金 怡, 顾 晔, 吕宏展

(1. 东华大学 机械学院， 上海 201600； 2. 复旦大学 附属中山医院， 上海 200032)

0 引 言

颅脑疾病因循环、吸收障碍而致颅内脑脊液量增加，称其为脑积水。其症状为头痛、呕吐、视力模糊，行走不稳、智能下降和大小便失禁等，甚至眩晕及癫痫发作。脑积水患者神经功能障碍与脑积水严重程度相关，脑积水越多，其症状越严重。内窥镜脑底引流术是治疗脑积水的新型微创手术，侧脑室穿刺是该手术的重要环节，目前穿刺点的位置、方向完全凭医生的手感和经验，对手术医生的要求高，手术的风险大。为了使该手术的难度和风险降低，本文探索将3D打印技术应用于侧脑室穿刺手术，采用病人的CT断层图像数据经专用的电脑软件生成3D模型文件，并用3D打印机制作出病人的头颅模型。同时研制出一个专用的穿刺针定位引导装置，该装置佩戴在病人的头颅模型上，就可以在实验室作手术前的模拟，作为教学工具帮助年轻医生训练练习，尽快掌握侧脑室穿刺技术。通过模拟手术，医生已熟练掌握了穿刺点和穿刺路径，在手术中穿刺针定位引导装置作为手术时的辅助装置，帮助手术医生快速准确地找到穿刺点并使穿刺针沿着指定的方向，顺利进入脑室底，完成手术关键的一步。

1 侧脑室穿刺的作用

传统治疗脑积水的方法是脑室颅外分流术，需要打开颅骨，建立脑脊液外流的通道，将脑脊液引流到腹腔或者心房，此种方法手术时间较长、伤口大，病人住院和恢复时间也较长。并且手术中由于分流管等异物的植入，可能会导致颅内或腹腔感染，一旦发生了感染，将堵塞分流管，使分流失败[1]。在这种情况下，可能要重新打开颅骨，建立新的分流的通道，不仅病人所花费的医疗费用要增加，还要承受更多的痛苦。

内窥镜脑底引流术是目前治疗脑积水的新型微创手术，尤其适合梗阻性脑积水的治疗。内窥镜脑底引流术与传统的脑积水颅外分流术相比，主要有以下优点：没有分流管等异物植入，可以避免颅内或腹腔感染，更符合脑脊液循环的正常生理状态，可以有效地维持颅内正常的压力平衡和脑脊液的生理功能；同时保证脑脊液流动速度均匀，不会出现因分流管虹吸导致的分流速度随体位改变而产生的波动，不会产生脑脊液过度引流[2-6]。由于是微创手术，手术操作相对较简单，手术时间较短(一般20 min左右)，伤口较小，病人住院和恢复时间也较短，所花费的医疗费用较低。

内窥镜脑底引流术关键的一个步骤是侧脑室穿刺，它通过侧脑室前角穿刺，将硬质神经内窥镜插入侧脑室，建立引流通道，如图1所示。因为该手术不打开颅骨，因而看不清颅内的众多神经和血管，为了防止在穿刺中损伤脑神经和血管，穿刺点的位置和穿刺方向需要非常精准，如果有误差，内窥镜将不能到达脑底的引流区，甚至损伤脑神经和血管，危及病人的生命和健康。

图1 内窥镜插入侧脑室

2 头颅模型的制作

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，通过逐层增加材料的方式，用3D打印设备来制造产品的技术。目前3D打印在医学领域得到迅速应用，并且有着更深更广的发展前景[7-8]。其中最有应用价值之一的就是医学教学模型的制作，因为人体组织的血管、神经特别复杂，它们走向不同，粗细各异，且互相贯通，而且每个病人都存在个体差异。3D打印技术是基于材料堆积的原理，因此对处理复杂结构有较大的优势。

在本项目的研究中，首先对病人进行脑部CT扫描，应用 minics软件将病人的脑CT断层图像数据(图2是其中一个CT断层图像数据)进行滤波、二值化和轮廓提取[9-10]。经过对每层CT断层图像进行矢量叠加，从而得到3D的头颅模型，如图3所示。由于电脑中的3D的头颅模型是根据病人的CT断层图像数据生成的，是病人个体化的模型，能真实地反映病人头颅的内部结构。然后通过3D打印机，打印得到病人的头颅模型。头颅模型可作为术前规划、设计的样本[11]。

图2 病人CT断层图像数据图3 病人头颅模型

3 现有定位导向装置的分析比较

目前在穿刺手术时所用的定位导向装置主要用于常见肿瘤的介入治疗，利用定位导向装置帮助确定进针点、角度和深度，避免损伤血管、神经，提高介入技术的精确度和安全系数。常见的定位导向装置有手持定位导向器和固定支架定位导向仪[12-14]。

3.1 手持定位导向器

手持定位导向器结构简单，容易操作。手术者手持定位导向器如图4所示。利用水平仪作为0°标准，转动定位导向器相应的角度，对准穿刺点进行穿刺，这种方法虽然能进行导向，但这个角度是在一个平面内，人的头部是三维的曲面，因此手持定位导向器对于脑部穿刺手术的辅助作用不大。

3.2 固定支架定位导向仪

固定支架定位导向仪结构较复杂，如图5所示。定位导向仪固定在支架上，支架可在三维空间作相应的移动，以对准穿刺点；定位导向仪的导向孔也可在三维空间作角度的调整，引导穿刺针到达病灶。这种定位导向仪虽然定位导向比较准确，但支架笨重，操作较复杂，仪器费用昂贵，也不适合在脑穿刺手术中的应用。

图4 手持定位导向器

图5 固定支架定位导向仪

4 佩戴式定位导向装置的设计

通过上述比较，现有的定位导向装置在脑穿刺手术中均有不适用之处。为此，本文根据头部手术的特点进行针对性的设计，所设计的佩戴式定位导向装置能够较好满足手术要求，兼具轻巧、灵便的特点，可在三维空间内灵活调整角度，不会因病人体位的变化影响手术的顺利进行。

4.1 设计原理

根据临床侧脑室穿刺常用的穿刺方法，穿刺点G在双耳连线上，鼻中线旁2～3 cm，冠状缝前1 cm，如图6所示[15-16]。根据六点定位原理，限制1个物体在三维空间的3个方向的移动自由度和3个方向的转动自由度，即可将一个物体在空间完全定位。但一般情况下，往往不需要将物体完全定位。所要设计的穿刺针定位引导装置，首先需要在x和y方向移动找到G点，并固定定位；根据病人的CT图像而生成的3D模型，手术医生能明确穿刺通道，因此再在G点处，定位引导装置需要绕x和y轴转动某个角度，使穿刺针能沿着指定的通道进入脑底引流区。

4.2 设计要求及设计方案

本项目所设计的定位引导装置一是通过机构的设计满足其功能要求，即引导穿刺针在3D空间内调整角度与定位;二是专用于脑外科手术，和一般的机械装置有所不同，要考虑手术的安全性，有些部件要设计成一次性使用，以免造成交叉感染。另外，还要考虑方便医生的操作，尽可能缩短手术时间；更重要的是不能因病人的体位变化而使导向偏移，因此该装置选择头顶佩戴的形式。

图6 脑穿刺手术穿刺点的选择

具体的设计方案如图7(a)所示，在病人头顶的上方有一个方形的支架，以实现穿刺针的导向管能沿方形支架两边(x轴或y轴)移动。方形支架通过头箍佩戴在病人的头上，穿刺操作完成后，可将头箍从病人头上卸下，以节省手术空间，不影响之后的手术。另外,在支架上设有可沿x轴方向移动的导向板，导向板竖直布置且可绕y轴转动，通过量角器设定导向板的转动角度，导向板转动到位后，由锁紧机构将其位置锁定；在导向板上设有可沿y轴移动的导向管，导向管的移动方向与导向板的移动方向相垂直，导向管竖直布置且可绕x轴转动，通过量角器设定导向管的转动角度，导向管转动到位后，由锁紧机构将其位置锁定；由于穿刺针很长，在导向管内设有用于引导穿刺针穿入脑底的通孔；所设计的头箍为弹性体，以适合不同病人头围的大小；考虑到避免病人间的交叉感染，头箍和导向管设计成可脱卸，为一次性使用。尤其重要的是，该定位导向装置，佩戴在病人的头上，不会因病人的体位变化使穿刺针偏移，保证了穿刺手术的成功率。

使用时(见图7(b))，将头箍1佩戴在病人的头上，将导向板4根据支架二侧上的刻度置于中心，调整头箍1使导向板4与两耳连线AB一致；导向管5根据导向板4顶端的刻度置于中心，根据图6所示的位置，沿y轴方向移动3 cm，这样导向管5就定位在穿刺点G上；根据量角器一6和量角器二7调整导向管5的角度，并固定导向板4和导向管5；此时穿刺针就可通过导向管5上的通孔14穿入脑底引流区。

5 结 语

内窥镜脑底引流术是一种治疗脑积水的新型微创手术，病人的伤口小、恢复快、治疗费用低。但徒手穿刺主要依赖于操作者的空间定位感觉和对脑结构的熟悉程度，必须要有很多年的经验积累，尤其是穿刺方向更难把握。由于脑室结构的特异性或病人体位的变动，往往会使穿刺针的方向偏移，导致穿刺失败，还可能造成脑的意外损伤；有时在穿刺中多次调整方向，操作次数增加，出血、感染等并发症的风险也随之增加。手术的难度和潜在的风险，使得该手术只有高年资的神经外科医生操作。通过应用本项目所研制的佩戴式定位导向装置及3D打印的头颅模型，可以对穿刺手术的路径进行勾画和预演；同时在手术中使用佩戴式定位导向装置，可以使医生更容易找到穿刺点和把握穿刺方向，缩短手术时间，降低了手术的难度和潜在的风险。除此之外,也方便了年轻医生的手术模拟训练，使大多数医院都能开展该微创手术，并且低年资神经外科医生也能独立操作，这将缓解目前的看病贵看病难的问题，造福于广大病人。

(a) 结构

(b) 使用

图7 佩戴式定位导向装置

1-头箍, 2-支架, 3-连杆, 4-导向板, 5-导向管, 6-量角器一, 7-量角器二, 8-导向槽,9-圆轴一, 10-螺母一, 11-滑槽, 12-圆轴二, 13-螺母二, 14-导向管通孔

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