馮家樂(lè)，程繼文

3D打印技術(shù)是依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)提供數(shù)據(jù)，采用折疊式制造工序?qū)崿F(xiàn)逐層打印的技術(shù)，又稱疊加成型技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)在外科手術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于模擬患者特定的解剖模型為治療手術(shù)提供清晰的解剖結(jié)構(gòu)和病變位置，使手術(shù)更加精準(zhǔn)直觀和快速，這在常規(guī)治療技術(shù)中是相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)的[2-4]。目前，關(guān)于3D打印技術(shù)在前列腺癌診療中輔助前列腺癌的診斷[5-7]、前列腺癌根治術(shù)手術(shù)的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)[8]、放射治療中靶點(diǎn)定位粒子植入治療[9-10]以及聯(lián)合其他先進(jìn)技術(shù)[11-14]的應(yīng)用等方面的文獻(xiàn)越來(lái)越多。在未來(lái)，3D打印技術(shù)與其他多技術(shù)的結(jié)合，將在保存神經(jīng)血管束再生和促進(jìn)神經(jīng)血管的形態(tài)和功能再生等方面發(fā)揮更大的作用。

1 3D打印技術(shù)應(yīng)用前列腺癌的診療

1.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于前列腺癌的診斷 經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)下前列腺活檢和核磁共振檢查是診斷前列腺癌的重要方法。核磁共振成像以非侵入性和定量的方式對(duì)腫瘤病變的解剖位置、分子特征的重要檢查手段[15-16]，缺點(diǎn)是缺乏匹配的組織學(xué)數(shù)據(jù)[17]。而經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)下前列腺活檢由于穿刺取材精確度的限制，漏診率高達(dá)22.7%[18]。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)穿刺技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。Wang等[5]利用患者3.0T多參數(shù)核磁共振檢查資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)成像處理軟件系統(tǒng)生成文件，以透明樹(shù)脂為原料利用3D打印技術(shù)進(jìn)行前列腺模型打印，對(duì)前列腺三維重建模型、計(jì)算機(jī)模擬活檢和認(rèn)知融合靶向活檢術(shù)(cognitive fusion target biopsy,COG-TB)進(jìn)行前列腺靶向活檢對(duì)比研究，結(jié)果表明在前列腺癌的早期診斷中，3D打印技術(shù)輔助認(rèn)知融合技術(shù)較傳統(tǒng)活檢技術(shù)活檢陽(yáng)性率明顯提高。Baldi等[6]通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和3D打印技術(shù)從診斷圖像中開(kāi)發(fā)了個(gè)體化模具對(duì)相關(guān)器官以連貫的方式定位模具，精確地引導(dǎo)切割儀器，獲得了與所成像的切片相對(duì)應(yīng)的高精度的組織塊。Wu等[7]開(kāi)發(fā)和評(píng)估了一個(gè)系統(tǒng)，將患者特定的3D打印模具與體外核磁共振結(jié)合起來(lái)，在前列腺癌患者體內(nèi)核磁共振、體外核磁共振和全套組織病理切片進(jìn)行空間對(duì)齊，平均誤差僅為1～2 mm。這一新系統(tǒng)可用于建立前列腺核磁共振數(shù)據(jù)與組織病理學(xué)之間的準(zhǔn)確空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 應(yīng)用于前列腺癌根治手術(shù) 前列腺癌的瘤體空間定位比其他器官腫瘤瘤體更困難，從影像學(xué)角度來(lái)說(shuō)，前列腺癌的瘤體定位是高度可變的[19]。外科醫(yī)生從傳統(tǒng)影像學(xué)上很難準(zhǔn)確評(píng)估前列腺腫瘤的大小、位置，尤其是對(duì)于鄰近或局部延伸到前列腺包膜以外的腫瘤，手術(shù)范圍的明確難度更大，手術(shù)邊緣陽(yáng)性率相對(duì)較高。術(shù)前3D打印的前列腺模型可以顯示前列腺內(nèi)病灶的的三維位置和侵犯范圍，有助于辨別前列腺瘤體和神經(jīng)血管束的空間關(guān)系[20]，提高術(shù)中感知的準(zhǔn)確度和手術(shù)信心[8]。Jomoto等[8]開(kāi)發(fā)了一種外科導(dǎo)航系統(tǒng)，使用磁共振血管造影和3D打印技術(shù)用于機(jī)器人輔助前列腺癌根治術(shù)，術(shù)前利用三維模型動(dòng)態(tài)比對(duì)增強(qiáng)磁共振血管造影對(duì)前列腺周?chē)M織、神經(jīng)血管束和副會(huì)陰動(dòng)脈等進(jìn)行定位，可以在非對(duì)比圖像上依次發(fā)現(xiàn)神經(jīng)血管束，在對(duì)比度增強(qiáng)的動(dòng)脈期的所有病例中均發(fā)現(xiàn)副會(huì)陰動(dòng)脈，而在非對(duì)比度增強(qiáng)的磁共振血管造影中則顯影不清。動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振血管造影有助于檢測(cè)副會(huì)陰動(dòng)脈情況，提高手術(shù)安全性，減少術(shù)中并發(fā)癥發(fā)生率。顏野等[21]進(jìn)行了類似研究，研究中基于U型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(U-shaped convolutional neural network,U-net)創(chuàng)建前列腺核磁共振圖像自動(dòng)化分割和重建三維模型對(duì)腹腔鏡前列腺癌根治術(shù)進(jìn)行術(shù)中認(rèn)知導(dǎo)航，研究中利用201例前列腺癌患者的核磁共振圖像訓(xùn)練樣本，在經(jīng)典的U-net基礎(chǔ)上通過(guò)適應(yīng)性改良建立一套新的U-net，實(shí)現(xiàn)對(duì)前列腺、腫瘤、精囊腺、直腸等重要結(jié)構(gòu)的單獨(dú)分割，并進(jìn)行三維可視化，能夠直觀地顯示手術(shù)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)關(guān)系和腫瘤侵犯程度，最終降低了手術(shù)切緣陽(yáng)性率、提高手術(shù)效率。

1.3 應(yīng)用于前列腺癌的放療 在前列腺癌診治中，放射治療是重要的治療方式，包括外照射和內(nèi)照射兩種。1983年，Holm[22]首次提出：截石位直腸超聲探頭聯(lián)合模板引導(dǎo)下，沿身體長(zhǎng)軸經(jīng)會(huì)陰部前列腺穿刺植入粒子治療前列腺癌。2002年，我國(guó)專家將CT引導(dǎo)技術(shù)引入粒子植入治療領(lǐng)域，粒子植入治療的精準(zhǔn)度有了顯著提高[23]。同年，劉樹(shù)銘等[24]應(yīng)用3D打印技術(shù)研制出個(gè)體化的三維模板，并在頭頸部腫瘤治療中取得成功。2014年，王俊杰[9]通過(guò)影像學(xué)數(shù)字化信息系統(tǒng)將患者腫瘤靶區(qū)掃描信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)治療計(jì)劃系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)專業(yè)人員設(shè)計(jì)，打印出帶有坐標(biāo)系、固定針道、數(shù)字化3D打印模板，并在指導(dǎo)粒子植入治療過(guò)程中取得顯著效果。張宏濤等[10]對(duì)在前列腺癌進(jìn)行進(jìn)行了類似嘗試，將CT數(shù)據(jù)經(jīng)三維重建處理后，進(jìn)行術(shù)前定位，術(shù)中CT掃描確定植入針位置，引導(dǎo)放射性粒子植入，粒子植入位置與術(shù)前計(jì)劃一致，靶區(qū)及危及器官劑量學(xué)參數(shù)與術(shù)前計(jì)劃基本一致。利用虛擬針道技術(shù)解決了器官運(yùn)動(dòng)造成的靶區(qū)丟失，結(jié)合CT模擬機(jī)和激光定位系統(tǒng)，進(jìn)而全面提高了粒子植入治療的精準(zhǔn)度和效率，使操作更簡(jiǎn)便、更安全，真正實(shí)現(xiàn)了腫瘤局部劑量更高、周?chē)M織損傷更小的目的，開(kāi)啟了粒子植入近距離治療領(lǐng)域的一場(chǎng)革命[9]。

2 3D打印技術(shù)聯(lián)合其他多媒體技術(shù)應(yīng)用于前列腺癌的診療

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)的推廣，其應(yīng)用于的手術(shù)計(jì)劃制定、模擬訓(xùn)練、術(shù)中指導(dǎo)、患者教育和年輕醫(yī)生的教學(xué)等，掀起醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命[12，25-26]。3D打印聯(lián)合AR或VR模型通過(guò)提供更加精確解剖結(jié)構(gòu)來(lái)協(xié)助醫(yī)生制定的手術(shù)計(jì)劃，從而得出更可靠的手術(shù)入路和手術(shù)操作，提高了手術(shù)效果。AR、VR技術(shù)能同步實(shí)時(shí)觀察三維內(nèi)容[13，27-28]。Porpiglia等[14]通過(guò)將虛擬模型的圖像疊加到外科手術(shù)中，利用AR機(jī)器人輔助下前列腺癌根治術(shù)軟件創(chuàng)建的虛擬模型集成到達(dá)芬奇機(jī)器人控制臺(tái)上，以評(píng)估超精準(zhǔn)三維重建和疊加成像在AR機(jī)器人輔助下前列腺癌根治術(shù)過(guò)程中的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)一個(gè)AR機(jī)器人輔助下前列腺癌根治術(shù)的軟件利用多參數(shù)MRI和疊加成像創(chuàng)建超精準(zhǔn)三維重建，獲得前列腺和周?chē)Y(jié)構(gòu)的三維虛擬模型，手術(shù)醫(yī)師根據(jù)患者的具體解剖和癌癥相對(duì)于其他關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的位置定制程序，使手術(shù)更加精準(zhǔn)和方便。Porpiglia等[11]還在歐洲泌尿外科雜志上發(fā)布了關(guān)于他們?cè)u(píng)估新的三維彈性AR系統(tǒng)在識(shí)別機(jī)器人輔助根治性前列腺癌切除術(shù)中保留神經(jīng)手術(shù)階段前列腺腫瘤的包膜受累位置方面的準(zhǔn)確性的研究成果，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)三維AR或磁共振成像報(bào)告給出的圖像，將金屬夾子放置在可疑囊膜受累位置上，結(jié)合病理分析評(píng)估腫瘤的存在情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維AR組與二維組比較，三維AR組在保留神經(jīng)期包膜中的優(yōu)勢(shì)更加明顯(100%vs.47%，P<0.05)。

3 展望

隨著3D打印材料的研究深入和新技術(shù)的研發(fā)，3D打印技術(shù)已經(jīng)被證明可以用于打印尿道并用于修復(fù)損傷的尿道[29-31]，提供了陰莖損傷修復(fù)[32-33]和打印腎臟器官[36]的可能性。隨著3D技術(shù)的進(jìn)步和研究不斷的逐步深入，新工藝的不斷開(kāi)發(fā)以及與其他先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)材料的聯(lián)合應(yīng)用，將為前列腺癌診療提供更加方便、快捷和安全的應(yīng)用前景[13，37]。