徐 翔，于 洋，尹小青

空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院信息科(西安 710038)

漏斗胸(Pectus excavatum，PE)在臨床是一種十分常見的胸廓凹陷性畸形，通常由小兒先天發(fā)育異常所致，占胸壁畸形的87%～90%，發(fā)病率在0.1%～0.3%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示男性較女性多見，男女比約 4︰1，出生后1年內(nèi)90%患兒即有臨床表現(xiàn)，隨年齡增長逐漸加重[1-3]。臨床體征主要表現(xiàn)為胸骨及肋骨凹陷，胸骨兩側(cè)的肋軟骨組織向患者背側(cè)壓迫性彎曲，胸骨下部劍骨部分呈漏斗狀，嚴(yán)重者胸骨和肋骨壓迫限制心肺有效空間，不僅使胸腔有效容積減小，導(dǎo)致心肺受壓，繼而出現(xiàn)一系列相關(guān)呼吸系統(tǒng)癥狀，并且因?yàn)榛颊叨酁樾汉颓嗌倌辏瑫?huì)引起發(fā)育不可逆?zhèn)?，并易引起心理疾?如抑郁癥等)。有研究[4]表明，隨著“漏斗”程度的加深和時(shí)間的推移，患者心理問題日漸明顯。我院根據(jù)CT影像計(jì)算出Haller指數(shù)，把漏斗胸患者分為輕度漏斗胸(Haller指數(shù)≤3.2)、中度漏斗胸(3.23.3就可以滿足手術(shù)指征。微創(chuàng)漏斗胸矯正術(shù)(NUSS手術(shù))為首選手術(shù)方案，目前臨床主要以患者的CT影像以及胸腔鏡圖像等二維影像數(shù)據(jù)作為疾病診斷和手術(shù)方案制定的依據(jù)。傳統(tǒng)的二維影像數(shù)據(jù)在個(gè)體化定制手術(shù)方案方面有一定的局限性,手術(shù)醫(yī)生很難直觀、準(zhǔn)確地預(yù)測患者病變周圍環(huán)境及解剖結(jié)構(gòu)，增加了手術(shù)的難度，同時(shí)給患者也帶來了不可避免的風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)相結(jié)合顛覆了這種傳統(tǒng)的診療方法，為漏斗胸患者實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制治療帶來了可能，現(xiàn)已成為NUSS手術(shù)精準(zhǔn)醫(yī)療的一種方法。利用傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查數(shù)據(jù)結(jié)合3D打印新技術(shù)按照1︰1制作出患者胸廓實(shí)物模型，可以更直觀、準(zhǔn)確地了解患者病灶的解剖信息，提高了診斷效率[6]。依照3D打印模型制定手術(shù)計(jì)劃并模擬手術(shù)操作，大大增加了手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。隨著3D打印技術(shù)在骨科手術(shù)等外科手術(shù)中的不斷應(yīng)用，近年來復(fù)雜的額面部骨折、骨腫瘤、骨組織工程等骨科領(lǐng)域都有使用這一技術(shù)。本研究通過患者CT影像結(jié)合3D打印技術(shù)輔助我院胸外科優(yōu)化NUSS手術(shù)流程，探究3D打印技術(shù)在漏斗胸NUSS手術(shù)中的應(yīng)用及意義，現(xiàn)報(bào)告如下。

資料與方法

1 一般資料 選取空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院2015年 5月至2019年 10月收治的 11例漏斗胸患者。其中男8例，女3例，平均年齡(9.0±1.2)歲，胸骨平均Haller指數(shù)>4.3。病例納入標(biāo)準(zhǔn)[7]：①經(jīng) X 線、CT 檢查診斷為漏斗胸的患者；②年齡在3～20歲；③均為先天發(fā)育造成的漏斗胸患者；④患者身體情況能耐受手術(shù)，無手術(shù)禁忌證；⑤患者和家屬同意接受3D打印技術(shù)；⑥Haller指數(shù)>3.3。排除標(biāo)準(zhǔn)[8]：①同時(shí)伴有其他先天胸廓畸形者；②伴有先天性心腦血管疾病者；③伴有嚴(yán)重肝、腎功能不全者；④伴有惡性腫瘤等疾病者；⑤對(duì)塑形鋼板嚴(yán)重過敏者；⑥術(shù)后無法進(jìn)行完整隨訪者。

現(xiàn)以1例接受我院改良后的NUSS鋼板植入的患者為例，簡要介紹3D打印制作手術(shù)導(dǎo)板和植入鋼板的過程：患者，男，18歲，8年前無明顯誘因發(fā)現(xiàn)前胸壁塌陷，感乏力、胸痛等不適，無惡心、嘔吐、發(fā)熱等癥狀，給予口服鈣片行保守治療，癥狀未見好轉(zhuǎn)。來我院準(zhǔn)備進(jìn)一步治療。來院后查體：胸骨及劍突處向內(nèi)凹陷，大小約15 cm×10 cm×1.5 cm。脊柱無側(cè)彎，無前凹；雙側(cè)呼吸動(dòng)度一致，語顫無增強(qiáng)或減弱。雙肺叩診呈清音，肺肝界于右鎖骨中線上第5肋間，雙肺呼吸音清晰，未聞及干、濕啰音。從圖1中可以清晰地看出患者漏斗胸表象明顯。

入院后完善胸部正側(cè)位 X 線、胸部CT檢查(圖2)。CT報(bào)告顯示胸骨下部及劍突向內(nèi)凹陷，胸廓前后徑變短，Haller指數(shù)約5.1，心影形態(tài)位置未見明顯異常，肺紋理走行自然。

圖1 典型病例漏斗胸表象

圖2 典型病例術(shù)前X 線(A)、CT(B)檢查影像學(xué)表現(xiàn)

2 逆向工程建立胸骨模型 患者入院后完成64排CT薄層掃描，層厚0.5～1.0 mm。CT數(shù)據(jù)以DICOM 格式導(dǎo)出，使用Mimics 17.0軟件進(jìn)行醫(yī)學(xué)三維重建。Mimics 17.0軟件利用 Split Mask功能可以清晰地提取胸骨中硬質(zhì)骨骼部分，胸骨中較低密度的纖維質(zhì)軟骨將不會(huì)被選中?？梢允褂肕ultiple Slice Edit功能自帶的套索、畫筆等對(duì)模型進(jìn)行逐層編輯，去除對(duì)模型產(chǎn)生干擾的無用組織器官后進(jìn)行胸骨三維重建，重建后的模型以STL格式保存并輸出。輸出后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到后處理軟件Geomagic Wrap中，進(jìn)行表面光滑處理，以使其呈現(xiàn)最為接近患者本體的效果，最后以STL格式輸出。見圖3。

3 設(shè)計(jì)3D打印NUSS伸縮鋼板 根據(jù)重建后的三維數(shù)字胸骨模型[9-10]，使用Geomagic Wrap軟件設(shè)計(jì)3D打印NUSS伸縮鋼板。因患者受漏斗胸疾患影響，胸骨塌陷，無法通過逆向工程得到植入鋼板數(shù)據(jù)，所以筆者與我院放射科通過PACS醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)篩選出與患者年齡、身高、體重相同的正常人的CT影像數(shù)據(jù)，通過逆向工程得到植入鋼板數(shù)據(jù)以及同層面胸骨后緣到椎體前緣的距離，再通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與胸外科醫(yī)生商定鋼板植入3～4年患者可能的發(fā)育情況[11]，在鋼板伸縮部分預(yù)留出患者在矯形鋼板植入期間胸骨可能生長的大小，以保證不會(huì)因?yàn)橹踩脘摪宥拗苹颊呱L，最大限度地保證手術(shù)的效果和預(yù)防因正常生長而引起的鋼板移位[12]。利用NX 軟件(Version 10.0，USA)設(shè)計(jì)手術(shù)所需的伸縮鋼板，鋼板的伸縮結(jié)構(gòu)5 cm。鋼板一側(cè)設(shè)計(jì)為加寬和打孔結(jié)構(gòu)，以方便手術(shù)中固定鋼板。另一側(cè)無加寬，為鋼板穿過患者身體一方。見圖4。

4 3D打印方法

4.1 3D打印胸骨模型[13]：將Geomagic Wrap中最后輸出的STL格式文件導(dǎo)入切片軟件中，設(shè)置為線性支撐，打印模型壁厚1.5 mm，每層厚度0.3 mm，打印速度為45 mm/s，內(nèi)部填充系數(shù)設(shè)置為30%，使用直徑為0.4 mm擠出頭，打印溫度恒定230 ℃。通過切片軟件生成.gcode格式文件，最后將生成的切片文件導(dǎo)入我院自行開發(fā)研制的3D打印設(shè)備進(jìn)行打印。打印結(jié)束后去掉支撐并進(jìn)行表面處理。見圖5。

4.2 3D打印NUSS伸縮鋼板：將設(shè)計(jì)好的伸縮鋼板數(shù)字模型導(dǎo)出為STL格式文件并提供給合作公司，由合作公司打印并進(jìn)行后期表面打磨和熱處理，再交付我院使用。見圖6。

A、B：逐層編輯數(shù)據(jù)影像；C：無纖維質(zhì)軟骨三維重建；D：初始三維CAD 模型

A、B：通過NX設(shè)計(jì)伸縮鋼板；C、D：在患者三維胸骨上確定鋼板尺寸

5 模擬手術(shù)確定最終手術(shù)方案 通過對(duì)患者3D打印后的模型及三維重建后的三維圖片進(jìn)行分析[14]，可以得到更為直觀、全面的數(shù)據(jù)和效果，這些數(shù)據(jù)是無法從X線、CT等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)顯示得到的，通過與我院胸腔外科專家團(tuán)隊(duì)之間的術(shù)前溝通和在患者3D打印模型上的模擬手術(shù)，最后確定了患者的手術(shù)方案：在胸腔鏡引導(dǎo)下，首先手術(shù)植入點(diǎn)通過漏斗胸凹陷處的最低點(diǎn)確定兩側(cè)胸骨最高點(diǎn)的胸骨位置，然后在所確定點(diǎn)左右兩側(cè)取一長約2 cm的切口，位于腋前線與中線之間。在切口處逐層分離胸壁直達(dá)肋骨，在右側(cè)切口處利用胸腔鏡導(dǎo)入導(dǎo)向穿通器，將術(shù)前打印好的3D打印植入鋼板凸面向后通過穿通器引導(dǎo)穿過漏斗胸最低點(diǎn)，到達(dá)右側(cè)胸骨預(yù)定位置。在確定未造成其他損傷后，將矯形板翻轉(zhuǎn)180 °，胸廓矯正達(dá)到前期預(yù)設(shè)形狀[15]。植入器械完成固定，通過胸腔鏡尋找有無誤操作出血點(diǎn)，確定完成后鼓肺排氣，置入胸腔引流管，縫合切口，手術(shù)完成。見圖7。

圖5 3D打印患者胸骨模型

圖6 3D打印NUSS鋼板拉伸狀態(tài)(A)與收縮狀態(tài)(B)

A：確定手術(shù)路徑；B：在模型上模擬手術(shù)；C：在模型上預(yù)估手術(shù)效果

結(jié) 果

1 醫(yī)學(xué)影像學(xué)檢查 11例患者均行漏斗胸NUSS手術(shù)治療及3D打印手術(shù)導(dǎo)板模擬手術(shù)確定手術(shù)路徑，其中3例患者采用3D打印可伸縮鋼板植入。11名患者術(shù)后均達(dá)到了手術(shù)預(yù)期，Haller指數(shù)<2.9，體格檢查顯示恢復(fù)正常，主訴無乏力、胸痛等不適以及漏斗胸所引起的其他癥狀。術(shù)后通過CT及三維重建后的醫(yī)學(xué)影像顯示，植入后的鋼板與胸壁完全吻合，鋼板撐起了漏斗胸的凹陷最低點(diǎn)到脊柱前方的距離值，與在3D打印模型中模擬手術(shù)的效果一致[16]。見圖8。

2 患者手術(shù)前后相關(guān)指標(biāo)比較 見表1。與手術(shù)前相比，手術(shù)后“漏斗”最深點(diǎn)到脊柱前方的距離較高，Haller指數(shù)較低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.01)。

表1 患者手術(shù)前后相關(guān)指標(biāo)比較

A、B：CT影像中高亮處為3D打印伸縮鋼板；C：X線檢查可清楚看到鋼板植入位置；D：三維重建后鋼板位置

討 論

漏斗胸使用胸腔鏡引導(dǎo)下NUSS矯正術(shù)具有創(chuàng)傷小、手術(shù)時(shí)間短、術(shù)后恢復(fù)快、矯正效果好等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但是隨著NUSS 矯正術(shù)的推廣，其諸多不足一一暴露，如：①NUSS矯正術(shù)在手術(shù)操作過程中易損傷胸內(nèi)臟；②在手術(shù)過程中大范圍翻轉(zhuǎn)胸骨造成軟組織損傷；③因患者個(gè)體差異，無定制植入器械；④手術(shù)后期效果難以評(píng)估；⑤矯正鋼板植入后，因鋼板尺寸限制患者骨骼發(fā)育而未達(dá)到矯形效果，被迫二期手術(shù)取出[17]。

鑒于以上諸多不利因素，我院在原NUSS 手術(shù)基礎(chǔ)上，使用MRI、CT血管造影(CT angiography，CTA)等輔助檢查的影像學(xué)DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維人體骨骼和器官重建，針對(duì)不同患者的三維醫(yī)學(xué)指標(biāo)，利用3D打印技術(shù)制作可伸縮鋼板，改良后植入矯形鋼板，做到了個(gè)性化定制。3D打印技術(shù)改良后的NUSS矯形術(shù)相較傳統(tǒng)手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：①利用3D打印患者胸骨1︰1手術(shù)模型以指導(dǎo)手術(shù)，可以做到術(shù)前心中有數(shù)，術(shù)中避開易損器官；②不再依靠醫(yī)生個(gè)人經(jīng)驗(yàn)手工彎制矯形鋼板，而是利用3D打印技術(shù)制作的矯正鋼板，實(shí)現(xiàn)矯形植入器械的精準(zhǔn)化；③通過三維重建數(shù)字模型所制作的矯形鋼板可以預(yù)估后期矯形效果；④3D打印所設(shè)計(jì)的鋼板可以在患者體內(nèi)放置更長時(shí)間，最大限度地使矯形達(dá)到預(yù)期效果。

3D打印NUSS手術(shù)植入鋼板可依據(jù)患者CT影像得到三維數(shù)據(jù)定制個(gè)性化植入物，生物契合度高，手術(shù)中不會(huì)因個(gè)體性差異調(diào)整鋼板尺寸，鋼板更易放置，縮短了手術(shù)中固定時(shí)間，置釘成功率也隨之大大提高，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜度。筆者在制作NUSS手術(shù)植入鋼板時(shí)，不僅按照患者生長因素定制了可伸縮部分，減輕了重量，有利于胸骨生長，還定制了用來固定鋼板的契合部位，使得在手術(shù)置釘效率和成功率大大提高的同時(shí)植入后的穩(wěn)定性也得到了加強(qiáng)。手術(shù)后CT復(fù)檢顯示臨床效果滿意。3D打印技術(shù)和數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)的引入，使傳統(tǒng)的依靠醫(yī)生個(gè)人經(jīng)驗(yàn)矯形的手術(shù)實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化定制，提前做到手術(shù)方案和手術(shù)器械的“私人訂制”。在NUSS 手術(shù)矯治漏斗胸中應(yīng)用改良后的植入矯形鋼板，取得了很好的臨床治療效果。未來3D 打印技術(shù)在胸腔外科的臨床應(yīng)用會(huì)有更大的發(fā)展空間，最終達(dá)到精確醫(yī)療、個(gè)體化治療的目的。