金 怡, 顧 曄, 呂宏展

(1. 東華大學(xué) 機械學(xué)院， 上海 201600； 2. 復(fù)旦大學(xué) 附屬中山醫(yī)院， 上海 200032)

0 引 言

顱腦疾病因循環(huán)、吸收障礙而致顱內(nèi)腦脊液量增加，稱其為腦積水。其癥狀為頭痛、嘔吐、視力模糊，行走不穩(wěn)、智能下降和大小便失禁等，甚至眩暈及癲癇發(fā)作。腦積水患者神經(jīng)功能障礙與腦積水嚴重程度相關(guān)，腦積水越多，其癥狀越嚴重。內(nèi)窺鏡腦底引流術(shù)是治療腦積水的新型微創(chuàng)手術(shù)，側(cè)腦室穿刺是該手術(shù)的重要環(huán)節(jié)，目前穿刺點的位置、方向完全憑醫(yī)生的手感和經(jīng)驗，對手術(shù)醫(yī)生的要求高，手術(shù)的風(fēng)險大。為了使該手術(shù)的難度和風(fēng)險降低，本文探索將3D打印技術(shù)應(yīng)用于側(cè)腦室穿刺手術(shù)，采用病人的CT斷層圖像數(shù)據(jù)經(jīng)專用的電腦軟件生成3D模型文件，并用3D打印機制作出病人的頭顱模型。同時研制出一個專用的穿刺針定位引導(dǎo)裝置，該裝置佩戴在病人的頭顱模型上，就可以在實驗室作手術(shù)前的模擬，作為教學(xué)工具幫助年輕醫(yī)生訓(xùn)練練習(xí)，盡快掌握側(cè)腦室穿刺技術(shù)。通過模擬手術(shù)，醫(yī)生已熟練掌握了穿刺點和穿刺路徑，在手術(shù)中穿刺針定位引導(dǎo)裝置作為手術(shù)時的輔助裝置，幫助手術(shù)醫(yī)生快速準確地找到穿刺點并使穿刺針沿著指定的方向，順利進入腦室底，完成手術(shù)關(guān)鍵的一步。

1 側(cè)腦室穿刺的作用

傳統(tǒng)治療腦積水的方法是腦室顱外分流術(shù)，需要打開顱骨，建立腦脊液外流的通道，將腦脊液引流到腹腔或者心房，此種方法手術(shù)時間較長、傷口大，病人住院和恢復(fù)時間也較長。并且手術(shù)中由于分流管等異物的植入，可能會導(dǎo)致顱內(nèi)或腹腔感染，一旦發(fā)生了感染，將堵塞分流管，使分流失敗[1]。在這種情況下，可能要重新打開顱骨，建立新的分流的通道，不僅病人所花費的醫(yī)療費用要增加，還要承受更多的痛苦。

內(nèi)窺鏡腦底引流術(shù)是目前治療腦積水的新型微創(chuàng)手術(shù)，尤其適合梗阻性腦積水的治療。內(nèi)窺鏡腦底引流術(shù)與傳統(tǒng)的腦積水顱外分流術(shù)相比，主要有以下優(yōu)點：沒有分流管等異物植入，可以避免顱內(nèi)或腹腔感染，更符合腦脊液循環(huán)的正常生理狀態(tài)，可以有效地維持顱內(nèi)正常的壓力平衡和腦脊液的生理功能；同時保證腦脊液流動速度均勻，不會出現(xiàn)因分流管虹吸導(dǎo)致的分流速度隨體位改變而產(chǎn)生的波動，不會產(chǎn)生腦脊液過度引流[2-6]。由于是微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)操作相對較簡單，手術(shù)時間較短(一般20 min左右)，傷口較小，病人住院和恢復(fù)時間也較短，所花費的醫(yī)療費用較低。

內(nèi)窺鏡腦底引流術(shù)關(guān)鍵的一個步驟是側(cè)腦室穿刺，它通過側(cè)腦室前角穿刺，將硬質(zhì)神經(jīng)內(nèi)窺鏡插入側(cè)腦室，建立引流通道，如圖1所示。因為該手術(shù)不打開顱骨，因而看不清顱內(nèi)的眾多神經(jīng)和血管，為了防止在穿刺中損傷腦神經(jīng)和血管，穿刺點的位置和穿刺方向需要非常精準，如果有誤差，內(nèi)窺鏡將不能到達腦底的引流區(qū)，甚至損傷腦神經(jīng)和血管，危及病人的生命和健康。

圖1 內(nèi)窺鏡插入側(cè)腦室

2 頭顱模型的制作

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層增加材料的方式，用3D打印設(shè)備來制造產(chǎn)品的技術(shù)。目前3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用，并且有著更深更廣的發(fā)展前景[7-8]。其中最有應(yīng)用價值之一的就是醫(yī)學(xué)教學(xué)模型的制作，因為人體組織的血管、神經(jīng)特別復(fù)雜，它們走向不同，粗細各異，且互相貫通，而且每個病人都存在個體差異。3D打印技術(shù)是基于材料堆積的原理，因此對處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)有較大的優(yōu)勢。

在本項目的研究中，首先對病人進行腦部CT掃描，應(yīng)用 minics軟件將病人的腦CT斷層圖像數(shù)據(jù)(圖2是其中一個CT斷層圖像數(shù)據(jù))進行濾波、二值化和輪廓提取[9-10]。經(jīng)過對每層CT斷層圖像進行矢量疊加，從而得到3D的頭顱模型，如圖3所示。由于電腦中的3D的頭顱模型是根據(jù)病人的CT斷層圖像數(shù)據(jù)生成的，是病人個體化的模型，能真實地反映病人頭顱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然后通過3D打印機，打印得到病人的頭顱模型。頭顱模型可作為術(shù)前規(guī)劃、設(shè)計的樣本[11]。

圖2 病人CT斷層圖像數(shù)據(jù)圖3 病人頭顱模型

3 現(xiàn)有定位導(dǎo)向裝置的分析比較

目前在穿刺手術(shù)時所用的定位導(dǎo)向裝置主要用于常見腫瘤的介入治療，利用定位導(dǎo)向裝置幫助確定進針點、角度和深度，避免損傷血管、神經(jīng)，提高介入技術(shù)的精確度和安全系數(shù)。常見的定位導(dǎo)向裝置有手持定位導(dǎo)向器和固定支架定位導(dǎo)向儀[12-14]。

3.1 手持定位導(dǎo)向器

手持定位導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)簡單，容易操作。手術(shù)者手持定位導(dǎo)向器如圖4所示。利用水平儀作為0°標準，轉(zhuǎn)動定位導(dǎo)向器相應(yīng)的角度，對準穿刺點進行穿刺，這種方法雖然能進行導(dǎo)向，但這個角度是在一個平面內(nèi)，人的頭部是三維的曲面，因此手持定位導(dǎo)向器對于腦部穿刺手術(shù)的輔助作用不大。

3.2 固定支架定位導(dǎo)向儀

固定支架定位導(dǎo)向儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如圖5所示。定位導(dǎo)向儀固定在支架上，支架可在三維空間作相應(yīng)的移動，以對準穿刺點；定位導(dǎo)向儀的導(dǎo)向孔也可在三維空間作角度的調(diào)整，引導(dǎo)穿刺針到達病灶。這種定位導(dǎo)向儀雖然定位導(dǎo)向比較準確，但支架笨重，操作較復(fù)雜，儀器費用昂貴，也不適合在腦穿刺手術(shù)中的應(yīng)用。

圖4 手持定位導(dǎo)向器

圖5 固定支架定位導(dǎo)向儀

4 佩戴式定位導(dǎo)向裝置的設(shè)計

通過上述比較，現(xiàn)有的定位導(dǎo)向裝置在腦穿刺手術(shù)中均有不適用之處。為此，本文根據(jù)頭部手術(shù)的特點進行針對性的設(shè)計，所設(shè)計的佩戴式定位導(dǎo)向裝置能夠較好滿足手術(shù)要求，兼具輕巧、靈便的特點，可在三維空間內(nèi)靈活調(diào)整角度，不會因病人體位的變化影響手術(shù)的順利進行。

4.1 設(shè)計原理

根據(jù)臨床側(cè)腦室穿刺常用的穿刺方法，穿刺點G在雙耳連線上，鼻中線旁2～3 cm，冠狀縫前1 cm，如圖6所示[15-16]。根據(jù)六點定位原理，限制1個物體在三維空間的3個方向的移動自由度和3個方向的轉(zhuǎn)動自由度，即可將一個物體在空間完全定位。但一般情況下，往往不需要將物體完全定位。所要設(shè)計的穿刺針定位引導(dǎo)裝置，首先需要在x和y方向移動找到G點，并固定定位；根據(jù)病人的CT圖像而生成的3D模型，手術(shù)醫(yī)生能明確穿刺通道，因此再在G點處，定位引導(dǎo)裝置需要繞x和y軸轉(zhuǎn)動某個角度，使穿刺針能沿著指定的通道進入腦底引流區(qū)。

4.2 設(shè)計要求及設(shè)計方案

本項目所設(shè)計的定位引導(dǎo)裝置一是通過機構(gòu)的設(shè)計滿足其功能要求，即引導(dǎo)穿刺針在3D空間內(nèi)調(diào)整角度與定位;二是專用于腦外科手術(shù)，和一般的機械裝置有所不同，要考慮手術(shù)的安全性，有些部件要設(shè)計成一次性使用，以免造成交叉感染。另外，還要考慮方便醫(yī)生的操作，盡可能縮短手術(shù)時間；更重要的是不能因病人的體位變化而使導(dǎo)向偏移，因此該裝置選擇頭頂佩戴的形式。

圖6 腦穿刺手術(shù)穿刺點的選擇

具體的設(shè)計方案如圖7(a)所示，在病人頭頂?shù)纳戏接幸粋€方形的支架，以實現(xiàn)穿刺針的導(dǎo)向管能沿方形支架兩邊(x軸或y軸)移動。方形支架通過頭箍佩戴在病人的頭上，穿刺操作完成后，可將頭箍從病人頭上卸下，以節(jié)省手術(shù)空間，不影響之后的手術(shù)。另外,在支架上設(shè)有可沿x軸方向移動的導(dǎo)向板，導(dǎo)向板豎直布置且可繞y軸轉(zhuǎn)動，通過量角器設(shè)定導(dǎo)向板的轉(zhuǎn)動角度，導(dǎo)向板轉(zhuǎn)動到位后，由鎖緊機構(gòu)將其位置鎖定；在導(dǎo)向板上設(shè)有可沿y軸移動的導(dǎo)向管，導(dǎo)向管的移動方向與導(dǎo)向板的移動方向相垂直，導(dǎo)向管豎直布置且可繞x軸轉(zhuǎn)動，通過量角器設(shè)定導(dǎo)向管的轉(zhuǎn)動角度，導(dǎo)向管轉(zhuǎn)動到位后，由鎖緊機構(gòu)將其位置鎖定；由于穿刺針很長，在導(dǎo)向管內(nèi)設(shè)有用于引導(dǎo)穿刺針穿入腦底的通孔；所設(shè)計的頭箍為彈性體，以適合不同病人頭圍的大??；考慮到避免病人間的交叉感染，頭箍和導(dǎo)向管設(shè)計成可脫卸，為一次性使用。尤其重要的是，該定位導(dǎo)向裝置，佩戴在病人的頭上，不會因病人的體位變化使穿刺針偏移，保證了穿刺手術(shù)的成功率。

使用時(見圖7(b))，將頭箍1佩戴在病人的頭上，將導(dǎo)向板4根據(jù)支架二側(cè)上的刻度置于中心，調(diào)整頭箍1使導(dǎo)向板4與兩耳連線AB一致；導(dǎo)向管5根據(jù)導(dǎo)向板4頂端的刻度置于中心，根據(jù)圖6所示的位置，沿y軸方向移動3 cm，這樣導(dǎo)向管5就定位在穿刺點G上；根據(jù)量角器一6和量角器二7調(diào)整導(dǎo)向管5的角度，并固定導(dǎo)向板4和導(dǎo)向管5；此時穿刺針就可通過導(dǎo)向管5上的通孔14穿入腦底引流區(qū)。

5 結(jié) 語

內(nèi)窺鏡腦底引流術(shù)是一種治療腦積水的新型微創(chuàng)手術(shù)，病人的傷口小、恢復(fù)快、治療費用低。但徒手穿刺主要依賴于操作者的空間定位感覺和對腦結(jié)構(gòu)的熟悉程度，必須要有很多年的經(jīng)驗積累，尤其是穿刺方向更難把握。由于腦室結(jié)構(gòu)的特異性或病人體位的變動，往往會使穿刺針的方向偏移，導(dǎo)致穿刺失敗，還可能造成腦的意外損傷；有時在穿刺中多次調(diào)整方向，操作次數(shù)增加，出血、感染等并發(fā)癥的風(fēng)險也隨之增加。手術(shù)的難度和潛在的風(fēng)險，使得該手術(shù)只有高年資的神經(jīng)外科醫(yī)生操作。通過應(yīng)用本項目所研制的佩戴式定位導(dǎo)向裝置及3D打印的頭顱模型，可以對穿刺手術(shù)的路徑進行勾畫和預(yù)演；同時在手術(shù)中使用佩戴式定位導(dǎo)向裝置，可以使醫(yī)生更容易找到穿刺點和把握穿刺方向，縮短手術(shù)時間，降低了手術(shù)的難度和潛在的風(fēng)險。除此之外,也方便了年輕醫(yī)生的手術(shù)模擬訓(xùn)練，使大多數(shù)醫(yī)院都能開展該微創(chuàng)手術(shù)，并且低年資神經(jīng)外科醫(yī)生也能獨立操作，這將緩解目前的看病貴看病難的問題，造福于廣大病人。

(a) 結(jié)構(gòu)

(b) 使用

圖7 佩戴式定位導(dǎo)向裝置

1-頭箍, 2-支架, 3-連桿, 4-導(dǎo)向板, 5-導(dǎo)向管, 6-量角器一, 7-量角器二, 8-導(dǎo)向槽,9-圓軸一, 10-螺母一, 11-滑槽, 12-圓軸二, 13-螺母二, 14-導(dǎo)向管通孔

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