盧 斌 倪晨明 馬洪運(yùn) 邵 卓 王 震 胡佳陽 李 剛*

（1. 武警上海市總隊(duì)醫(yī)院外二科，上海 201103； 2. 海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽胰腺外科，上海 200433）

近年來，3D 打印技術(shù)在世界各大媒體上受到廣泛關(guān)注，3D 打印技術(shù)幾乎結(jié)合了數(shù)字建模、電控、信息、材料等多種最新科學(xué)知識(shí)，具備極高的科技價(jià)值。3D 打印技術(shù)已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域之中，諸如汽車制造、航空航天工程、建筑制造等。在醫(yī)療和教育等領(lǐng)域同樣前景廣泛。正是3D 打印技術(shù)在制造工藝方面具有的獨(dú)特性，甚至被國內(nèi)外專家譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”之一。

3D 打印技術(shù)萌芽于20 世紀(jì)70 年代末至80年代初。早在2012 年，美國的克利夫蘭醫(yī)院就將3D打印肝模型用于醫(yī)療實(shí)踐；同年，該院知名醫(yī)生Nizar Zein 使用3D 打印肝模型讓其團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行術(shù)前模擬練習(xí)，成為將3D 打印技術(shù)應(yīng)用在肝外科教學(xué)的先驅(qū)［1］。如今3D 打印技術(shù)被越來越多的肝膽外科醫(yī)生所接受并用于外科教學(xué)之中。本文主要探討3D打印技術(shù)在肝膽外科教學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用，希望對(duì)肝膽外科教學(xué)提供參考。

1 3D 打印技術(shù)在肝膽外科教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)在肝膽解剖教學(xué)中的應(yīng)用

肝膽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，針對(duì)肝膽外科教學(xué)來說，肝膽系統(tǒng)的解剖一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。如何讓學(xué)生理解肝分段、分葉、肝門部結(jié)構(gòu)及血管、膽管走形是各大教學(xué)醫(yī)院教學(xué)的難點(diǎn)。肝膽系統(tǒng)傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要以尸體解剖為基礎(chǔ)，輔以解剖學(xué)圖譜、解剖模型等進(jìn)行授課。然而，現(xiàn)階段教學(xué)所用尸體主要依靠遺體捐獻(xiàn)，來源稀少［2］。在實(shí)際臨床教學(xué)中，往往多名學(xué)生共同解剖一具尸體，加之尸體使用具有不可重復(fù)的特點(diǎn)，一次解剖切開后便無法再次使用，這就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的效率大大降低。傳統(tǒng)的塑料模型雖然是有效的教學(xué)工具，但它們具有明顯的缺點(diǎn)，如缺乏解剖細(xì)節(jié)、無法反應(yīng)解剖學(xué)變異。而3D打印模型在一定程度上可以改善傳統(tǒng)教學(xué)的不足。

李新宇等［3］通過應(yīng)用3D 打印模型進(jìn)行教學(xué)輔助后發(fā)現(xiàn)，3D 打印技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)肝、膽、胰腺系統(tǒng)的解剖難點(diǎn)幫助很大，能明顯提高考試優(yōu)秀率，很好地提升了肝膽外科學(xué)的解剖教學(xué)效果。國外學(xué)者［4］也通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)3D 打印模型能夠提高學(xué)習(xí)者識(shí)別肝段的能力，有助于肝臟節(jié)段解剖的教學(xué)效果。Bati 等［5］認(rèn)為3D 模型可以更好地理解擴(kuò)張的胰膽管病理解剖。由此可見3D打印技術(shù)可以幫助學(xué)生更好地理解肝膽系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)，提高學(xué)習(xí)效率。

1.2 3D打印技術(shù)在肝膽影像教學(xué)中的應(yīng)用

影像讀片能力是一名優(yōu)秀肝膽外科醫(yī)生的必備素質(zhì)之一。對(duì)于剛接觸影像學(xué)的學(xué)生來說，由于缺乏臨床實(shí)踐及臨床思維，加之肝膽系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以短時(shí)間內(nèi)很難真正理解和熟練掌握肝膽系統(tǒng)的影像學(xué)知識(shí)。影像學(xué)讀片需要將不同層面二維圖片在腦中整合，形成一個(gè)三維立體的概念，這對(duì)于學(xué)生的空間構(gòu)象能力要求較高。通過3D 打印技術(shù)，可以將2D 影像圖片變?yōu)?D 模型，可以讓學(xué)生360°觀察，了解肝膽系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看清肝動(dòng)脈系統(tǒng)、門靜脈系統(tǒng)、肝靜脈系統(tǒng)及肝膽管系統(tǒng)的走形。通過影像圖片與3D實(shí)物的對(duì)比，可以讓學(xué)生逆向理解原始二維影像［6］，提高學(xué)習(xí)效果。另一方面，對(duì)于肝內(nèi)部的病變，3D 打印可以從多個(gè)角度進(jìn)行觀察，明確病灶的位置以及與周圍重要血管、膽管的關(guān)系。大大增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于肝內(nèi)病灶，尤其是特殊肝段病灶的理解和認(rèn)識(shí)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維圖像觀察視野有限的劣勢，并且使學(xué)員更加感性地理解疾病的病理解剖狀態(tài)。

張旭等［7］對(duì)80 名醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)對(duì)照研究后認(rèn)為，通過病例教學(xué)法結(jié)合3D打印技術(shù)，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思辨能力，提高教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生臨床實(shí)踐技能。黃福靈等［8］應(yīng)用3D 打印技術(shù)制作醫(yī)學(xué)模型，用于影像技術(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生CT 后處理的教學(xué)，效果良好。

1.3 3D打印技術(shù)在肝膽臨床教學(xué)中的應(yīng)用

臨床實(shí)習(xí)期是每名醫(yī)學(xué)生的必經(jīng)階段，該階段是培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要時(shí)期。因此臨床帶教工作至關(guān)重要，隨著3D 打印技術(shù)的不斷成熟使其成為提高教學(xué)效果的手段之一。郝惠惠等［9］在肝外科臨床實(shí)習(xí)帶教對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用3D 技術(shù)帶教的學(xué)生在臨床拓展理論知識(shí)考試成績明顯高于傳統(tǒng)方法帶教組，他們認(rèn)為新的帶教手段可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，也有將3D 技術(shù)應(yīng)用在肝外科研究生教學(xué)和規(guī)范化培訓(xùn)中的研究［10］，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)研究生在學(xué)習(xí)的興趣性、工作的積極性、處理患者的能力、醫(yī)患溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力這5 個(gè)方面的評(píng)分均高于傳統(tǒng)帶教組。

傳統(tǒng)外科培訓(xùn)一直以來遵循著“理論傳授、教學(xué)演示、實(shí)際操作”的模式。然而，年輕醫(yī)生外科手術(shù)技能水平參差不齊，首次手術(shù)實(shí)踐如果在活體患者身上進(jìn)行，可能產(chǎn)生嚴(yán)重不良事件。因此，各種外科模擬訓(xùn)練器應(yīng)運(yùn)而生。筆者也曾經(jīng)試用過一款電子膽囊切除術(shù)模擬器，雖然圖像逼真，也能完整模擬整個(gè)手術(shù)過程，但是由于缺乏有效的力反饋，感覺整個(gè)模擬過程與實(shí)際手術(shù)相差甚遠(yuǎn)。但如今通過3D打印技術(shù)就可以有效解決該問題。

3D 打印模型可以真實(shí)模擬外科手術(shù)過程。意大利帕維亞大學(xué)“3D 4Med”實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用可變形材料能更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)人體組織的形態(tài)和機(jī)械特性，為更現(xiàn)實(shí)的手術(shù)模擬鋪平道路。這些模型可模擬術(shù)中解剖和血管的離斷及吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手術(shù)關(guān)鍵步驟的逼真模擬。Gavriilidis等［11］應(yīng)用多頭打印技術(shù)制造出具有類似組織觸覺特性等比例大小肝模型，高度再現(xiàn)了血管膽道分支，使得模擬手術(shù)時(shí)觸感更加真實(shí)。Burdall等［12］應(yīng)用3D 打印技術(shù)模擬膽總管手術(shù)效果良好，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用尼龍材質(zhì)粉末打印制作肝模具，再使用硅膠、樹脂材料分別打印胰管和膽總管囊腫混合組件拼入肝模具，從而建立膽總管囊腫手術(shù)模型；經(jīng)該手術(shù)模型培訓(xùn)人員均認(rèn)為與實(shí)體操作相比，模擬器觸感良好，值得推薦。

我們也可以通過3D打印技術(shù)再現(xiàn)人體內(nèi)復(fù)雜的管路結(jié)構(gòu)，用于內(nèi)鏡或介入治療的模擬訓(xùn)練。Berry 等［13］使用SLS 3D 打印技術(shù)制作了10個(gè)硅橡膠模型，用來代表10 種不同變異的脈管系統(tǒng)模型，為血管內(nèi)手術(shù)提供逼真的訓(xùn)練環(huán)境。Dhir等［14］應(yīng)用3D打印制備了擴(kuò)張膽道系統(tǒng)的模型，用于模擬操作超聲內(nèi)鏡引導(dǎo)下的膽道引流術(shù)；該模型可以模擬手術(shù)全部過程，包括穿刺、導(dǎo)絲操作、管道擴(kuò)張、引流管放置，對(duì)于臨床教學(xué)價(jià)值較高。佴啟元等［15］成功制作布-加綜合征3D打印模型，并由主任醫(yī)師向低年資醫(yī)師模擬血管內(nèi)介入治療的操作。Javan等［16］設(shè)計(jì)制作了肝膿腫和肝腫瘤模型，成功地模擬了經(jīng)頸靜脈門體分流術(shù)（TIPS）和經(jīng)皮膽道穿刺引流術(shù)等介入手術(shù)。Li等［17］利用膽道擴(kuò)張患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)制作3D模型，并用于膽道鏡技術(shù)培訓(xùn)；他認(rèn)為3D打印膽道模型是膽道鏡技術(shù)培訓(xùn)的良好教學(xué)工具，3D模型能真實(shí)模擬膽道內(nèi)結(jié)構(gòu)，很好地培訓(xùn)操作者的內(nèi)窺鏡技能。

另外，3D 打印個(gè)體化的特點(diǎn)可以為一些復(fù)雜手術(shù)患者量身定制手術(shù)模型。主刀醫(yī)生可以通過手術(shù)模型在術(shù)前給助手講授手術(shù)過程中的重點(diǎn)、操作的難點(diǎn)，并通過術(shù)前的模擬操作，讓年輕醫(yī)生加深對(duì)患者病灶的定位、解剖變異的認(rèn)識(shí)、切除范圍的確認(rèn)，進(jìn)一步提高對(duì)手術(shù)的認(rèn)識(shí)、增強(qiáng)操作的熟練度、保障復(fù)雜手術(shù)的安全性。曾寧等［18］將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于Bismuth-CorletteⅢ、Ⅳ型肝門部膽管癌的個(gè)體化精準(zhǔn)治療，3D 模型能清楚地顯示腫瘤與肝內(nèi)膽管、肝動(dòng)脈、門靜脈和肝靜脈系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)；該模型在術(shù)前能模擬手術(shù)流程、制定手術(shù)方案，在術(shù)中能實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航、指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)程，尤其在肝內(nèi)血管變異情況下，有助于提高手術(shù)安全性、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。Witowski等［19］介紹了3D打印模型在計(jì)劃性腹腔鏡下半肝切除術(shù)治療結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用；他認(rèn)為在復(fù)雜的腹腔鏡手術(shù)之前，應(yīng)用3D 模型可以縮短手術(shù)時(shí)間、改善了短期愈后。Takao 等［20］制作出因肝移植或其他外科術(shù)后所致的門靜脈狹窄模型，用于模擬門靜脈狹窄后血管內(nèi)介入治療，并評(píng)估模型的精確度和準(zhǔn)確性；他們認(rèn)為運(yùn)用熔融沉積打?。‵DM）技術(shù)制作的門靜脈狹窄管道模型用于血管內(nèi)治療的術(shù)前模擬有明顯的優(yōu)勢。

2 中國虛擬人及人體數(shù)學(xué)模型在教學(xué)和臨床中的應(yīng)用

應(yīng)用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬人目標(biāo)。在2001 年的香山科學(xué)會(huì)議上，科學(xué)家首次提出了我國數(shù)字化虛擬人體研究的規(guī)劃和建議，從此揭開了我國數(shù)字化虛擬人研究的序幕。它可以通過數(shù)字化的形式再現(xiàn)人體的組織形態(tài)結(jié)構(gòu)、物理功能、生理功能，是人體數(shù)學(xué)模型的終極形態(tài)，是對(duì)人體信息的精確模擬。經(jīng)過20 年對(duì)國人數(shù)據(jù)的采集，我國已成功創(chuàng)建10 余例數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了各種教學(xué)、科研軟件。由山東大學(xué)、陸軍軍醫(yī)大學(xué)和數(shù)字人公司聯(lián)合研發(fā)的高清數(shù)字人解剖/臨床病例手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)精度可達(dá)到12 億像素，相當(dāng)于1 mm 采集10 層人體橫斷面的數(shù)據(jù)，使得人體的每個(gè)部位都非常清晰。該系統(tǒng)能更加精準(zhǔn)地去培訓(xùn)臨床醫(yī)學(xué)生的解剖學(xué)習(xí)及手術(shù)操作。相關(guān)研究顯示，在數(shù)字化虛擬人的帶教模式下，學(xué)生滿意度可達(dá)95.83%［21］。應(yīng)用3D 虛擬人系統(tǒng)可以明顯提升理論和實(shí)踐考試的成績，同時(shí)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［22］。祝文等［23］通過虛擬人技術(shù)構(gòu)建的原發(fā)性肝癌三維可視化診治平臺(tái)，該平臺(tái)可以有效評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)選擇最佳手術(shù)方式、增加手術(shù)成功率、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥的發(fā)生率具有十分重要的意義。巫彤寧等［24］利用人體數(shù)學(xué)模型精確定位肝腫瘤位置，并進(jìn)行射頻切除肝腫瘤的劑量評(píng)估，使得能量聚集更準(zhǔn)確，避免對(duì)鄰近組織的損傷。中國數(shù)字化虛擬人不同于國外引進(jìn)的虛擬人平臺(tái)，它更符合中國人的特點(diǎn)，在國內(nèi)的教學(xué)和臨床應(yīng)用中更具優(yōu)勢。

3 3D打印在肝膽外科教學(xué)中的優(yōu)勢

快速化：3D 打印技術(shù)不需要像傳統(tǒng)工藝那樣制造相應(yīng)的模具。根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)可以通過3D打印機(jī)直接打印出成品。整個(gè)打印過程可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，工藝流程較傳統(tǒng)制造流程短，可以在提出需求的第一時(shí)間完成現(xiàn)場制造。因此更高效、更快速。

簡單化：在過去，傳統(tǒng)制造業(yè)可能難以創(chuàng)建形狀復(fù)雜的物體，而3D 打印技術(shù)能夠?yàn)橹谱鲝?fù)雜物體提供可能。通過3D 建模和拼接打印，任何復(fù)雜應(yīng)用和設(shè)計(jì)都可以迎刃而解，理論上可以制作出任何需要的形狀。

可定制化：每個(gè)人都有個(gè)體差異，個(gè)性化醫(yī)療的本質(zhì)就是針對(duì)不同人選擇適合個(gè)體的醫(yī)療方案。3D 打印可以在建模時(shí)充分體現(xiàn)個(gè)體化差異，根據(jù)患者的特定結(jié)構(gòu)來定制特定的模型。

標(biāo)準(zhǔn)化：3D 打印可以將制作的模型數(shù)字化儲(chǔ)存，數(shù)字化保證了復(fù)制模型的一致性。只要將3D 打印機(jī)設(shè)定成相同的參數(shù)，那么打印出的成品必然一模一樣。

可分享化：模型的數(shù)字化儲(chǔ)存也使得分享變得更加容易，結(jié)合當(dāng)今發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們可以在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間打印出相同的模型，實(shí)現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。

4 3D 打印技術(shù)在肝膽外科教學(xué)中的不足

3D 打印技術(shù)在肝膽外科教學(xué)中應(yīng)用越來越多，然而也存在一定的局限性。

一是打印精度不足。Kong 等［25］相關(guān)研究顯示，雖然在解剖學(xué)教學(xué)過程中，3D 打印的實(shí)體模型比傳統(tǒng)圖譜教學(xué)法存在優(yōu)勢，但并沒有提高學(xué)生的最終成績；他們認(rèn)為模型的制作精度不足可能是導(dǎo)致教學(xué)效果較差的根本原因。因此，3D打印肝模型的制作精度和教學(xué)效果成正相關(guān)。目前，多數(shù)3D 打印機(jī)打印肝模型的精度僅僅達(dá)到3 級(jí)膽管支的水平，分辨率較低，這在一定程度上影響學(xué)生的認(rèn)知。

二是真實(shí)性不足。目前，3D 打印模型大多是靜態(tài)的，無法真實(shí)地反映器官和組織的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。如模擬動(dòng)脈血管的搏動(dòng)、相關(guān)組織的出血，這樣手術(shù)訓(xùn)練相對(duì)于真正的手術(shù)在感官上仍有一定的差距。

三是打印費(fèi)用高昂。由于肝內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致3D 模型制作較為復(fù)雜，成本較高。Javan 和Zeman 為了制作出精美的肝模型，花費(fèi)高達(dá)500 美元用于聘請(qǐng)專業(yè)的圖形設(shè)計(jì)師對(duì)肝的3D 圖形進(jìn)行預(yù)處理優(yōu)化以保證成品的效果，他們制作的肝模型每件接近1 000美元［16］。

5 展 望

隨著3D 打印技術(shù)不斷升級(jí)、打印材料的持續(xù)改進(jìn)，都將進(jìn)一步壓縮打印成本。3D 打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。3D 模型制作精度的提升是我們追求的目標(biāo)，也是提高教學(xué)效果的根本保障。目前，3D 打印作為最新興的技術(shù)也逐漸進(jìn)入我們的眼簾，應(yīng)用生物打印技術(shù)，我們可以制備肝模型用于模擬肝病理、生理過程，這在實(shí)驗(yàn)研究和臨床教學(xué)中能發(fā)揮更大的作用。近年來，3D 打印技術(shù)在制造血管化結(jié)構(gòu)的人工組織方面也取得了重大進(jìn)展［26］，這就使得制作類似活體組織質(zhì)感的肝臟模型成為可能，這在教學(xué)模擬中能更貼近真實(shí)感，學(xué)習(xí)效果事半功倍。中國虛擬人在加入真實(shí)的生理、生化等數(shù)據(jù)后可以個(gè)體化模擬相應(yīng)的診斷和治療，預(yù)測藥物對(duì)患者治療的反應(yīng)。我們可以預(yù)見，在21 世紀(jì)3D 打印技術(shù)將成為外科教學(xué)和外科手術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新引擎。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明盧斌：提出并設(shè)計(jì)研究命題，獲取與分析數(shù)據(jù)，撰寫論文；倪晨明：提出并設(shè)計(jì)研究命題，獲取與分析數(shù)據(jù)，修改論文；馬洪運(yùn)、邵卓：提出并設(shè)計(jì)研究命題；王震、胡佳陽：獲取與分析數(shù)據(jù)；李剛：總體把關(guān)，審定論文