用于甲状腺手术术前评估的个性化3D打印模型

摘要

本文提出了一种建立个性化3D打印模型以用于甲状腺手术术前评估的新方法。该方法有助于术前讨论，降低甲状腺手术的难度。

摘要

甲状腺癌手术区域的解剖结构复杂，术前全面且细致地评估肿瘤位置及其与包膜、气管、食管、神经和血管的关系至关重要。本文介绍了一种基于计算机断层扫描（CT）DICOM图像的创新性三维打印模型建立方法。我们为每位需要甲状腺手术的患者建立了个性化的颈部甲状腺手术区域三维打印模型，以帮助临床医生评估手术的关键点与难点，并为关键部位的手术方式选择提供依据。结果表明，该模型有助于术前讨论及手术策略的制定。特别是由于模型能够清晰显示甲状腺手术区域内喉返神经和甲状旁腺的位置，从而可在手术中避免对其造成损伤，降低甲状腺手术难度，同时减少术后甲状旁腺功能减退及喉返神经损伤相关并发症的发生率。此外，该三维打印模型直观性强，有助于术前医患沟通及知情同意书的签署。

引言

甲状腺结节是最常见的内分泌疾病之一，其中甲状腺癌占14%-21%¹。甲状腺癌的首选治疗方法是手术。然而，由于甲状腺位于颈部前方，手术区域邻近许多重要组织和器官，如甲状旁腺、气管、食管以及颈部大血管和神经^2,3，使得手术操作相对困难且风险较高。最常见的手术并发症包括因甲状旁腺损伤或误切导致的甲状旁腺功能减退，以及因喉返神经损伤引起的声嘶⁴。降低上述手术并发症的发生率一直是外科医生追求的目标。甲状腺手术前最常用的影像学方法是超声成像，但其对甲状旁腺和神经的显示能力非常有限⁵。此外，甲状腺手术区域内甲状旁腺和喉返神经的位置变异程度较高，进一步增加了识别难度^6,7。如果能够在术中通过模型实时向外科医生清晰展示每位患者的解剖结构位置，将有助于降低甲状腺手术的操作风险，减少并发症的发生，并提高手术效率。

此外，术前向患者全面解释手术过程也具有挑战性。一些经验不足的外科医生发现，很难向患者解释并传达手术的具体细节，尤其是由于甲状腺及其周围结构的复杂性。每位患者的解剖结构和个人需求都各不相同⁸。因此，基于患者真实解剖结构的个性化三维甲状腺模型能够有效帮助患者和临床医生。目前，市场上大多数产品是基于平面图批量生产的。通过利用3D打印技术制作反映每位患者个体医疗需求的特异性模型，该模型可用于评估甲状腺癌患者的实际病情，并帮助外科医生更好地向患者沟通疾病的性质。

3D打印（或称增材制造）是根据计算机辅助设计模型或数字3D模型构建的三维结构⁹。该技术已广泛应用于多个医学领域，如医疗器械、解剖模型和药物制剂¹⁰。与传统成像技术相比，3D打印模型更直观、更清晰易懂。因此，3D打印在现代外科手术中的应用日益广泛。常用的3D打印技术包括基于光固化槽的打印、基于粉末的打印、基于喷墨的打印以及基于挤出的打印¹¹。在基于光固化槽的打印中，特定波长的光照射到装有光敏树脂的容器中，逐层局部固化树脂。该技术具有节省材料和打印速度快的优点。基于粉末的打印依赖局部加热使粉末材料熔融结合，从而形成更致密的结构，但同时也显著增加了打印时间和成本，目前应用有限¹²。基于喷墨的打印通过精确喷射液滴到基底上，逐层成形。该技术最为成熟，具有材料兼容性高、成本可控以及打印速度快等优势¹³。基于挤出的打印通过喷嘴挤出溶液或悬浮液等材料，该技术可利用活细胞进行打印，因此具备最强的软组织模拟能力。由于成本较高且具有生物相容性要求，主要应用于组织工程领域，在外科器官模型中的使用相对较少¹⁴。

因此，基于甲状腺及其周围结构的复杂性以及手术安排，我们选择了"White Jet Process"打印技术。该技术结合了基于槽聚合的打印技术和基于喷墨的打印技术的优点，具有高精度、快速打印和低成本的特点，非常适合甲状腺手术的应用。本方案的目的是制作一个3D打印的甲状腺癌模型，通过提供有关患者解剖结构及变异的充分信息，改善患者的预后，并使医生和患者更好地了解与手术过程相关的所有情况。

方案

本研究无需获得实施许可，也无需患者同意使用和发表其数据，因为本研究和视频中的所有数据和信息均已匿名化处理。

1. 图像数据的采集

1. 通过增强计算机断层扫描（CT）扫描患者的甲状腺，以获取DICOM格式的图像数据。确保在手术前1周内完成此过程，并控制切片厚度不超过1 mm。

2. DICOM 数据的处理

1. 将扫描的患者图像数据导入软件（参见材料表），并根据甲状腺与周围组织或器官之间的灰度值差异设置适当的阈值。由于不同的灰度值反映了人体不同区域密度的差异，因此将软件中的灰度阈值（单位：hu）设置为226–1,500以显示骨骼图像；将阈值设置为–200–226以显示甲状腺图像。可让软件自动识别目标区域，若识别效果不理想，则可手动勾画目标区域的边界。
   注意：Mimics 软件将自动选取甲状腺区域，并采用 3D 区域增长技术进行图像分割与三维重建。同时，对三维图像进行优化，以降低表面粗糙度和阶梯感，获得自然、平滑且真实的三维数字可视化模型，便于外科医生更直观地观察三维模型。
2. 从重建的数据模型生成 STL 文件。在软件中选择已重建的模型，点击文件面板中的导出选项，并选择STL作为导出文件格式，最终成功生成 STL 文件。

3. 医学与工程学的交叉融合

1. 将重建的三维模型预览发送给医生，由医生确认三维模型的应用要求和解剖结构，并在需要修改时向建模工程师提供反馈。在收到医生的确认后，进入生产准备阶段。

4. 三维打印（补充文件1）

1. 将 STL 文件数据传输至彩色材料 3D 打印机，并通过配套的 3D 打印切片软件完成参数预设（如打印模式、切片层厚、支撑方式和模型着色）。
   1. 根据成品类型选择打印模型（彩色打印模型通常采用White Jet Process 技术，而光敏树脂通常采用Digital Light Procession）。
   2. 根据产品厚度选择切片层厚参数（此处为24 µm 至 36 µm）。
   3. 根据打印模型的精细程度选择支撑方式：整体支撑（对精细结构保护更好，损伤更小）或局部支撑（可节省材料）。
   4. 使用打印机上的调色板功能进行模型着色，统一将动脉设为红色 255，静脉设为蓝色 255。
      注意：由于肿瘤病灶等其他部分无严格标准，外科医生可根据自身需求或偏好选择颜色。
2. 在 3D 打印机中填充硬质光固化树脂（参见补充表 S1），调试打印平台，并采用 White Jet Process 技术进行打印。打印完成后，取出初步成型的甲状腺模型。
   ​注意：White Jet Process 技术基于喷墨打印原理，通过一次喷射出一层薄层光敏树脂，随后用特定波长的紫外光照射，引发光敏树脂快速发生聚合反应并固化。该过程逐层进行，直至打印完成。

5. 处理后步骤

1. 去除初步打印的甲状腺模型的支撑结构。对半成品进行打磨、上漆和固化，以获得个性化的1:1等距3D打印甲状腺模型。
   1. 去除支撑结构
      1. 佩戴手套，拆除围绕初步模型的包裹式支撑，并移除支撑结构的大部分主体部分。
      2. 将模型放入含有Ca(OH)₂碱性溶液的超声波清洗机中，清洗15分钟。
      3. 将模型放入湿式喷砂机中冲洗，直至表面残留的支撑结构被完全清除。
   2. 打磨
      1. 使用电动磨机、锉刀或砂轮对模型进行打磨。
   3. 上漆
      注：该过程包括喷涂和手工涂刷。
      1. 在模型表面的一半区域，对大面积色块进行喷漆；对小面积色块则手工涂刷清漆。
   4. 固化
      1. 将模型放入紫外固化机中，进行30秒的固化处理。
      2. 取出模型，并用95%酒精清洁。
         注：待酒精完全挥发后，制作即告完成。

6. 递送

1. 在手术前将甲状腺模型打包并完整递送给外科医生。

结果

本文介绍了一种构建患者个性化甲状腺3D打印模型的方案。 图1 展示了为患者建立个性化甲状腺三维打印模型的流程图。 图2 展示了用于患者甲状腺的个性化3D打印模型打印装置。 图3 显示用于为甲状腺患者建立个性化3D打印模型的软件界面。视频中详细展示了该界面。 图4 展示了患者个性化甲状腺3D打印模型的成品。该模型显示了同一患者3D模型的不同解剖层次和状态。左侧为去除肌肉后的甲状腺手术区域，右侧为胸锁乳突肌包裹下的甲状腺手术区域。 图5 显示了一例甲状腺癌患者的术前增强CT扫描构建的甲状腺区域完整3D打印模型。A为患者CT扫描的冠状面切片，B为横断面切片，C为矢状面切片。D为基于CT数据构建并打印的3D模型。基于CT数据，将每层横断面图像叠加以建立3D模型。与传统CT相比，该方法更具立体感和直观性，可被观察者 3...

讨论

超声检查可能是大多数接受甲状腺手术患者术前唯一的影像学检查方法¹⁵。然而，少数分化良好的病例可能已发展为晚期疾病，侵犯周围组织或器官，从而增加手术难度¹⁶。该模型可能更适用于晚期甲状腺癌患者。当疾病进展时，额外的CT扫描有助于进一步诊断。本模型基于CT扫描构建，相较于目前可获得的批量生产的甲状腺模型，能够提供更丰富的解剖和形态学信息。此外，它还能清晰显示甲状腺肿瘤与甲状腺本身之间的关系，以及甲状腺肿瘤与周围组织之间的关系。

该模型可用于在手术前预测主要的结构变化和畸形。在临床实践中，它显著提高了医生针对不同患者进行个性化手术评估的效率。外科医生的经验表明，该模型减少了手术的不可预测性，并缩短了手术时间。该模型的意义在于，通过提供有关患者自身解剖结构及其变异的充分信息，更好地理解术后结果（包括可能与手术自然过程相关的并发症），并制作出反映基于CT解剖结构的真实甲状腺模型，从而改善患者的预后。

此外，制作甲状腺癌的3D打印模型有助于患者...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 彩色打印机	Zhuhai Sina 3D Technology Co	J300PLUS	功能支持：自动优化摆放、自动模型排版、自动生成支撑、实时分层边缘切割与打印、切片导出、自定义颜色厚度、自定义摆放/缩放、工时评估、材料消耗评估、打印状态监控、剩余材料显示、更换材料和颜色、管理作业队列、全/半封闭打印、自动检测模型干涉、分层预览、缺墨自动暂停、断电续打、自动清洗喷嘴、自动通道适配、换墨、自动清洗管路、跟随铺设。可选材料范围：RGD 系列透明成型材料、RGD 系列不透明成型材料、FLX 系列柔性成型材料、类 ABS 系列成型材料、耐高温成型材料、Med 系列成型材料（一类医疗器械备案认证）、普通支撑材料、水溶性支撑材料。
Mimics 21.0 软件	Materialise, Belgium		DICOM 数据处理