3D打印技術(shù)在精準(zhǔn)肝切除術(shù)前評估的應(yīng)用

張朋飛，于松寧，雷鵬，卜陽，王新青，李海波，逄淑東，李海明

(1. 寧夏醫(yī)科大學(xué) 研究生院，寧夏 銀川 750004；2. 寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 肝膽外科，寧夏 銀川 750004）

現(xiàn)代科技在肝臟外科領(lǐng)域的綜合應(yīng)用與集成創(chuàng)新推動著21世紀(jì)的肝臟外科進(jìn)入了精準(zhǔn)肝切除時代[1]。精準(zhǔn)肝切除追求目標(biāo)為最小創(chuàng)傷侵襲、最大肝臟保護(hù)、獲取最佳康復(fù)效果[2-3]，因此精細(xì)的術(shù)前評估和合理的手術(shù)規(guī)劃是精準(zhǔn)肝切除的重要保證和前提。作為一種全新的評估手段，醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)、醫(yī)學(xué)三維可視化技術(shù)因其對個體化肝臟進(jìn)行三維重建，自動進(jìn)行肝臟體積計(jì)算，實(shí)施虛擬手術(shù)等應(yīng)用，在肝臟切除術(shù)前評估及手術(shù)規(guī)劃得到初步推廣并日顯重要[4-6]。本研究采用三維可視化軟件（MI-3DVS），對7例肝臟腫瘤患者的上腹部64排螺旋CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，并進(jìn)行肝臟物理模型的3D打印，在此基礎(chǔ)上評估手術(shù)風(fēng)險及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生概率，對擬行精準(zhǔn)肝切除患者進(jìn)行模擬手術(shù)操作，將自動測算的模擬數(shù)據(jù)與真實(shí)手術(shù)情況進(jìn)行對比，以評價醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)在精準(zhǔn)肝切除術(shù)前評估的應(yīng)用價值。

1　資料與方法

1.1　一般資料

本回顧性研究對象為2016年1月—2016年12月在寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院肝膽外科收治的7例復(fù)雜型肝臟腫瘤患者。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，將復(fù)雜性肝臟腫瘤評估標(biāo)準(zhǔn)為：⑴ 肝臟腫瘤直徑＞10 cm；⑵ 腫瘤位于第一肝門、第二肝門或第三肝門附近；⑶ 既往行TACE術(shù)，或考慮肝臟腫瘤位置欠佳，手術(shù)難度大患者，符合上述條件其中1條或1條以上的患者。本研究收集患者中男5例，女2例；年齡26～68歲，平均年齡（55±13.49）歲；HBsAg（+）2例；肝功能Child-Pugh分級A級6例，B級1例；肝細(xì)胞性肝癌5例，肝臟局部結(jié)節(jié)性增生1例，肝海綿狀血管瘤1例；腫瘤位于II、III、IV段1例，V段1例，V、VIII段3例，VIII段1例，V、VI、VII、VIII 1例；腫瘤直徑最大15 cm。

1.2　方法

1.2.1CT數(shù)據(jù)采集與3D打印本組患者均使用64排西門子螺旋CT分別行上腹部平掃、動脈期、門靜脈期、延時期掃描，必要時增加1期靜脈期掃描，層厚為1 mm。造影劑為碘佛醇注射液（350 mg:100 mL），濃度為350 mgI/mL，使用20號留置針，用高壓注射器上肢靜脈灌注，劑量為 90 mL，注射速率4 mL/s。將獲得的上腹部CT影像學(xué)DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入MI-3DVS軟件，分別進(jìn)行肝臟、腫瘤、周圍脈管系統(tǒng)（包括門靜脈系統(tǒng)、下腔靜脈和肝靜脈系統(tǒng)、肝動脈系統(tǒng)）以及周圍毗鄰器官的三維重建。精確定位腫瘤所在肝段及與周圍脈管系統(tǒng)的毗鄰關(guān)系。同時進(jìn)行全肝體積、腫瘤大小的計(jì)算。將三維重建STL格式文件導(dǎo)入3D打印機(jī)，進(jìn)行3D彩色半透明打印，采用樹脂或石膏材料打印出肝臟1:1物理模型。

1.2.2手術(shù)規(guī)劃制定根據(jù)肝臟腫瘤的三維重建結(jié)果，模擬精準(zhǔn)肝臟切除，盡可能保留殘余肝臟且不傷及周圍血管，計(jì)算模擬肝臟切除體積與殘余肝體積。仔細(xì)觀察模擬切除平面與周圍組織血管關(guān)系，在肝臟物理模型直接模擬手術(shù)操作。結(jié)合患者實(shí)驗(yàn)室檢查評估肝功能，結(jié)合患者是否合并乙肝、肝硬化，是否高血壓、糖尿病等基礎(chǔ)疾病以及實(shí)驗(yàn)室凝血全套和生化全套檢查結(jié)果評估肝臟功能，根據(jù)模擬手術(shù)測算結(jié)果，最終確定手術(shù)方案，若評估患者病情不適合外科手術(shù)，則建議行介入治療或保守治療方案。

1.2.3進(jìn)行精準(zhǔn)肝臟切除采用右肋緣下反L型切口或人字型切口，根據(jù)手術(shù)探查情況，采用常規(guī)游離肝臟后，預(yù)置第一肝門阻斷帶，切除膽囊，離斷或阻斷患側(cè)的肝動脈及門靜脈，阻斷第一肝門后沿腫瘤邊緣將腫瘤完整切除，所遇管道均給與結(jié)扎，斷肝主要使用電刀、超聲刀等由淺入深逐漸離斷肝臟，根據(jù)病情需要進(jìn)行肝段切除，或半肝切除。采取排水法測量切除的肝臟體積。

1.2.4觀察指標(biāo)外科手術(shù)數(shù)據(jù)（實(shí)際手術(shù)方案與模擬手術(shù)符合率、肝臟及腫瘤體積、肝門阻斷時間、住院時間）、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)（術(shù)前及術(shù)后血清轉(zhuǎn)氨酶水平，血清總膽紅素水平，血清白蛋白水平）、早期術(shù)后并發(fā)癥（依次為膽汁漏、出血、肝功能衰竭等）。

1.3　統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。臨床觀察指標(biāo)采用中位數(shù)（四分位間距）[M（QR）]表示。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2　結(jié)　果

2.1　手術(shù)情況

7例患者中1例患者術(shù)前行肝臟三維重建后發(fā)現(xiàn)肝臟腫瘤已侵犯門靜脈，已無根治性手術(shù)切除指征，建議行TACE術(shù)；6例患者術(shù)前模擬手術(shù)方案與術(shù)中實(shí)際手術(shù)方案的吻合率為100%（6/6）。3D打印肝臟體積為（1872.2±753.7）mL，肝臟腫瘤中位體積316.96（118.56，495.73）mL。

2.2　術(shù)后情況

患者平均住院時間為（19.8±5.6）d。全組患者無圍手術(shù)期死亡。術(shù)后6例患者無明顯膽汁漏、大量出血、肝功能衰竭等嚴(yán)重并發(fā)癥，術(shù)后病理切緣均未見腫瘤細(xì)胞（表1）。

表1　6例手術(shù)患者手術(shù)及術(shù)后相關(guān)指標(biāo)Table 1　The main variables of the 6 operated patients

2.3　典型病例

患者 女，63歲。主因“間斷腹脹、氣短1年余，加重2個月入院。HBsAg陰性。術(shù)前肝功能評分Child-Pugh A級，術(shù)前CT檢查提示：肝右葉巨塊型肝癌，大小約10.3 cm×8.8 cm；肝門區(qū)及腹主動脈旁可見散在淋巴結(jié)（圖1A-D）。三維重建模型可自動測得肝臟體積1406.03 mL，腫瘤體積440.42 mL（圖1E-H）。術(shù)前模擬右半肝切除術(shù)，患者殘余肝臟體積不足30%。完整打印3D物理后，可立體展示肝臟、腫瘤及肝內(nèi)血管關(guān)系。仔細(xì)觀察患者肝臟物理模型，肝臟VI、VII可由肝右靜脈回流，且腫瘤未侵襲肝右靜脈，故擬行肝臟V、VIII段切除（圖1I-L），患者于2016年10月15日全麻下行肝臟V、VIII段切除、肝右靜脈切開取栓術(shù)（圖1M-P）。實(shí)際手術(shù)與模擬手術(shù)方式一致，手術(shù)時間為5 h，術(shù)中出血400 mL，肝門阻斷4次，總時間為40 min。術(shù)后切除肝臟體積約600 mL。術(shù)后病理：（肝右葉）肝細(xì)胞性肝癌，癌灶最大直徑約10 cm，病理切緣陰性。

3　討　論

肝臟外科的發(fā)展經(jīng)歷了楔形肝切除、規(guī)則性肝葉切除、不規(guī)則局部切除、解剖性肝段切除等發(fā)展階段[9-10]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維影像學(xué)、數(shù)字化肝臟外科的不斷探索與發(fā)展，肝臟外科進(jìn)入了精準(zhǔn)肝切除的新時代。精準(zhǔn)肝切除的理念和技術(shù)適用于所有適合肝切除治療的良惡性肝臟疾病，并貫穿術(shù)前評估、手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)操作和術(shù)后管理等外科治療全過程[11-12]。醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)的臨床開展，使得精準(zhǔn)肝切除理念在肝臟切除手術(shù)中獲得更好的詮釋和應(yīng)用。

目前肝臟切除術(shù)仍是治療肝臟腫瘤最為重要的治療方式[3]，肝臟是由肝實(shí)質(zhì)和一系列管道結(jié)構(gòu)組成，血液供應(yīng)非常豐富，由于肝臟解剖以及肝內(nèi)Glisson系統(tǒng)和肝靜脈系統(tǒng)錯綜復(fù)雜[13-15]，盲目進(jìn)行肝臟切除易導(dǎo)致術(shù)后肝臟出血、缺血、膽汁漏以及小肝綜合征，嚴(yán)重時可導(dǎo)致患者死亡[11,16]。因此，精細(xì)的術(shù)前評估和合理的手術(shù)規(guī)劃仍是提高手術(shù)安全性、減少手術(shù)并發(fā)癥、降低圍手術(shù)期病死率的重要保證[17]。既往肝臟切除術(shù)前評估是基于外科醫(yī)師臨床經(jīng)驗(yàn)，將連續(xù)的CT、MRI等二維平面圖像在腦中進(jìn)行三維重建，形成立體圖像，從而判斷具體的肝內(nèi)病變部位，了解腫瘤與脈管系統(tǒng)的毗鄰關(guān)系，粗略估算殘余肝臟比例，然而對于年輕醫(yī)師及醫(yī)學(xué)生而言，由于缺乏熟練的二維圖像閱片基礎(chǔ)，實(shí)際外科手術(shù)操作經(jīng)驗(yàn)不足，肝臟解剖學(xué)認(rèn)識欠缺等，無法有效的判斷出肝臟復(fù)雜的血管的空間走形和功能結(jié)構(gòu)[5,18]。術(shù)中超聲在可進(jìn)行肝臟切除實(shí)時導(dǎo)航，但容易遺漏小病灶，Igami等[19]報道肝臟3D技術(shù)對于術(shù)中超聲不可見的小腫瘤方面也積累了初步經(jīng)驗(yàn)。

為了更好進(jìn)行肝臟切除術(shù)的精細(xì)術(shù)前評估和手術(shù)操作，解決既往二維圖像術(shù)前評估的局限性等問題[20-21]，我院與深圳旭東公司合作，將薄層CT二維圖像的DICOM文件進(jìn)行處理和分割，利用MI-3DVS進(jìn)行三維重建，將三維圖像采用軟件建模后，導(dǎo)入到3D打印機(jī)，獲得透明肝臟3D物理模型。本研究顯示，外科醫(yī)師可通過該模型可以全方位、多角度、多感官了解肝臟、脈管解剖結(jié)構(gòu)及腫瘤位置，準(zhǔn)確有效地掌握腫瘤與肝內(nèi)脈管系統(tǒng)的毗鄰關(guān)系，從而提高術(shù)者及助手對腫瘤可切除性評估和切除范圍的把握，滿足了精準(zhǔn)肝切除的精準(zhǔn)術(shù)前評估及手術(shù)規(guī)劃的基本要求。本研究中6例手術(shù)患者外科手術(shù)難度均較大，術(shù)者充分利用肝臟模型指導(dǎo)手術(shù)操作，有效提高了安全性。打印出器官或組織的3D模型不僅能應(yīng)用于臨床手術(shù)操作，而且對醫(yī)學(xué)教育、科學(xué)研究、病例分析都起到積極的指導(dǎo)作用。3D模型可以幫助醫(yī)學(xué)生及年輕住院醫(yī)師輕松掌握肝臟解剖結(jié)構(gòu)，利用肝臟物理模型進(jìn)行術(shù)前病例討論及分析，也可使學(xué)術(shù)交流更加方便，另外利用3D物理模型與患者家屬進(jìn)行醫(yī)患溝通時，亦具有簡單明了的效果，對于改善醫(yī)患之間信息不對稱、加強(qiáng)醫(yī)患交流、減少醫(yī)患矛盾也具有一定的意義。

3D物理模型是基于患者本人CT掃描數(shù)據(jù)整體復(fù)制，它不僅可以精準(zhǔn)的顯示患者的肝臟動脈、門靜脈、肝靜脈及腔靜脈的空間走形及個體化變異[22-23]，還能進(jìn)行根據(jù)肝內(nèi)門靜脈及肝靜脈分布準(zhǔn)確的個體化分段，明確腫瘤所在的肝段。通過計(jì)算肝臟體積、腫瘤體積、模擬切除肝臟體積和殘余肝臟體積，進(jìn)行精準(zhǔn)的術(shù)前評估，模擬外科手術(shù)操作，進(jìn)而預(yù)判手術(shù)操作難度及危險性，增強(qiáng)手術(shù)的安全性，減少手術(shù)時間，避免術(shù)后并發(fā)癥，縮短住院時間[24]。本研究3D物理模型精準(zhǔn)打印出患者肝臟、腫瘤及脈管結(jié)構(gòu)，模型的體積與形態(tài)和患者肝臟高度一致，肝內(nèi)及肝周結(jié)構(gòu)清晰明了，實(shí)際手術(shù)過程與術(shù)前手術(shù)規(guī)劃完全符合（6/6），7例患者肝靜脈為3種類性，其中3例患者肝左靜脈、肝右靜脈、肝中靜脈分別單獨(dú)匯入下腔靜脈，另4例患者存在肝靜脈的變異，其中1例為肝中靜脈與肝左靜脈匯成1支短干匯入下腔靜脈，其中2例為肝中靜脈與肝右靜脈匯合成1支短干共同匯入下腔靜脈，1例患者存在1支肝右靜脈，1支肝右副靜脈。7例患者中肝臟動脈、門靜脈未發(fā)現(xiàn)血管變異?；颊咂骄≡簳r間為（19.8±5.6）d，全組患者無圍手術(shù)期死亡，術(shù)后6例患者無明顯膽汁漏、大量出血、肝功能衰竭等嚴(yán)重并發(fā)癥，術(shù)后病理切緣均未見腫瘤細(xì)胞。然而，作為一種全新的數(shù)字化肝臟外科學(xué)技術(shù)，3D打印技術(shù)也存在一定不足，3D模型的質(zhì)量取決于CT掃描的2D圖像質(zhì)量，CT圖像的厚度、血管顯影質(zhì)量、行CT檢查時患者呼吸情況等均對3D打印物理模型有一定影響，計(jì)算機(jī)處理過程也存在部分?jǐn)?shù)據(jù)的偏移，同時，3D打印技術(shù)的耗時較長、費(fèi)用較高，這也導(dǎo)致該技術(shù)不能常規(guī)應(yīng)用于肝臟外科手術(shù)，本研究中，打印一個同實(shí)際大小一樣的肝臟模型需耗70 h，根據(jù)不同材料花費(fèi)不同，一般樹脂透明材料要比石膏材料價格高，所以對于復(fù)雜性肝臟腫瘤或者存在血管變異的患者應(yīng)用價值更大?；谏鲜鱿拗?，3D打印技術(shù)目前仍處于臨床實(shí)驗(yàn)階段，但其作為一門新型的多學(xué)科交叉的邊緣性學(xué)科，有著直觀、可靠、精準(zhǔn)等優(yōu)勢，在肝臟外科領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

綜上所述，三維可視化技術(shù)、3D打印技術(shù)能對肝臟腫瘤進(jìn)行精準(zhǔn)的術(shù)前評估，術(shù)前手術(shù)規(guī)化使肝切除更加精準(zhǔn)、安全、有效，在精準(zhǔn)肝臟外科手術(shù)的實(shí)施中提供了一定的指導(dǎo)意義，在臨床上有廣泛的應(yīng)用前景。

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