孫誠，于長路（通信作者），賈科峰，王森，宋德釗

天津市第三中心醫(yī)院放射科 （天津 300170）

3D打印技術(shù)（three dimensional printing）也被稱作疊加制造工藝（additive manufacturing），是一種使用三維模型數(shù)據(jù)（stereolithography, STL files）通過逐層打印的方式制造3D模型的技術(shù)。3D打印技術(shù)可大規(guī)模定制、減少浪費(fèi)，并且其設(shè)計不受拘束，具有制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)及快速成型的能力[1]。從20世紀(jì)80年代末該項(xiàng)技術(shù)誕生開始，短短數(shù)十年間3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域均取得了飛速的發(fā)展。特別是在生物科學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以準(zhǔn)確地制作出生物組織和器官的高保真實(shí)體模型[2]。目前，3D打印主要應(yīng)用在骨科、整形外科及口腔科中[3-5]。但是，由于尚存在制作時間較長、造價過高及分辨力較差等諸多不足[4，6]，3D打印在一些相對復(fù)雜且具有精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中的應(yīng)用尚處于起步和探索階段?，F(xiàn)對3D打印在肝臟及肝臟疾病方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 3D打印在制作肝臟模型中的應(yīng)用

我們搜索國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫并從中獲取資料，對既往研究中肝臟3D模型的用途、制作時間、花費(fèi)及3D后處理軟件、打印機(jī)、打印材料進(jìn)行對比，見表1。

由表1可知，3D打印肝臟模型，特別是按照原肝1:1大小打印，需要花費(fèi)50～100 h，甚至更長時間。對于急診患者來說，打印時間過長是他們無法使用3D模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃的主要原因[2]。如能根據(jù)臨床需要，僅打印肝臟內(nèi)部血管或是某一部分肝臟，則打印時間相對較短。

3D打印的材料目前已趨于成熟，在文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[7]中均提到材料費(fèi)并非肝臟3D模型費(fèi)用高昂的主要原因，而Perica和Sun[18]認(rèn)為3D打印的費(fèi)用很大程度上取決于打印材料和打印尺寸。此外，由于肝臟3D模型的應(yīng)用相對較少，制作工藝復(fù)雜，要制作出令觀察者滿意的模型需要圖形處理和3D打印方面的專業(yè)人員參與，導(dǎo)致人工成本較高。Javan和Zeman[19]在打印模型之前請了專業(yè)圖形設(shè)計人員對3D圖形進(jìn)行修正，僅這一過程就花費(fèi)了500美元。而Yao等[20]認(rèn)為除去材料，3D打印軟件和硬件花費(fèi)最高，發(fā)展中國家的臨床醫(yī)師很難承受3D打印的費(fèi)用。

2 3D打印在肝臟及肝臟疾病中的應(yīng)用

2.1 3D打印在肝臟腫瘤切除術(shù)中的應(yīng)用

肝癌是最常見的肝臟原發(fā)性腫瘤[6]，在成人中發(fā)病率為4.9/10萬。患有肝硬化的患者肝癌發(fā)病率較高，這類患者的肝臟儲備功能較差，行外科肝段、肝葉切除術(shù)的難度較大。因此，外科手術(shù)前進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、明確腫瘤和周圍血管結(jié)構(gòu)的關(guān)系、估算殘肝體積對于術(shù)中控制出血量、術(shù)后避免出現(xiàn)肝功能衰竭等嚴(yán)重并發(fā)癥是至關(guān)重要的。Kuroda等[6]在為2例肝癌患者行肝切除術(shù)時，術(shù)中借助3D模型確定腫瘤和血管之間的關(guān)系，最終手術(shù)順利進(jìn)行。Xiang等[12]報道了在為1例肝右葉巨塊型肝癌患者進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃時，使用肝臟3D打印模型觀察血管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該患者存在門靜脈變異，IV段門靜脈從門靜脈右前支發(fā)出，但該變異在術(shù)前CT血管造影（CT angiography，CTA）和MRI檢查中均未注意到。因此，手術(shù)方式由右半肝切除術(shù)變?yōu)檎売野敫吻谐g(shù)，保留了患者的門靜脈右前支和IV段的門靜脈分支。黃從云等[9]在為6例肝癌、3例肝血管瘤及3例肝內(nèi)外膽管結(jié)石患者行肝臟切除術(shù)前，使用3D打印制作患者肝臟模型，隨后在模型指導(dǎo)下順利完成手術(shù)。王峻峰等[10]報道為1例肝癌患者打印3D肝臟模型，并在3D打印肝臟腫瘤及血管模型的引導(dǎo)下行肝臟中葉部分切除術(shù)，手術(shù)過程順利，手術(shù)時間180 min，術(shù)中出血300 ml，手術(shù)切除肝臟中葉腫瘤及周邊2 cm 肝臟組織，保留肝臟右前葉及右后葉的重要血管和膽管。

另據(jù)統(tǒng)計，結(jié)直腸癌5年內(nèi)遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移率約為16%[21]，由其引發(fā)的肝轉(zhuǎn)移癌占到了所有遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移的30%[22]，結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移也是肝切除術(shù)的適應(yīng)證。肝臟3D打印模型可以為肝轉(zhuǎn)移癌切除術(shù)提供術(shù)前規(guī)劃。Witowski等[2]報道了在1例經(jīng)腹腔鏡結(jié)直腸癌切除術(shù)后復(fù)發(fā)肝轉(zhuǎn)移癌的患者中使用3D肝臟模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，并順利行腹腔鏡右半肝切除術(shù)，術(shù)中出血150 ml，手術(shù)時間270 min，術(shù)后患者恢復(fù)良好無并發(fā)癥，組織病理學(xué)評估轉(zhuǎn)移癌R0切除，即切緣未發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞。Oshiro等[7]報道了在1例乙狀結(jié)腸癌術(shù)后1年復(fù)發(fā)肝轉(zhuǎn)移癌的患者中使用3D打印制作了僅有肝臟外圍輪廓、血管和腫瘤的3D模型，并在術(shù)前使用該模型制定手術(shù)計劃、模擬手術(shù)過程，術(shù)中比較實(shí)際手術(shù)過程和原先在3D模型上制定的計劃，最終手術(shù)順利完成，患者術(shù)后恢復(fù)良好，切緣組織學(xué)檢測呈陰性。Igami等[8]報道了2例結(jié)直腸癌并發(fā)肝轉(zhuǎn)移癌行肝切除術(shù)的患者，因術(shù)前給予化療，肝轉(zhuǎn)移癌灶中之一變小導(dǎo)致超聲未見，術(shù)前使用3D模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，術(shù)中參考3D模型進(jìn)行肝切除，術(shù)后經(jīng)組織學(xué)證實(shí)切緣呈陰性，術(shù)前規(guī)劃取得成功。

表1 肝臟3D模型對比

2.2 3D打印在肝臟移植中的應(yīng)用

由于肝源的稀缺增加了患者對活體肝移植（living donor livert ransplantation，LDLT）的需求[23]。LDLT手術(shù)中如何確保供肝者和受者的安全是至關(guān)重要的。術(shù)前使用3D打印確認(rèn)血管和膽道解剖可以提供更好的手術(shù)規(guī)劃，避免為那些不適合行LDLT 的供肝者或受者行手術(shù)，從而減少并發(fā)癥的發(fā)生。Zein等[14]為6例行活體肝移植的患者（3位供肝者，3位受者）打印了肝臟3D模型，經(jīng)過術(shù)前，術(shù)中，術(shù)后對比證實(shí)，肝臟3D模型不論從解剖學(xué)還是幾何學(xué)形態(tài)上都十分接近真實(shí)肝臟，平均尺寸誤差小于4 mm，血管直徑誤差小于1.3 mm，可以應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃和教育教學(xué)。Soejima等[15]報道了1例11個月大的患有膽道閉鎖行肝移植術(shù)的女嬰，因供體肝（女嬰父親的肝左外葉）與受體體重（女嬰自身體重）之比(graft-to-recipient weight ratio，GRWR)過大，術(shù)前使用3D模型進(jìn)行模擬修剪供體肝。Baimakhanov等[23]為1例丙肝肝硬化合并肝癌患者行肝移植術(shù)，術(shù)前3D打印供體肝臟（右半肝），同時打印用于重建肝靜脈支流的患者門靜脈Y形移植物，這不但可以幫助手術(shù)醫(yī)師制定合適的手術(shù)方案，還可以讓年輕的醫(yī)師更好的理解移植術(shù)中復(fù)雜的吻合情況。

2.3 3D打印在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

Javan等[24]認(rèn)為復(fù)雜的3D模型可以用于醫(yī)學(xué)教學(xué)中展示正常的解剖和病理結(jié)構(gòu)。對于正在學(xué)習(xí)肝臟解剖的醫(yī)學(xué)生或是剛剛接觸手術(shù)的外科醫(yī)師，很難從解剖學(xué)圖譜上對肝臟的分段和肝臟脈管系統(tǒng)的走行理解透徹。Kong等[16]打印了肝臟3D模型作為肝臟分段解剖學(xué)教學(xué)的輔助工具。為了證實(shí)教學(xué)效果，研究者分別打印了不含肝實(shí)質(zhì)（僅血管）、含透明肝實(shí)質(zhì)及有肝臟分段隔板和肝臟血管的3個3D模型，并將它們和傳統(tǒng)解剖學(xué)圖譜進(jìn)行對比。最后得出結(jié)論，含分段隔板和肝臟血管的肝臟3D模型是最適合作為講解肝臟分段的輔助工具。Watson[17]制作出患者個體化的3D肝靜脈、門靜脈模型，用來在給年輕醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生講解手術(shù)技術(shù)。

2.4 其他應(yīng)用

除了上述主要應(yīng)用，我們在文獻(xiàn)查閱中發(fā)現(xiàn)了3D打印在肝臟和肝臟疾病中還有一些特殊應(yīng)用。Dhir等[25]打印3D膽道模型模擬經(jīng)皮超聲膽道穿刺引流術(shù)。Takao等[26]制作出因各種原因（肝移植或其他外科操作）所致門靜脈狹窄的空腔模型，用于門靜脈狹窄血管內(nèi)治療的術(shù)前模擬并評估模型的精度和準(zhǔn)度。Javan和Zeman[19]制作出帶肝膿腫和腫瘤的肝臟模型，并且模擬了經(jīng)頸靜脈門體分流術(shù)（TIPS）和經(jīng)皮膽囊造瘺置管術(shù)等介入操作。

3 3D打印在肝臟系統(tǒng)中應(yīng)用的展望

隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，其在肝臟領(lǐng)域方面的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診療模式正逐漸向數(shù)字化方向靠近。但就目前而言，3D打印仍然是一項(xiàng)需要花費(fèi)大量時間和金錢的技術(shù)。尤其是在肝臟系統(tǒng)中，肝臟的不規(guī)則輪廓、復(fù)雜的內(nèi)部脈管構(gòu)成和肝段肝裂等解剖結(jié)構(gòu)均是影響打印時間、成本和精度的重要因素。因此，在所查閱的文獻(xiàn)中，肝臟3D模型還主要是用于外科肝臟切除術(shù)前、肝移植術(shù)前的手術(shù)規(guī)劃，而且只見于一些個案報道[12]。目前，缺乏隨機(jī)對照試驗(yàn)來確定3D打印肝臟模型在解剖教學(xué)、模擬手術(shù)、改善患者滿意度及提高臨床療效方面的效果。此外，介入放射學(xué)也是適合肝臟3D模型應(yīng)用的領(lǐng)域之一，然而目前尚沒有這方面的報道。雖然存在諸多缺點(diǎn)，但肝臟3D模型作為數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療的代表，已經(jīng)逐步應(yīng)用于各個臨床領(lǐng)域并取得了一些進(jìn)展。我們相信，隨著技術(shù)及材料的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，3D打印肝臟模型勢必將在臨床應(yīng)用上取得更大的突破。