精囊腺和射精管3D 打印模型制作

李澤宇，肖釗明，劉暢，吳坤成，許廣威，駱寶華，駱世文，馬梓瑋，駱建恒，賀善禮，梁海彬，曾伊琳，歐陽鈞

南方醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室，廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510515

3D 打?。?D printing），也叫快速成型（rapid prototyping，RP）或增材制造（additive manufacturing，AM），是20 世紀(jì)80 年代末興起的一門新技術(shù)，發(fā)展迅猛，成為當(dāng)今制造業(yè)的熱門[1]。3D 打印技術(shù)已應(yīng)用于大段骨修復(fù)、人工肝、血管與血管網(wǎng)、血管化脂肪等組織器官移植的臨床研究與治療[2]，但目前還沒有關(guān)于精囊腺和射精管的3D 打印模型。隨著泌尿外科的發(fā)展，精囊鏡的推廣，3D 打印模型可用于臨床培訓(xùn)和術(shù)前指導(dǎo)。本課題組用納米級硫酸鋇混合填充劑[3]灌注離體的精囊腺和射精管后進(jìn)行CT 掃描，構(gòu)建三維重建模型，在3D 快速成型機(jī)上成功制作出精囊腺和射精管3D 打印模型。報(bào)道如下。

1 材料和方法

1.1 取材

正常成年男性新鮮盆部標(biāo)本1 具。剝離恥骨聯(lián)合前面的皮膚及軟組織至恥骨下角，切開恥骨聯(lián)合，離斷骶髂關(guān)節(jié)后打開盆腔，緊貼盆壁和骶骨游離直腸和膀胱將整套盆腔臟器和外生殖器取出，去除直腸，生理鹽水沖洗標(biāo)本。

1.2 精囊腺和射精管3D 打印模型制作

1.2.1 插管和灌注 在尿道球部離斷陰莖，保留尿道膜部，留置線以備灌注時(shí)結(jié)扎。將膀胱和雙側(cè)精囊腺、輸精管分離，用10 號絲線結(jié)扎尿道內(nèi)口。分別在雙側(cè)精囊腺上切開2 mm，將玻璃插管插入精囊腺，用配制好的紅色和藍(lán)色10%納米級硫酸鋇混合填充劑分別灌注左右精囊腺，直至尿道有兩種顏色的混合填充材料流出，停止灌注并用止血鉗夾閉橡膠管，同時(shí)結(jié)扎尿道膜部。雙側(cè)總灌注量約為30 mL。

1.2.2 影像資料獲取 采用64 排螺旋CT（Philips，Eindhoven，The Netherland）對標(biāo)本進(jìn)行薄層掃描，獲取標(biāo)本的薄層影像數(shù)據(jù)。掃描參數(shù)：掃描電壓120 kV，管電流40 mA，探測器層列64 × 0.5 mm，重建間隔0.5 mm，掃描層厚2.0 mm，圖像平均像素值為0.55 mm。圖像保存為DICOM 格式。

1.2.3 三維模型構(gòu)建 通過自動導(dǎo)入圖像模式，完成圖像檢測，將 DICOM 格式影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics14.11，確定圖像的空間方位后，選擇無損壓縮模式，完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入。選取合適的閾值范圍，生成精囊腺、射精管和尿道前列腺部二維蒙版，然后進(jìn)行精囊腺和射精管的三維重建和簡單的光滑處理，以STL格式導(dǎo)出并保存（圖1A）。

1.2.4 3D 打印 選用24 位彩色高分辨率Spectrum ZTM 510 3D 打印機(jī)（3D systems，美國），其打印原理為粉末堆積，逐層打印，可以1：1 制作實(shí)體模型[4]。打印材料為高性能復(fù)合材料ZP150（由3D 打印設(shè)備生產(chǎn)公司提供）。打印步驟如下：（1）給3D 打印設(shè)備內(nèi)的供給平板進(jìn)行鋪粉，添加打印膠水；（2）將處理和設(shè)計(jì)好的模型STL 文件導(dǎo)入快速成型軟件ZEdit TM3.21（3D systems，美國），該軟件可按照研究需求將不同組織器官設(shè)置成不同的顏色；（3）啟動3D 打印成型，在計(jì)算機(jī)分層信息的控制下，通過打印設(shè)備將粉末逐層堆積起來，按1：1 比例制作出實(shí)體模型；（4）成型結(jié)束后，放入烤箱烘烤定型1～2 h；（5）取出烘烤后的模型，除去模型表面粉末，采用固化膠水ZBOND 90（3D systems，美國）對模型表面進(jìn)行滲透固化，最終獲得3D 打印模型。

1.2.5 數(shù)據(jù)測量 本研究需要測量精囊腺的長度（從精囊腺管開口到精囊腺外側(cè)的最大距離）、寬度（精囊腺前后的最大距離）、高度（精囊腺上下的最大距離），精囊腺排泄管直徑，射精管A 處、C 處和D 處的直徑。先使用Mimics 軟件對重建好的三維射精管和精囊腺模型進(jìn)行三維測量（圖1A），譬如在模型上選取兩個(gè)點(diǎn)，將自動測量并顯示該線段長度。然后用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測量3D 打印模型的以上指標(biāo)（圖1B）。

2 結(jié)果

通過醫(yī)學(xué)圖像三維重建、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)，成功制作出精囊腺和射精管的實(shí)體模型。模型上可以清晰辨認(rèn)出精囊腺、射精管以及尿道前列腺部，綠色部分為左側(cè)精囊腺和射精管，紫色部分為右側(cè)精囊腺和射精管，黃色部分為尿道前列腺部。管道自然且連續(xù)性好，直觀顯示管道結(jié)構(gòu)之間的空間位置關(guān)系，可視化效果好，構(gòu)建的模型射精管末端最小直徑為0.8 mm。兩側(cè)的射精管從起始部開始慢慢靠近，在射精管轉(zhuǎn)折處兩側(cè)管緊緊靠攏而后相互遠(yuǎn)離，行至精阜（圖1B）。

分別在Mimics 軟件中和3D 打印模型上測量出射精管和精囊腺的相關(guān)數(shù)據(jù)（表1,2），兩組數(shù)據(jù)非常接近（圖2）。

表1 精囊腺和射精管三維重建模型的測量數(shù)據(jù)（mm）Tab.1 The measured data of seminal vesicle and ejaculatory duct on three-dimensional reconstruction model（mm）

表2 精囊腺和射精管3D 打印模型的測量數(shù)據(jù)（mm）Tab.2 The measured data of seminal vesicle and ejaculatory duct on 3D printed model（mm）

3 討論

3.1 灌注設(shè)計(jì)

結(jié)扎尿道內(nèi)口進(jìn)行灌注，并用止血鉗將尿道球部向上提起，以利于填充劑從射精管開口流出后，不斷填充尿道前列腺部，自下而上將空氣排盡，避免造影時(shí)管道中出現(xiàn)較大空洞，影響后期三維重建模型的質(zhì)量。由于不能直接觀察雙側(cè)射精管充盈情況，所以先不結(jié)扎尿道膜部，根據(jù)尿道流出的填充劑顏色判斷其灌注情況。待紅、藍(lán)色填充劑都流出后，結(jié)扎尿道膜部，繼續(xù)灌注，至輸精管有填充劑流出時(shí)停止灌注并結(jié)扎，使管道充盈飽滿。

3.2 灌注壓力

灌注壓力不宜過大，可以通過觀察精囊腺的充盈程度，或用手觸摸精囊腺的彈性來判斷灌注壓力。混合填充劑的收縮率很小，且流動性不好，如果灌注壓力過大，精囊腺和射精管會被過度擴(kuò)張，甚至精囊腺被撐破，或者射精管漲破使填充劑進(jìn)入精阜內(nèi)腔，嚴(yán)重影響造影和三維重建的效果。

3.3 精囊腺和射精管3D 打印模型的意義

3D 打印技術(shù)在泌尿外科的應(yīng)用目前仍屬空白。了解精囊腺和射精管解剖知識的途徑主要是通過查閱教科書、解剖圖譜，辨認(rèn)大體標(biāo)本等。利用二維的圖譜學(xué)習(xí)解剖，不能清晰顯示其空間構(gòu)筑情況。標(biāo)本來源稀少，無法滿足反復(fù)研習(xí)的需求。管道鑄型技術(shù)[5]制作的標(biāo)本，也存在不能重復(fù)利用、只能看不能動的障礙。數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的誕生，使得二維圖像三維化，增強(qiáng)了學(xué)子對空間解剖關(guān)系的辨識，但無論何種三維模型，都僅僅是虛擬的數(shù)字化三維模型，并非實(shí)物。3D 打印技術(shù)及3D 打印機(jī)的發(fā)展，可為解剖的教學(xué)提供更佳平臺，除了能三維全方位地觀察模型，還能切實(shí)地觸摸，在實(shí)體模型上實(shí)施簡要的標(biāo)記和操作。3D 打印模型是在標(biāo)本灌注基礎(chǔ)上進(jìn)行的后期制作，其灌注技術(shù)與鑄型標(biāo)本制作的灌注技術(shù)一致，不同之處是在灌注填充劑中加入一定比例的造影劑，所以制作出的模型與鑄型標(biāo)本相似度很高，該模型可應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)和泌尿外科精囊鏡手術(shù)培訓(xùn)。