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；4.浙江工業(yè)大學)

3D打印在眾多內(nèi)外科專業(yè)中越來越多地被采用，主要歸功于其能再現(xiàn)典型的實體器官與主要血管的幾何形狀。目前，隨著多探測器計算機斷層掃描、磁共振成像技術(shù)的發(fā)展、圖像處理的進步，可以生成患者解剖的詳細3D模型，可支持治療前的介入計劃、患者咨詢、教學及術(shù)中指導。3D打印可實現(xiàn)從虛擬世界到現(xiàn)實世界的過渡，提供解剖模型的觸覺反饋，并確保在任何所需的環(huán)境中隨時可用，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)代精準醫(yī)學的關(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)，通過分析計算機輔助設計模型或CT等數(shù)據(jù)，在計算機控制下逐層添加材料制造三維立體結(jié)構(gòu)物件，具有個性化、精準化、成本效益高、生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)勢。美國測試和材料國際協(xié)會是一家為產(chǎn)品、材料研發(fā)、制定與發(fā)布共識技術(shù)標準的組織，該組織按材料、固化系統(tǒng)劃分了七大類3D打印機(表1)。

2 材料選擇

3D打印對象的預期用途決定了應該使用什么材料。如果3D打印用于解剖學實驗室的教學模型，可選擇任何材質(zhì)，以耐用性、成本低的材料為主。如果3D打印對象預期植入患者體內(nèi)，必須具有生物相容性、可滅菌的材料。用于模擬的模型應盡其所能模擬真實組織的生物力學特性，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，隨著技術(shù)的進步，制造時間大大縮短。3D打印多適于擇期手術(shù)，對于緊急手術(shù)進行3D打印存在一定限制。日本的一個研究小組研發(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模型所需的打印時間可縮短至約1 h，效果良好。這種縮短打印時間的持續(xù)努力會增加3D打印在緊急手術(shù)場景中的應用及實用價值，加快臨床的應用與效率。

4 3D打印在腹部外科中的應用

相對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)學圖像處理的復雜性使得創(chuàng)建3D打印虛擬模型較困難。通過相關(guān)文獻的檢索，3D打印技術(shù)在腹部外科中的應用主要集中在以下5方面。

4.1 術(shù)前計劃及術(shù)中理解 術(shù)前計劃對手術(shù)的成功至關(guān)重要。隨著術(shù)前對降低死亡率、減少手術(shù)并發(fā)癥、縮短手術(shù)時間的重視，推動了不同手術(shù)計劃的發(fā)展[3-4]。3D打印技術(shù)使得醫(yī)生在思考手術(shù)過程、預測可能遇到的技術(shù)問題的方式發(fā)生了顯著變化。同時，術(shù)中熟練的操作可縮短手術(shù)時間、麻醉時間，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，模型包括透明實質(zhì)、肝靜脈、下腔靜脈、門靜脈、肝動脈與腫瘤，其中7例需進行血管重建，肝臟模型可以可視化重建血管區(qū)域，優(yōu)化手術(shù)計劃。我們團隊采用鏤空技術(shù)1:1打印出3例復雜肝臟腫瘤的3D模型，此類模型與肝臟結(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)中實時導航，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，這些模型在長度、寬度、高度、血管直徑方面與3例患者及其活體捐贈者的肝臟具有相同的解剖、幾何標志。這些模型可識別復雜的血管、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行著色，以顯示結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移患者超聲無法觀察到的小腫瘤，通過手術(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)復雜多樣化，手術(shù)治療難度較大，風險較高，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)中對盆腔解剖的理解，通過對骨盆復雜解剖關(guān)系的初步認識使得手術(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)中出血的風險。植入電極3D打印的引導裝置可用于骶神經(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)這項研究，植入鍍錫電極的時間不到20 min，未見任何并發(fā)癥，并建立了永久性刺激。此外，應用3D打印技術(shù)可提高對肛瘺解剖的認識。Sahnan等[12]探索了3D打印模型的使用，以增強對復雜肛瘺的形態(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、肛門括約肌及肛提肌，可改善手術(shù)計劃。

在泌尿外科，3D打印在腎臟手術(shù)中的應用也是目前研究與使用最廣泛的一個領(lǐng)域。3D打印建立腎腫塊模型，以評估病變的復雜性、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)計劃決策，包括部分或根治性腎切除、開腹或腹腔鏡手術(shù)、后腹腔或經(jīng)腹腔入路等。一項研究報道了3例接受活體腎移植的患兒，采用個體化三維打印模型進行術(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劃得出相同的結(jié)論[15-17]。個性化的3D打印前列腺癌模型對于計劃保留神經(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，從而增強對手術(shù)的信心。Qiu等[19]設計與研發(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，并通過集成的軟觸覺傳感器提供模擬組織的觸覺，定量測量手術(shù)工具對模型施加的壓力。該模型可用于術(shù)前規(guī)劃與排練。未來的研究可能會證明個性化3D打印腎腫瘤模型及前列腺癌模型對預后的影響。

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

4.2 醫(yī)師教育與培訓 3D打印可逼真地顯示內(nèi)部器官或組織結(jié)構(gòu)的細節(jié)，外科醫(yī)生可預先觀察、預先操作具體的解剖結(jié)構(gòu)，這種教育與培訓顯然有很多好處，包括縮短手術(shù)時間、預測術(shù)中并發(fā)癥。Kenngott等[24]設計研發(fā)可重復使用的開源模型，結(jié)合了真實的解剖學與組織屬性，同時也可模擬氣腹，可用于腹部外科的醫(yī)學教育。復雜的解剖結(jié)構(gòu)是外科教學中的一個難點。如何借助新技術(shù)提高外科教學效果，使實習生更容易記住復雜的解剖結(jié)構(gòu)，具有十分重要的意義。Chen等[25]研究了實習生對胃結(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、教學方法的新穎性與啟發(fā)性方面的滿意度均高于手術(shù)視頻，實習生希望有更多的3D打印教學時間。由于肛管的復雜性及其與肛門括約肌的關(guān)系，肛瘺是很難理解也很難教授的疾病。通過3D打印重建復雜肛瘺的形態(tài)、所涉及的括約肌數(shù)量及肛提肌，有助于實習生了解治療方案、手術(shù)成功的關(guān)鍵[12]。此外，3D打印可用于外科培訓與實踐，以改善外科醫(yī)生的經(jīng)驗，促進住院醫(yī)師、初級外科醫(yī)生對外科手術(shù)的理解。Nishihara等[26]利用3D打印技術(shù)成功建立了一個用于經(jīng)腹腹膜前疝修補術(shù)訓練的物理模擬器，評估15名普通外科醫(yī)生使用模型器進行經(jīng)腹腹膜前疝修補術(shù)訓練的感受，參與者強烈同意該模型對經(jīng)腹腹膜前疝修補術(shù)培訓與教育非常有用。我們團隊設計3D打印腹腔鏡抗反流手術(shù)實驗室模型，結(jié)果該模型整體印象評分、仿真度評分、實用性評分、觸覺評分、美學評分及客觀結(jié)構(gòu)化臨床技能評估評分優(yōu)勢明顯，有助于縮短學習曲線[27]。

4.3 患者咨詢及教育 患者對自己的醫(yī)療狀況與治療滿意度的了解已越來越受到醫(yī)學界的重視。3D打印除增強患者對手術(shù)計劃的理解，也可提高患者對預期結(jié)果、相關(guān)風險的認識。Sahnan等[12]通過3D打印出具有不同顏色的瘺道、肛門括約肌及肛提肌，術(shù)前與患者進行溝通，解答患者的疑問，增加患者對手術(shù)技術(shù)方面的理解，可改善醫(yī)患關(guān)系。Tominaga等[28]通過3D打印造口模型對5例直腸癌或復發(fā)性結(jié)腸癌術(shù)后造口的患者進行教育，結(jié)果提高了患者對日常造口護理的理解，并減少了掌握此技能所需的時間。

4.4 外科手術(shù)設備的應用 幾家醫(yī)療機構(gòu)已成功制造并應用3D打印手術(shù)器械，包括手術(shù)刀、針頭驅(qū)動器、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]。在一項研究中專門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，該支架具有植入過程方便、簡單[32]。另外一項研究使用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，如吻合口周圍的皮膚損害[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)的肝細胞活力，Lee等[33]打印了由膠原生物墨水、肝細胞、人臍靜脈內(nèi)皮細胞及人肝成纖維細胞組成的3D細胞載體，可很好地支持肝細胞的白蛋白分泌、尿素合成等功能。Kim等[34]采用3D藻酸鹽支架、小鼠原代肝細胞構(gòu)建了小鼠肝臟結(jié)構(gòu)，打印的肝細胞超過14 d還具有良好的基因表達與肝臟特異蛋白。3D生物打印未來將3D模型與干細胞研究相結(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，如進一步延長打印細胞的特異性、活性與存活時間。

5 限制

3D打印在腹部外科的應用具有廣泛的吸引力與潛在的應用前景。然而，3D打印仍存在一定的局限性，如成本、精度等，可通過未來的技術(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打印的外科應用尚處于初級階段，3D打印在肝、腎手術(shù)中應用較多，不同?？频陌l(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用取得了重大進展。然而，此領(lǐng)域仍存在很大的改進空間，未來的研究會集中在以下方向。首先，大多數(shù)3D打印是靜態(tài)的，缺乏動態(tài)的器官與組織，如何更好地模擬腹部血管搏動及相關(guān)臟器組織出血有助于更逼真的手術(shù)預演。第二，虛擬與輔助現(xiàn)實工具可以與器官模型結(jié)合使用，以便術(shù)中模擬可視化精細的結(jié)構(gòu)，如血管系統(tǒng)。第三，應在不同手術(shù)環(huán)境下的實際使用案例中評估具有綜合功能的3D打印器官模型，研究評估其時間或成本效益、安全性及有效性。第四，國家提倡科技創(chuàng)新，國產(chǎn)機器人手術(shù)操作系統(tǒng)目前已具備用于臨床的技術(shù)條件，但缺乏臨床試驗及醫(yī)師培訓這一環(huán)節(jié)，機器人可與3D模型相結(jié)合進行培訓,加快其進入市場并服務于臨床，這也是我們目前研究的重點。此外，3D打印模型更復雜的多維反饋及延長生物打印存活時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，這是這門新科學截至目前最誘人的方面。3D打印技術(shù)成熟后才能滿足腹部外科領(lǐng)域乃至更高領(lǐng)域的高期望。