tools下的多種分割工具擦除這些誤選組織。

圖2 乳腺腫瘤、正常腺體及毗鄰血管組織的分割提取(病例1：A；病例2:B)

當所有組織的分割蒙版都被準確的建立后，其將會作為子對象數據自動存儲在影像數據下，在選中某個分割蒙版后，可以在右鍵快捷菜單中使用Create Smoothed Polygon創建三維網格模型，創建出來的三維網格模型可以通過Save保存功能將其存儲為單獨的STL模型。由於打算將皮膚做成一個可拆卸的殼裝物體，所以我們將皮膚的STL模型導入到3ds MAX軟體中，使用Shell工具為皮膚創建了一層殼。此外為了減少列印時間並方便於教學講解，我們使用3ds MAX軟體將模型進行了裁剪和切割，並手動添加了一些卡扣結構。

2.3列印和后處理流程

如圖3，將STL格式數據導入至Objet 350 Connex3 3D印表機系統后，操作步驟具體如下：

（1）檢測3D模型是否滿足列印要求；

（2）在模型滿足列印要求的情況下，對模型進行自動切片處理並評估列印耗費的材料；

（3）估算列印時間並開始列印；

（4）去除支撐物。

圖3 列印流程圖

由於血管等組織形態比較複雜，所以列印時手動添加了一些支撐物。列印完成後取出3D模型，浸泡入水大約30 min后移除支撐物，最後再次用水沖刷掉模型表面的瑣碎支撐，至此即完成3D 乳腺模型列印的整個過程。

列印材料使用多種顏色的樹脂材料，考慮到列印時間和成本，最薄列印層厚設置為0.2 mm。模型重建和列印花費的總時間大約為22 h。

2.4手術

通過3D重建和列印，我們清晰地確認了腫瘤的數目、大小、空間位置、與乳頭乳暈的空間距離，周圍毗鄰的血管的來源和走向（圖4A）。我們可以看到腫塊位於外上象限，形態不規則，範圍較大，大小約92.64 mm×37.38 mm×69.63 mm，佔位體積47.01ml，佔位體表面積213.20 mm2，乳頭到腫塊的中心距離為57.55 mm,乳頭到腫塊的最近距離為19.33 mm，最遠距離為112.49 mm，在腫塊周圍有較多的血流分支；在大腫塊的外側有一小腫塊，大小約11.0 mm×8.0 mm，形態規則，但血供豐富，兩個腫塊之間有共同的血供。圖4B中腫塊位於乳頭後方，大小約28.0 mm×25.2 mm×21.3 mm，佔位體積7.41 ml，佔位體表面積19.23 mm2，乳頭到腫塊的中心距離為33.73 mm，乳頭到腫塊的最近距離為22.16 mm，最遠距離為47.22 mm。腫塊上方有2支血管分支經過。

根據3D結果準確定位。患者在全麻下取右乳外上切口，切開皮下暴露乳腺組織，電刀遊離及剖開腺體組織，根據3D影像，可以清楚的了解腫瘤的血管分支，在血管附近緩慢剝離腺體組織，及時避開主要血管分支，沿腫瘤表面完整切除腫瘤。

圖4：重建設計圖和列印實物對比(A:病例1；B：病例2)

病例1病理結果：右乳高級別導管內癌，伴多小灶微小浸潤，最大直徑約1 mm，是否為微小浸潤或浸潤性導管癌存在爭議；右腋窩（0/15）淋巴結未見轉移癌。免疫組化示：ER(-)，PR(-)，HER-2(3+)，Ki-67(+5%)，CK7(+)。改行右乳癌改良根治術。

病例2病理結果：結節性筋膜炎。

目前B超、CT 、MRI等醫學圖像雖然能很好的顯示腫塊的位置、毗鄰結構，但仍然只是2D平面圖像。3D列印的乳腺腫瘤模型能夠更直觀地顯示解剖結構，克服了原始2D圖像無法隨意融合CT、MRI數據的缺點，可以同時清晰地呈現軟組織和骨骼等硬組織。由於3D列印的實體模型可以隨意切換視角進行觀察，方便整個治療團隊觀察和手術方案討論。此外,對於沒有醫學知識背景的患者而言，也更加容易進行術前溝通和手術方案展示。通過3D列印的模型能在手術前確定腫瘤的位置、大小以及與周圍血管的毗鄰關係，並且能夠更加精準的測定複雜外形腫瘤的體積和表面積。這對於現在倡導的精準外科具有重要的指導意義，可提高手術的成功率及減少手術所需要的時間。

雖然3D列印技術為醫學提供了一種新的影像學展示方法和治療手段，但就現階段而言，3D技術在乳腺領域乃至外科領域的應用還存在以下不足：(1)構建分割蒙版過程繁瑣。由於軟組織不同於骨骼建模，其信號強弱不等，需要大量的後期人工修補工作，尤其是血管等結構，當造影劑含量較低時，細小的血管分支往往無法重建，血管強化效果較好的數據可減少重建所需時間。（2）列印材料昂貴。3D列印材料常用的有塑料類材料和樹脂材料，但隨著技術的發展，材料的更新，列印價格也會隨之下降。（3）不同檢查影像數據融合困難。由於乳腺屬於軟組織，並且會隨著呼吸運動而上下浮動，這就給圖像融合帶來了一個巨大的難題。此外由於是基於原始醫學圖像重建而成，所以也會受到運動偽影、掃描時間、圖像信噪比低等因素的影響，對於後期圖像處理建模將會是一個巨大的挑戰。（4）無法清晰顯示真實的乳腺腺體走形和細微的血管結構。但隨著影像學技術的不斷發展，這類問題也將會隨之解決。

目前3D列印雖然處於起步階段，但隨著科學的發展，醫療的精確，患者的需求，未來3D列印技術在乳腺外科的臨床應用會有廣闊的發展空間，便於術前溝通、術前評估規劃、提高手術質量，最終達到精確醫療、個體化治療的目的。

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