3D Slicer与3D打印在脑出血微创介入治疗(钻孔引流)中的应用

（一）Abstract

随着神经外科手术水平和医疗科技水平的迅速提高，脑出血微创治疗也得到了发展，脑出血微创定位因其而更精准，脑出血手术指征也因此放宽，近年来，一些临床指南随着技术的发展得到了进一步更新，例如基底节脑出血微创手术指征即从30ml更新为20ml。

准确的定位与穿刺是脑出血微创清除术的关键。

3DSlicer是开源的医学影像视觉化和三维重建软件，由美国国家卫生院和全球开发者社群的支援下开发。通过数十年的社区迭代，功能完善且强大，通过所有人可开发分享的插件库，此软件不仅支持运行C++/Python脚本做批量处理，甚至支持影像组学特征提取（Radiomics插件）。现在其已经成为医学影像分析与科学研究方面最著名的软件项目，自1998年以来已有200多家出版物在文献中引用了3DSlicer。

（二）Background

脑出血以基底节区最为常见。其血肿钻孔引流手术以经颞为多，颞部血管丰富，靠近侧裂区，导致副损伤的可能性较大。经额钻孔引流管经过血肿的长轴，往往效果较好。但相较于颞部而言因置入位置较深，易导致偏斜，盲穿或激光定位穿刺的难度较大。立体定向相对准确，但设备造价高昂。基层医院多采用的盲穿，平均治疗效果相比于其他省内三甲较为落后，急需我们改变。

根据高血压性脑出血手术治疗中国专家共识，目前血肿定位，临床常用以下6种方式：

1、术中导航

2、建模后术中投影

3、解剖定位

4、术中超声

5、术中CT

6、经验盲穿

我院影像医学中心作为全国最先开展3D打印导板辅助放射性粒子植入项目的单位之一，积累了丰富的3D打印导板辅助介入针精准定位穿刺的经验；下面以我院一典型基底节区脑出血影像病例为例，引证3D打印模板导航辅助脑出血钻孔引流术的流程，期望介绍其低门槛、标准化的临床应用，供各位教授参考。

（三）Method

0、首先结合临床及相关检查结果，排除活动性出血、凝血障碍或其他手术禁忌症，确定符合微创手术指征。

以下使用开源免费软件3DSlicer展示。比利时Materialise公司的付费软件Mimics操作更为简单，但多数医院的神经外科或影像科难以负担，以后有机会再单独展示。

1、准备软件环境。

安装3DSlicer4.11版本，4.10有BUG。官网：https://download.slicer.org/

注意：安装路径全英文

安装完成后先打开软件

（若桌面没有快捷方式，到安装路径中打开Slicer.exe）

按CTRL+4打开插件库

搜索“Curve”，选择CurveMaker，INSTALL安装

然后重新打开软件使安装生效，这个插件接下来会用到

2、导入患者薄层图像，调整为标准OM位（外眦-外耳道中心）。

Transforms模块–CreateTransformas–勾选原始图像，在Edit里调整方位（Transform）和角度（Rotation）达到标准OM体位：

3、对血肿进行勾画、建模

3D Slicer支持多种勾画方式，血肿由于密度特性，我们通过shreshold做阈值分割，效率较高：SegmentationEditor模块–Add，添加一个蒙版，重命名为Blood，软件可自动标注为红色；

阈值范围设置45HU～99HU，看到血肿范围大致囊括后，点击Apply。然后通过Scissors剪刀工具修剪，最后用1mm做一下Smooth。

勾画完成后导出位实体（Modules）

导出后到Models模块–选中血肿实体–Information可查看血肿体积

4、颅骨、皮肤的勾画、建模（非必须）

若只做穿刺引流导板，可跳过这一步（Step4）。

步骤同上，颅骨阈值选用150HU～Max即可；皮肤-200HU～Max，以蒙版恰好覆盖全部颅脑范围为佳，注意手动剔除扫描床的背板影像。在导出Models之前，需要先removeselected-blood蒙版，否则会重复导出。

导出后的现有图层：

导出为Models后可以手动调整透明度。通览全局，思考一个大致手术方式及路线的构想。

保存工程文件（*.mrml）；对颅骨、皮肤的建模方便神经外科医生虚拟规划外科手术，如去骨瓣减压、开颅血肿清除术等。

5、生成导板毛坯

选中其中一个蒙版，使用Margin工具进行膨胀，根据粒子植入术导板经验，板子厚度低于1.5mm容易折断，因此我们按照3mm系数膨胀。

PS：这里的Modify Ohther Segment一定不要选前两个带有OverWright字样的，否则你画第二个蒙版的时候第一个画好的就会丢失

通过逻辑运算中的相减功能，Mask选中增厚的（黄色），Logic运算选择原始的（绿色），点击Apply，我们得到了新的模型，可作为紧贴皮肤表面的定位导板，删除原始皮肤（绿色）蒙版，导出导板毛坯（黄色）Modules。

修剪一下

6、设计手术方式与进针路线

不同于外周穿刺，脑实质的穿刺，尤其是硬通道，若不经脑沟裂等生理间隙，会造成正常脑实质的损伤，并相应的造成一些功能障碍。本例虚拟演示勾画一个经额叶的进针路线，避开静脉窦等重要结构，大致平行于血肿长轴，并针尖止于血肿几何中心。

7、根据手术方式生成穿刺针

在SegmentationEditor里将之前做好的导板毛坯、血肿蒙版导出为实体（Modules），删除蒙版，否则接下来容易出现内存交错的BUG

以常用的BD的18G介入穿刺针为例，直径为3mm。

我们使用Ruler工具，从皮肤（要调整一下窗宽床位），

完全显示皮肤到颅外，生成一个虚拟进针路线；

然后使用Fiducial工具，标记线段的两头。

标记后会自动生成一个叫“F”的图层

记下进针深度，制作导板后需标注清楚供神经外科医生手术参考

一个F-1到血肿中心的深度

一个F-2到血肿中心的深度

然后我们切换到之前安装的CurveMaker模块

SourcePonits选择刚刚标记点“F”

CurveModel选择CreateNewAs

首先创建穿刺针模型，命名为F_3mm，直径（Radius）选择3mm，然后点击“GenerateCurve”

我们还需生成套管模型

同理，CreateNewAs，生成“F_5mm”，然后直径改成5mm

点击“GenerateCurve”

回到Data模块

把生成的穿刺针和套管从Modules转换成蒙版

然后移动到Segmentation组里

最后关闭这些实体的显示

跟之前生成导板的步骤一样，用逻辑（布尔）运算的Subtract，在蒙版编辑器里选中F_5mm，再在逻辑运算的对象里选择F_3mm。

（即用5mm减去3mm，留下的自然是内径3mm的套管；其中管壁厚2mm，光敏树脂材料3D出来强度足够）

软件可能无响应短暂一段时间后，生成空心针道。

前后旋转一下，看看矢状位图，确保针道和导板毛坯有大部分是重合的，如果不重合那么需要重新画点、生成穿刺针道，否则打印出来是粘不住的。

没问题的话，我们可以在Segmentation里删掉工具人F_3mm；把针道F_5mm重命名为Puncture，便于识别。

8、根据穿刺针修整导板毛坯

刚刚我们为了避免内存交错，把导板毛坯（黄色）从可编辑的蒙版转换成了实体，现在我们要修整导板，需要再把它转换回蒙版：

为了避免可能出现的BUG，我们转换两次，再拖入SegmentationEditor

先右实体SkinMargin5mm，转换成Segmentation，再在生成的蒙版右键，选择Export…toModules转换回实体，再在生成的实体右键，转换成segmentation。把最后生成的蒙版拖入蒙版编辑器

最后删除中间阶段的没用的图层。隐藏实体里的导板毛坯，切换到SegmentationEditor模块，开始修整导板

在编辑器里选中黄色导板毛坯，注意别点到穿刺针去了

使用剪刀工具

，预留手术切口，如切皮、翻皮瓣、钻孔等

用橡皮擦修整针道，每一层擦干净挡住针孔的导板，再扩大一点手术范围

修剪干净，观察针孔是否畅通

最后我们再选中蓝色的针道蒙版，擦除深入皮肤内的部分

回到Data模块，把穿刺针和导板重新导出为Modules（之前创建的中间步骤，除了Ruler可以都删掉）

然后切换到MergeModels模块

融合导板和穿刺针：Models1、2分别选择导板和穿刺针；Output生成为一个新的Modules，命名为3Dguide，点击“Apply”

9、生成最终导板并保存

生成了3Dguide实体

太大了，导回蒙版编辑器里，用剪刀工具修剪到合适大小，并为手术安全着想，把鼻孔、眼睛等区域暴露出来

大致流程结束，可以点击左上角的SAVE；

全选，选择保存路径，保存好工程文件，将来方便随时修改。

另外，可以把生成的导板改成STL文件导出保存，直接发给3D打印中心去切片（建议镂空）、术前消毒。

并将之前记录的进针深度一同标注保存，不要遗漏！

（四）Discussion

　　钻孔引流术要求术前对血肿的定位准确，从而减少穿刺次数，减轻对脑组织及重要血管的损伤。准确的血肿腔3D定位决定手术成功与否和治疗效果。有大量文献指出，对于基底节区的单纯性高血压性脑出血，在30-50ml的范围内，及时的钻孔引流对预后的改善相比于其他多数治疗方式有统计学意义。

　　3D-Slicer软件作为一款医学影像后处理软件，具有如下显著优点：

　　·开源免费、操作简单，术前仅需花费10~15min即可完成建模，只要3D打印速度跟上，可以常规开展3D打印导板引导下的脑出血急诊钻孔引流术。

　　·对计算机硬件要求不高，制作此PPT时我大多数时候用的是自己的4000块钱的集显笔记本运行3D Slicer，性能孱弱，理论上说除了一些科室里老掉牙的老XP电脑，其他均可胜任。

　　·利于影像科与神经外科医生共同合作，使患者综合收益、医院经济效益同时提高。

　　比利时Materialise公司已在中国设立直属办事机构“上海玛瑞斯三维打印技术有限公司”，发起了数起知识产权侵权纠纷。Mimics主要功能3D Slicer均可完美替代。除此之外，通过插件和Pyhton脚本一键5秒抠出CTA血管模型等大量功能，效果甚至高于工作站。建议大家有兴趣学习，可显著提高工作效率。

　　中南E-3D、3D-Slicer软件分别作为国产免费、开源免费软件，不仅有大量的网络教程包括视频，也有指数增长的论文对其进行详细的介绍和教学。

以上流程中演示的导板、针道的型号、大小等系模拟参数，仅为理论流程演示。

影像科医生正式制作前应需要与神经外科医生完成充分的交流，必要时可观台完整手术，并对关键器械如建立引流通道的针或管的详细参数进行记录。

此外，范围较大的导板复位难度较大。应裁剪到适当大小

·一般导板制作考虑到准确复位，需要能有一些固定的解剖部位予以卡位，例如：鼻子、颅骨；

·条件允许的情况下避免导板覆盖活动部位，如：脖子；

最终处理完，即使仅仅拿给患者家属演示，作为手术的可视化解读也是极好的，医患沟通效率更高！

请扫描点击此网址（http://second.e3d-med.com/scene/?sceneID=7758a610-bd6f-11eb-a352-03f12c1d901a&u=12345678）或扫描右下角二维码，查看本例三维影像（没有做简化处理，文件较大，建议耐心等待加载）

导出的STL实体文件可以上传到中南E-3D，生成二维码，分享此二维码，可在任意手机、电脑上三维查看此模型

（五）Reference

·Zhang J, Li Y. 3D-printed model-guided endoscopic evacuation for basal ganglia hemorrhage. Sci Rep. 2020 Mar 23;10(1):5196. doi: 10.1038/s41598-020-62232-3. PMID: 32251343; PMCID: PMC7090061.

·杨海峰,孙跃春等. 神经内镜技术在基底节区高血压脑出血治疗中的应用[J]. 中国临床医生杂志,2015,43(07):63-64.

·Wang Q, Guo W, etc. Application of a 3D-Printed Navigation Mold in Puncture Drainage for Brainstem Hemorrhage. J Surg Res. 2020 Jan;245:99-106. doi: 10.1016/j.jss.2019.07.026. Epub 2019 Aug 12. PMID: 31415935.

·潘笛笛, 束汉生. 3D slicer在神经外科手术中的应用研究进展[J]. 中国实用神经疾病杂志,2020,23(17):1555-1560.

·徐律. 基于增强现实的计算机辅助手术规划与导航系统关键技术及实验研究[D].上海交通大学,2018.

·魏志鹏,兰彦平等. 3D-Slicer软件定位技术在脑内血肿穿刺引流术中的临床应用[J]. 中华神经创伤外科电子杂志,2020,6(4):224-228. DOI:10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2020.04.007.

·阎洪法,高新疆等. 高血压性脑出血的内外科治疗效果对比研究[J]. 脑与神经疾病杂志,1996(03):152-154.

·杜建新,张鹏等. 小骨窗开颅术和钻孔引流术治疗脑出血疗效的对比研究[J]. 中国脑血管病杂志,2004(07):292-294.

★ 此外，本PPT制作过程中得到了鹤岗人民医院神经外科曹玉福主任（3D Slicer中国社区站长）的帮助，在此感谢！

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