基于3D打印技術(shù)經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石的研究進(jìn)展

姜良真 ，崔喆

1 天津市泰達(dá)醫(yī)院泌尿外科 (天津 300457)；2 天津市天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 (天津 300052)

3D打印技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件將圖像轉(zhuǎn)為可用指定材料打印的新興應(yīng)用技術(shù)，是將三維數(shù)字成像技術(shù)與連續(xù)打印(多層次)技術(shù)相結(jié)合的一種增材制造技術(shù)。與傳統(tǒng)材料加工方法不同，3D打印技術(shù)通過(guò)分層加工、連續(xù)性疊加成形的方式逐層加入打印材料最終生成3D實(shí)體模型[1]。伴隨生物制造概念的提出，3D打印技術(shù)逐漸在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且備受?chē)?guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)研究者的關(guān)注。目前，3D打印技術(shù)打印出的人體器官在反映人體解剖細(xì)節(jié)方面有了很大突破，該技術(shù)最先應(yīng)用于復(fù)雜手術(shù)的模擬操作、術(shù)前規(guī)劃等方面，如假肢定制、器官制造、解剖模型等，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在泌尿外科領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用[2]，已成為臨床醫(yī)師共同關(guān)注的熱點(diǎn)。本研究就3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的應(yīng)用現(xiàn)狀

腎結(jié)石在泌尿外科住院患者中占據(jù)首位，經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)是目前臨床處理復(fù)雜腎結(jié)石的重要治療方式，該手術(shù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)及難點(diǎn)在于成功建立經(jīng)皮腎鏡穿刺通道，穿刺通道的成功與否直接影響取石成功率[3]。臨床最常采用的建立經(jīng)皮腎鏡穿刺通道方式為借助B超定位及X線定位進(jìn)行穿刺，然而B(niǎo)超定位清晰度欠佳，而X線定位獲得的是二維圖像，缺乏立體感，因此穿刺角度不好把握，穿刺成功率難以保證[4]。

借助3D打印技術(shù)，手術(shù)醫(yī)師可獲得清晰的三維立體腎結(jié)石模型，可依據(jù)模型進(jìn)行術(shù)前多角度、多方位模擬、觀察，為成功設(shè)計(jì)出最佳穿刺通道提供了可能，使得穿刺成功率大大提高而手術(shù)并發(fā)癥顯著減少[5]。國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，借助3D打印技術(shù)可觀察到結(jié)石在腎的具體位置，施術(shù)者針對(duì)此進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃并在3D打印模型上進(jìn)行手術(shù)模擬操作，使得術(shù)中操作更加精準(zhǔn)，不僅能避開(kāi)血管，而且能迅速找到結(jié)石所在位置并進(jìn)行準(zhǔn)確處理[6]。該研究指出，3D打印技術(shù)避免了不必要的手術(shù)步驟，大大縮短了手術(shù)時(shí)間，而且顯著提高了手術(shù)成功率。研究表明，3D打印技術(shù)能夠精準(zhǔn)模擬腎臟及結(jié)石的解剖關(guān)系及其細(xì)節(jié)，可為手術(shù)規(guī)劃提供有價(jià)值的參考[7]。

魏曉松等[8]通過(guò)3D打印技術(shù)成功打印腎結(jié)石模型，并通過(guò)打印模型清晰觀察到患者的結(jié)石位置、性狀、大小等信息，以此進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃并開(kāi)展經(jīng)皮腎鏡穿刺取石手術(shù)，結(jié)果顯示全部患者均順利完成手術(shù)，且所有患者術(shù)中、術(shù)后無(wú)輸血，術(shù)后無(wú)高熱、感染、漏尿及大出血等并發(fā)癥，證實(shí)3D打印技術(shù)打印的結(jié)石模型可準(zhǔn)確反映結(jié)石與周?chē)M織的解剖關(guān)系，為術(shù)者成功開(kāi)展手術(shù)提供了保障。研究顯示，腎臟3D打印模型與患者腎臟橫徑差值平均為0.212 cm，長(zhǎng)徑差值平均為0.283 cm，結(jié)石最長(zhǎng)徑差值平均為0.244 cm，提示3D打印模型與患者的腎臟及結(jié)石的實(shí)際大小相差很小，可為術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬及術(shù)前結(jié)石定位提供準(zhǔn)確信息，為術(shù)者選擇最佳穿刺點(diǎn)及穿刺角度提供支持[9]。值得期待的是，3D打印模型已成為治療復(fù)雜腎結(jié)石的新方向，其應(yīng)用前景將異常廣闊。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)皮腎鏡腎結(jié)石的個(gè)體化治療

隨著以人為本、敬畏生命及循證醫(yī)學(xué)等理念的提出，疾病治療不但要充分尊重患者的綜合情況及其個(gè)人意愿，而且強(qiáng)調(diào)遵循循證醫(yī)學(xué)原則。臨床治療過(guò)程中要針對(duì)患者的疾病特點(diǎn)及其個(gè)體化差異，包括個(gè)性心理特征、遺傳特征、價(jià)值觀等，制定適合患者整體需求的個(gè)體化治療方案。3D打印技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)打造出患者手術(shù)區(qū)域的實(shí)體模型，以便供手術(shù)醫(yī)師對(duì)該患者的病情、機(jī)體狀況等進(jìn)行直觀、真實(shí)的觀察和分析，從而根據(jù)患者的個(gè)體化術(shù)區(qū)狀況設(shè)計(jì)手術(shù)方案，并可在實(shí)體模型上進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬操作，這不但有助于施術(shù)者模擬手術(shù)過(guò)程并熟悉手術(shù)操作步驟，而且為其評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及術(shù)后效果提供便利。研究資料顯示，同樣是腎結(jié)石，但每位患者的腎臟血管分布情況、腎集合系統(tǒng)的解剖學(xué)形態(tài)、腎臟與周?chē)K器的組織毗鄰關(guān)系，以及腎結(jié)石位置等存在較大差異[10]。因此，經(jīng)皮腎鏡穿刺碎石術(shù)的穿刺位置、手術(shù)路徑及其方法也有較大差別。而如何為每位患者設(shè)計(jì)最佳個(gè)體化手術(shù)方案極其關(guān)鍵，3D打印技術(shù)為這一現(xiàn)實(shí)需求提供了可能。夏雨[11]研究指出，3D打印技術(shù)可打印出個(gè)性化實(shí)體模型，而且能夠精準(zhǔn)顯示腎臟與其周邊器官的關(guān)系，顯示腎盂、腎動(dòng)靜脈的位置，并顯示腎蒂血管分布及結(jié)石位置，從而使得術(shù)者選擇最佳穿刺入路、精準(zhǔn)預(yù)判穿刺深度并定位目標(biāo)腎盞及穿刺點(diǎn)，同時(shí)為判斷是否需要雙通道或多通道碎石提供指導(dǎo)。

此外，3D打印技術(shù)可為醫(yī)患溝通提供便利條件。手術(shù)醫(yī)師可利用個(gè)體化3D打印模型與患者及家屬進(jìn)行術(shù)前溝通，通過(guò)向患者及家屬展示手術(shù)模擬過(guò)程及手術(shù)操作方法，有助于患者及家屬直觀了解自身病情及其手術(shù)情況，并深刻理解手術(shù)的意義極其風(fēng)險(xiǎn)[12]，這對(duì)促進(jìn)醫(yī)患交流、構(gòu)建和諧醫(yī)患關(guān)系有重要意義。

3 3D打印技術(shù)可為經(jīng)皮腎鏡手術(shù)演練及醫(yī)學(xué)教學(xué)提供實(shí)體模型

臨床教學(xué)是臨床工作的重要組成部分。目前，各醫(yī)院的輪轉(zhuǎn)住院醫(yī)師、進(jìn)修醫(yī)師、規(guī)培醫(yī)師，以及醫(yī)學(xué)生之間水平參差不齊，有些低年資醫(yī)師對(duì)傳統(tǒng)影像學(xué)資料如CT、X線片等的閱片能力有限，影響其準(zhǔn)確判斷患者病情。3D打印技術(shù)可針對(duì)不同患者進(jìn)行個(gè)體化模型打印，通過(guò)3D模型能夠清晰觀察腎結(jié)石位置及腎臟解剖形態(tài)，而且可進(jìn)行手術(shù)模擬，清晰呈現(xiàn)手術(shù)視野及手術(shù)過(guò)程。將3D打印模型應(yīng)用于經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)的臨床教學(xué)中，使得醫(yī)學(xué)生對(duì)腎結(jié)石疾病有了更加直觀、深刻的認(rèn)識(shí)，并可直觀觀察手術(shù)方法、手術(shù)步驟，有助于提高教學(xué)效果。

4 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡腎結(jié)石治療中的不足及展望

目前，3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡結(jié)石治療手術(shù)中還存在不足之處。(1)手術(shù)費(fèi)用昂貴且時(shí)間消耗很大：在醫(yī)學(xué)打印技術(shù)尚處于起步階段的今天，打印價(jià)格昂貴，為患者帶來(lái)較重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；同時(shí)，建模初期患者的腎臟三維圖像重建過(guò)程復(fù)雜，重建時(shí)間較長(zhǎng)，而且操作人員需要一定的學(xué)習(xí)時(shí)間，建模效率還有待提高。(2)打印模型的精確性依然有提高空間：信息采集時(shí)患者的體位不同，其結(jié)石與周?chē)M織位置的關(guān)系存在一定差異，因此在CT信息采集階段應(yīng)充分結(jié)合術(shù)者對(duì)體位的要求采取合適的檢查體位，以還原最真實(shí)的數(shù)據(jù)。(3)3D打印模型的打印材料還比較單一，較硬的打印材料不能較好反映人體組織器官軟組織的彈性結(jié)構(gòu)，而合適的軟性打印材料還比較缺乏；此外，3D打印模型需要專(zhuān)業(yè)操作人員，而且對(duì)操作人員要求較高，且工作效率難以提高，影響臨床推廣。

雖然3D打印技術(shù)尚存在不少局限性，但隨著研究者的不斷探索和深入研究以及人們的廣泛關(guān)注，3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡腎結(jié)石的治療中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。已有研究者開(kāi)始研究生物材料打印，旨在研究可實(shí)現(xiàn)具有生物活性及器官快速成型的新型打印材料[13]。相信隨著3D 打印技術(shù)的不斷完善和成熟，其在經(jīng)皮腎鏡腎結(jié)石及其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將發(fā)展至新的高度。

總之，3D 打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡腎結(jié)石的治療中已展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，而其應(yīng)用中的局限性也將隨著該技術(shù)的發(fā)展逐步迎刃而解。