三維打印技術(shù)在腹部外科的應(yīng)用與局限性

夏建福，袁 航，陳 浩，徐小冬，王知非，韓 亮

(1.溫州市中心醫(yī)院普通外科，浙江 溫州，325000；2.浙江省人民醫(yī)院普通外科；3.浙江中醫(yī)藥大學(xué)；4.浙江工業(yè)大學(xué))

3D打印在眾多內(nèi)外科專(zhuān)業(yè)中越來(lái)越多地被采用，主要?dú)w功于其能再現(xiàn)典型的實(shí)體器官與主要血管的幾何形狀。目前，隨著多探測(cè)器計(jì)算機(jī)斷層掃描、磁共振成像技術(shù)的發(fā)展、圖像處理的進(jìn)步，可以生成患者解剖的詳細(xì)3D模型，可支持治療前的介入計(jì)劃、患者咨詢(xún)、教學(xué)及術(shù)中指導(dǎo)。3D打印可實(shí)現(xiàn)從虛擬世界到現(xiàn)實(shí)世界的過(guò)渡，提供解剖模型的觸覺(jué)反饋，并確保在任何所需的環(huán)境中隨時(shí)可用，此外，創(chuàng)建特定患者解剖結(jié)構(gòu)的3D模型符合日益?zhèn)€性化治療，這是現(xiàn)代精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵之一。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印是新型的數(shù)字化成型技術(shù)，通過(guò)分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型或CT等數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)控制下逐層添加材料制造三維立體結(jié)構(gòu)物件，具有個(gè)性化、精準(zhǔn)化、成本效益高、生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)。美國(guó)測(cè)試和材料國(guó)際協(xié)會(huì)是一家為產(chǎn)品、材料研發(fā)、制定與發(fā)布共識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的組織，該組織按材料、固化系統(tǒng)劃分了七大類(lèi)3D打印機(jī)(表1)。

2 材料選擇

3D打印對(duì)象的預(yù)期用途決定了應(yīng)該使用什么材料。如果3D打印用于解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模型，可選擇任何材質(zhì)，以耐用性、成本低的材料為主。如果3D打印對(duì)象預(yù)期植入患者體內(nèi)，必須具有生物相容性、可滅菌的材料。用于模擬的模型應(yīng)盡其所能模擬真實(shí)組織的生物力學(xué)特性，這具有挑戰(zhàn)性，可能需要3D打印與3D打印模具的創(chuàng)建相結(jié)合，在其中可添加硅酮或其他聚合物[1]。

3 速度

3D打印早期非常耗時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，制造時(shí)間大大縮短。3D打印多適于擇期手術(shù)，對(duì)于緊急手術(shù)進(jìn)行3D打印存在一定限制。日本的一個(gè)研究小組研發(fā)了一種快速制作急性蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的腦動(dòng)脈瘤3D模型的方法[2]。他們的研究表明，制作3D模型所需的打印時(shí)間可縮短至約1 h，效果良好。這種縮短打印時(shí)間的持續(xù)努力會(huì)增加3D打印在緊急手術(shù)場(chǎng)景中的應(yīng)用及實(shí)用價(jià)值，加快臨床的應(yīng)用與效率。

4 3D打印在腹部外科中的應(yīng)用

相對(duì)頜面外科或骨科而言，3D打印在腹部外科中的使用仍然有限。主要因腹部軟組織醫(yī)學(xué)圖像處理的復(fù)雜性使得創(chuàng)建3D打印虛擬模型較困難。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的檢索，3D打印技術(shù)在腹部外科中的應(yīng)用主要集中在以下5方面。

4.1 術(shù)前計(jì)劃及術(shù)中理解 術(shù)前計(jì)劃對(duì)手術(shù)的成功至關(guān)重要。隨著術(shù)前對(duì)降低死亡率、減少手術(shù)并發(fā)癥、縮短手術(shù)時(shí)間的重視，推動(dòng)了不同手術(shù)計(jì)劃的發(fā)展[3-4]。3D打印技術(shù)使得醫(yī)生在思考手術(shù)過(guò)程、預(yù)測(cè)可能遇到的技術(shù)問(wèn)題的方式發(fā)生了顯著變化。同時(shí)，術(shù)中熟練的操作可縮短手術(shù)時(shí)間、麻醉時(shí)間，降低并發(fā)癥發(fā)生率。

在肝膽外科，3D打印肝癌肝臟模型可清晰地顯示肝內(nèi)結(jié)構(gòu)、血管與腫瘤。Huber等[5]3D打印了10例具有挑戰(zhàn)性的肝臟模型，模型包括透明實(shí)質(zhì)、肝靜脈、下腔靜脈、門(mén)靜脈、肝動(dòng)脈與腫瘤，其中7例需進(jìn)行血管重建，肝臟模型可以可視化重建血管區(qū)域，優(yōu)化手術(shù)計(jì)劃。我們團(tuán)隊(duì)采用鏤空技術(shù)1:1打印出3例復(fù)雜肝臟腫瘤的3D模型，此類(lèi)模型與肝臟結(jié)構(gòu)吻合，可直觀、全面、多角度觀察肝臟結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整模型解剖位置，確定手術(shù)切除平面，便于術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航，利于提高手術(shù)安全性、有效性[6]。確保供者與受者的安全是活體肝移植的關(guān)鍵要求。Zein等[7]首先打印了特定患者的3D肝臟模型，這些模型在長(zhǎng)度、寬度、高度、血管直徑方面與3例患者及其活體捐贈(zèng)者的肝臟具有相同的解剖、幾何標(biāo)志。這些模型可識(shí)別復(fù)雜的血管、膽道結(jié)構(gòu)，模擬術(shù)前手術(shù)操作，避免意外的手術(shù)并發(fā)癥。此外，3D打印在識(shí)別微小甚至隱形的肝臟腫瘤方面具有良好潛力，Igami等[8]打印的多層螺旋CT圖像獲得70%體積的肝模型，并將彩色染料注入肝靜脈進(jìn)行著色，以顯示結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移患者超聲無(wú)法觀察到的小腫瘤，通過(guò)手術(shù)完整切除腫瘤被證明是可行的。

在結(jié)直腸外科，人體骨盆結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣化，手術(shù)治療難度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高，術(shù)前熟悉其相關(guān)結(jié)構(gòu)非常重要。Hamabe等[9]創(chuàng)建了3D打印的盆腔模型，以提高腹腔鏡直腸癌手術(shù)中對(duì)盆腔解剖的理解，通過(guò)對(duì)骨盆復(fù)雜解剖關(guān)系的初步認(rèn)識(shí)使得手術(shù)更加安全。同樣，Garcia-Granero等[10]為便于右半結(jié)腸癌行全結(jié)腸系膜全切除術(shù)的淋巴結(jié)清掃，提出了一種用于術(shù)前規(guī)劃腸系膜上血管與回結(jié)腸血管的三維模型。術(shù)者在術(shù)前、術(shù)中觀察3D打印模型，患者成功接受腹腔鏡全結(jié)腸系膜切除術(shù)，可減少靜脈損傷、術(shù)中出血的風(fēng)險(xiǎn)。植入電極3D打印的引導(dǎo)裝置可用于骶神經(jīng)調(diào)節(jié)。Cui等[11]使用液體光聚合物打印引導(dǎo)裝置，幫助植入用于兩例頑固性便秘患者的骶神經(jīng)調(diào)節(jié)電極。根據(jù)這項(xiàng)研究，植入鍍錫電極的時(shí)間不到20 min，未見(jiàn)任何并發(fā)癥，并建立了永久性刺激。此外，應(yīng)用3D打印技術(shù)可提高對(duì)肛瘺解剖的認(rèn)識(shí)。Sahnan等[12]探索了3D打印模型的使用，以增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜肛瘺的形態(tài)、所涉及的括約肌數(shù)量的了解。3D打印出具有不同顏色的瘺道、肛門(mén)括約肌及肛提肌，可改善手術(shù)計(jì)劃。

在泌尿外科，3D打印在腎臟手術(shù)中的應(yīng)用也是目前研究與使用最廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。3D打印建立腎腫塊模型，以評(píng)估病變的復(fù)雜性、病變與腎血管、集合系統(tǒng)的關(guān)系及腫塊的可切除性。Wake等[13]的研究表明，特定患者的3D打印腎癌模型可影響手術(shù)計(jì)劃決策，包括部分或根治性腎切除、開(kāi)腹或腹腔鏡手術(shù)、后腹腔或經(jīng)腹腔入路等。一項(xiàng)研究報(bào)道了3例接受活體腎移植的患兒，采用個(gè)體化三維打印模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃與手術(shù)模擬，了解手術(shù)的可行性[14]。其他3D模型用于活體供腎移植的計(jì)劃得出相同的結(jié)論[15-17]。個(gè)性化的3D打印前列腺癌模型對(duì)于計(jì)劃保留神經(jīng)的前列腺癌切除術(shù)或前列腺癌的消融治療非常有用。Shin等[18]報(bào)道，術(shù)前3D打印的前列腺癌模型有助于外科醫(yī)生了解腫瘤與神經(jīng)血管束、前列腺的關(guān)系，從而增強(qiáng)對(duì)手術(shù)的信心。Qiu等[19]設(shè)計(jì)與研發(fā)了一種3D打印前列腺模型，高保真地展示了患者組織與器官的物理屬性，并通過(guò)集成的軟觸覺(jué)傳感器提供模擬組織的觸覺(jué)，定量測(cè)量手術(shù)工具對(duì)模型施加的壓力。該模型可用于術(shù)前規(guī)劃與排練。未來(lái)的研究可能會(huì)證明個(gè)性化3D打印腎腫瘤模型及前列腺癌模型對(duì)預(yù)后的影響。

在血管外科一項(xiàng)研究探索了3D打印制作15個(gè)腹部真性?xún)?nèi)臟動(dòng)脈瘤及相關(guān)動(dòng)脈的三維空心模型，結(jié)果顯示三維打印的模型具有較高的精度與準(zhǔn)確性[20]。開(kāi)窗支架移植物已被用于治療腹主動(dòng)脈瘤。然而，這些技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。有幾篇論文描述了3D打印主動(dòng)脈模型應(yīng)用于腹主動(dòng)脈瘤或閉塞性疾病的術(shù)前計(jì)劃、模擬或優(yōu)化開(kāi)窗支架移植物，并取得了良好的效果[21-23]。

4.2 醫(yī)師教育與培訓(xùn) 3D打印可逼真地顯示內(nèi)部器官或組織結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，外科醫(yī)生可預(yù)先觀察、預(yù)先操作具體的解剖結(jié)構(gòu)，這種教育與培訓(xùn)顯然有很多好處，包括縮短手術(shù)時(shí)間、預(yù)測(cè)術(shù)中并發(fā)癥。Kenngott等[24]設(shè)計(jì)研發(fā)可重復(fù)使用的開(kāi)源模型，結(jié)合了真實(shí)的解剖學(xué)與組織屬性，同時(shí)也可模擬氣腹，可用于腹部外科的醫(yī)學(xué)教育。復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)是外科教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。如何借助新技術(shù)提高外科教學(xué)效果，使實(shí)習(xí)生更容易記住復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，具有十分重要的意義。Chen等[25]研究了實(shí)習(xí)生對(duì)胃結(jié)腸干3D打印模型的理解，發(fā)現(xiàn)3D打印模型在教育深度、教學(xué)方法的新穎性與啟發(fā)性方面的滿(mǎn)意度均高于手術(shù)視頻，實(shí)習(xí)生希望有更多的3D打印教學(xué)時(shí)間。由于肛管的復(fù)雜性及其與肛門(mén)括約肌的關(guān)系，肛瘺是很難理解也很難教授的疾病。通過(guò)3D打印重建復(fù)雜肛瘺的形態(tài)、所涉及的括約肌數(shù)量及肛提肌，有助于實(shí)習(xí)生了解治療方案、手術(shù)成功的關(guān)鍵[12]。此外，3D打印可用于外科培訓(xùn)與實(shí)踐，以改善外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)住院醫(yī)師、初級(jí)外科醫(yī)生對(duì)外科手術(shù)的理解。Nishihara等[26]利用3D打印技術(shù)成功建立了一個(gè)用于經(jīng)腹腹膜前疝修補(bǔ)術(shù)訓(xùn)練的物理模擬器，評(píng)估15名普通外科醫(yī)生使用模型器進(jìn)行經(jīng)腹腹膜前疝修補(bǔ)術(shù)訓(xùn)練的感受，參與者強(qiáng)烈同意該模型對(duì)經(jīng)腹腹膜前疝修補(bǔ)術(shù)培訓(xùn)與教育非常有用。我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)3D打印腹腔鏡抗反流手術(shù)實(shí)驗(yàn)室模型，結(jié)果該模型整體印象評(píng)分、仿真度評(píng)分、實(shí)用性評(píng)分、觸覺(jué)評(píng)分、美學(xué)評(píng)分及客觀結(jié)構(gòu)化臨床技能評(píng)估評(píng)分優(yōu)勢(shì)明顯，有助于縮短學(xué)習(xí)曲線(xiàn)[27]。

4.3 患者咨詢(xún)及教育 患者對(duì)自己的醫(yī)療狀況與治療滿(mǎn)意度的了解已越來(lái)越受到醫(yī)學(xué)界的重視。3D打印除增強(qiáng)患者對(duì)手術(shù)計(jì)劃的理解，也可提高患者對(duì)預(yù)期結(jié)果、相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。Sahnan等[12]通過(guò)3D打印出具有不同顏色的瘺道、肛門(mén)括約肌及肛提肌，術(shù)前與患者進(jìn)行溝通，解答患者的疑問(wèn)，增加患者對(duì)手術(shù)技術(shù)方面的理解，可改善醫(yī)患關(guān)系。Tominaga等[28]通過(guò)3D打印造口模型對(duì)5例直腸癌或復(fù)發(fā)性結(jié)腸癌術(shù)后造口的患者進(jìn)行教育，結(jié)果提高了患者對(duì)日常造口護(hù)理的理解，并減少了掌握此技能所需的時(shí)間。

4.4 外科手術(shù)設(shè)備的應(yīng)用 幾家醫(yī)療機(jī)構(gòu)已成功制造并應(yīng)用3D打印手術(shù)器械，包括手術(shù)刀、針頭驅(qū)動(dòng)器、牽引器、組織鉗、止血器，已用于泌尿外科及腫瘤切除術(shù)[29-31]。在一項(xiàng)研究中專(zhuān)門(mén)為腸瘺患者量身定做了3D打印瘺管支架，顯示優(yōu)于傳統(tǒng)封堵技術(shù)的結(jié)果，該支架具有植入過(guò)程方便、簡(jiǎn)單[32]。另外一項(xiàng)研究使用3D打印技術(shù)于術(shù)前創(chuàng)建特定患者的造口模型，此模型潛在地減少了與造口相關(guān)的并發(fā)癥，如吻合口周?chē)钠つw損害[28]。

4.5 生物打印 肝移植是治療肝纖維化、肝硬化、肝癌等終末期肝疾病的有效方法，已有研究顯示3D生物打印可提高體外培養(yǎng)的肝細(xì)胞活力，Lee等[33]打印了由膠原生物墨水、肝細(xì)胞、人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞及人肝成纖維細(xì)胞組成的3D細(xì)胞載體，可很好地支持肝細(xì)胞的白蛋白分泌、尿素合成等功能。Kim等[34]采用3D藻酸鹽支架、小鼠原代肝細(xì)胞構(gòu)建了小鼠肝臟結(jié)構(gòu)，打印的肝細(xì)胞超過(guò)14 d還具有良好的基因表達(dá)與肝臟特異蛋白。3D生物打印未來(lái)將3D模型與干細(xì)胞研究相結(jié)合，為炎癥性腸道疾病、腫瘤患者創(chuàng)造替代器官，可能給患者帶來(lái)新的希望。目前，研發(fā)出用于治療的人工器官還需要付出更多的努力，如進(jìn)一步延長(zhǎng)打印細(xì)胞的特異性、活性與存活時(shí)間。

5 限制

3D打印在腹部外科的應(yīng)用具有廣泛的吸引力與潛在的應(yīng)用前景。然而，3D打印仍存在一定的局限性，如成本、精度等，可通過(guò)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展克服。隨著3D打印技術(shù)軟硬件的發(fā)展，成本可能也會(huì)降低。此外，克服模型尺寸限制的方法是將模型分成小部分，然后打印后將其組合在一起。目前3D打印的外科應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，3D打印在肝、腎手術(shù)中應(yīng)用較多，不同專(zhuān)科的發(fā)展程度各不相同。

6 展望

近年，3D打印器官模型及在腹部外科中的應(yīng)用取得了重大進(jìn)展。然而，此領(lǐng)域仍存在很大的改進(jìn)空間，未來(lái)的研究會(huì)集中在以下方向。首先，大多數(shù)3D打印是靜態(tài)的，缺乏動(dòng)態(tài)的器官與組織，如何更好地模擬腹部血管搏動(dòng)及相關(guān)臟器組織出血有助于更逼真的手術(shù)預(yù)演。第二，虛擬與輔助現(xiàn)實(shí)工具可以與器官模型結(jié)合使用，以便術(shù)中模擬可視化精細(xì)的結(jié)構(gòu)，如血管系統(tǒng)。第三，應(yīng)在不同手術(shù)環(huán)境下的實(shí)際使用案例中評(píng)估具有綜合功能的3D打印器官模型，研究評(píng)估其時(shí)間或成本效益、安全性及有效性。第四，國(guó)家提倡科技創(chuàng)新，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)目前已具備用于臨床的技術(shù)條件，但缺乏臨床試驗(yàn)及醫(yī)師培訓(xùn)這一環(huán)節(jié)，機(jī)器人可與3D模型相結(jié)合進(jìn)行培訓(xùn),加快其進(jìn)入市場(chǎng)并服務(wù)于臨床，這也是我們目前研究的重點(diǎn)。此外，3D打印模型更復(fù)雜的多維反饋及延長(zhǎng)生物打印存活時(shí)間正在如火如荼的研究中。

7 結(jié)論

3D打印是目前研究的重要領(lǐng)域，在腹部外科具有廣闊的應(yīng)用前景。3D打印除可制造便宜、可定制的外科手術(shù)器械與設(shè)備外，還可生成3D模型，用于術(shù)前手術(shù)規(guī)劃、術(shù)中指導(dǎo)及醫(yī)師、患者的教育。但尚需更多的研究確定3D打印材料的質(zhì)量、安全性及有效性。3D打印有望將器官再生及替換的幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這是這門(mén)新科學(xué)截至目前最誘人的方面。3D打印技術(shù)成熟后才能滿(mǎn)足腹部外科領(lǐng)域乃至更高領(lǐng)域的高期望。