3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的研究進(jìn)展

胡騰飛 王細(xì)生△

1廣東醫(yī)科大學(xué)附屬深圳龍華中心醫(yī)院泌尿外科 518110 廣東深圳 △審校者

3D打印技術(shù)(three-dimensional printing)是將計(jì)算機(jī)三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印技術(shù)相結(jié)合的一種新興應(yīng)用技術(shù)，與傳統(tǒng)的材料加工方法不同的是，它通過分層加工、疊加成型的方式，逐層增加材料來生成3D實(shí)體模型[1]。近年來，隨著科技材料、影像學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)得到了廣泛的普及，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如組織和器官的制造、假肢的定制、植入物和解剖模型等方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景[2]。目前3D打印技術(shù)已成為泌尿外科領(lǐng)域研究和關(guān)注的熱點(diǎn)，我們就3D打印技術(shù)種類及發(fā)展歷程及其在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中臨床運(yùn)用等方面進(jìn)行綜述，結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料總結(jié)其在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)未來的展望。

1 3D打印技術(shù)的種類及發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代的美國(guó)，由美國(guó)科學(xué)家Charles Hull 等發(fā)明。隨著生物制造[3]概念提出、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和材料工程的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)發(fā)展出如光固化法(stereo lithography apparatus, SLA)、熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM )、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)、聚合物噴射成型(PolyJet)、生物材料打印等不同的3D打印技術(shù)[4～10]。這些技術(shù)各有優(yōu)劣，具體如下。

1.1 光固化法

SLA采用紫外激光和樹脂進(jìn)行打印。使用材料包括環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、光致聚合物等。打印層厚0.002 mm，X/Y分辨率0.004[10]，是現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)方法。具有分辨率高、隨著打印尺寸的增大打印效率逐漸提高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。主要不足則包括>1天的打印時(shí)間、需要大量的后期手工處理、材料及維護(hù)昂貴等[5]。

1.2 熔融沉積成型

FDM由Stratasys公司開發(fā)(Eden Prairie, MN, USA)。FDM通過加熱的熱塑性材料逐層生成模型。使用材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、蠟、聚碳酸酯、聚丙烯、各種聚酯等。打印層厚0.007 mm，X/Y分辨率0.002 8[10]。維護(hù)費(fèi)用在各方法中最低[5]，優(yōu)勢(shì)是可使用多種不同材料以及不需要后固化處理。缺點(diǎn)則包括打印精度較低、材質(zhì)耐熱性差、對(duì)于軟性材質(zhì)打印效果不佳等。

1.3 選擇性激光燒成型

SLS使用CO2激光將熱塑性粉末熔化或燒成形成模型。使用材料包括熱塑性塑料、尼龍、聚苯乙烯、鋼、鈦和復(fù)合材料等。打印層厚0.004～0.006 mm，X/Y分辨率0.030～0.050[10]。主要優(yōu)點(diǎn)包括：可打印復(fù)雜的或具有功能的物體、不需要支撐結(jié)構(gòu)、效率高[4]、可使用金屬作為材料[5]等。缺點(diǎn)主要為費(fèi)用昂貴且需要操作者有非常專業(yè)的后期處理能力[5]。關(guān)于打印物品的表面光潔程度，不同文獻(xiàn)存在不同的說法，Chae等[5]認(rèn)為表面光潔程度好，Alali等[4]則認(rèn)為表面粗糙。

1.4 聚合物噴射成型

PolyJet是目前軟性材料快速成型的主要方法之一，與SLA 相似，同樣使用光敏樹脂進(jìn)行成型，但PolyJet使用噴頭將光敏樹脂和支撐聚合物同時(shí)噴射到工作臺(tái)，再使用紫外線照射，完全凝固后再噴涂下一層。打印層厚0.000 63 mm，X/Y分辨率0.001 7[10]，由于支撐材料的存在，光敏樹脂可以在完全不受力的狀態(tài)下凝固成型，對(duì)于軟性材料的支持較其他打印方式具有很大優(yōu)勢(shì)。

1.5 生物材料打印

生物材料打印使用細(xì)胞或其他生物活性的材質(zhì)進(jìn)行打印，并使用特殊的黏合劑進(jìn)行粘連，最終實(shí)現(xiàn)具有生物活性的組織、器官的快速成型。這種打印方式尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，與臨床應(yīng)用尚有一段距離[6～9]。

2 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的應(yīng)用果

腎結(jié)石是泌尿外科的常見疾病之一，在泌尿外科住院患者當(dāng)中占居首位。隨著泌尿外科腔鏡技術(shù)飛速發(fā)展，90%以上的尿路結(jié)石可以通過微創(chuàng)手術(shù)治療，PCNL是治療較大結(jié)石(直徑>2 cm)及復(fù)雜性腎結(jié)石的首選方法[11]。PCNL的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于穿刺通道的建立。其影響到取石成功率的高低。

臨床上泌尿科醫(yī)生在PCNL術(shù)前需參考患者的IVU、CT等影像學(xué)資料，根據(jù)其初步判斷患腎及結(jié)石的大體情況，術(shù)中使用X線或B超，結(jié)合自己的臨床經(jīng)驗(yàn)建立經(jīng)皮腎穿刺通道并碎石。操作者術(shù)前對(duì)患者腎臟的血管分布、腎周臟器的毗鄰關(guān)系及結(jié)石的結(jié)構(gòu)沒有一個(gè)清晰準(zhǔn)確的三維形態(tài)了解，而導(dǎo)致穿刺通道的位置、角度、深度的選擇具有一定的盲目性，無量化標(biāo)準(zhǔn)，易導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥的可能。據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)并發(fā)癥包括：術(shù)中、術(shù)后大出血(發(fā)生率13.7%)[12]，其中因手術(shù)大出血造成腎切除(發(fā)生率3.5%)[12]；肝臟及胸膜損傷(發(fā)生率4.3%)[13]；腸管損傷(發(fā)生率7.8%)[14]等。為了克服這些問題，國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)如何降低手術(shù)并發(fā)癥、提高手術(shù)成功率等方面進(jìn)行大量研究。近年來隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究深入到泌尿系結(jié)石的治療。通過術(shù)前進(jìn)行CT等影像學(xué)檢查，明確診斷后通過計(jì)算機(jī)等技術(shù)手段進(jìn)行3D打印模型，該模型能夠清晰的顯示結(jié)石的大小、形狀、位置。術(shù)者在術(shù)前可根據(jù)3D模型明確結(jié)石的位置，在模型上模擬穿刺點(diǎn)，進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，更有利于設(shè)計(jì)出最佳的經(jīng)皮腎鏡穿刺通道，提高穿刺成功率和降低并發(fā)癥的的發(fā)生。

下面將分別從國(guó)內(nèi)外研究狀況、臨床教學(xué)、個(gè)體化治療、研究的科學(xué)意義對(duì)3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中臨床應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的國(guó)內(nèi)外研究狀況

魏曉松等[15]通過成功打印15例患者的結(jié)石模型，能清楚地顯示結(jié)石的位置、大小以及與第12肋的關(guān)系，手術(shù)醫(yī)師可以在手術(shù)前結(jié)合患者的影像學(xué)資料設(shè)計(jì)出最佳的穿刺通道并確定穿刺腎盞。研究結(jié)果顯示，手術(shù)醫(yī)師術(shù)前做出的手術(shù)預(yù)估方案與實(shí)際手術(shù)過程基本相符，3D打印模型對(duì)PCNL手術(shù)有一定的幫助。15例患者手術(shù)均順利完成，術(shù)中穿刺定位準(zhǔn)確、出血少，術(shù)后無漏尿、高熱、感染、大出血等并發(fā)癥。

湯潤(rùn)等[16]通過成功打印5例腎結(jié)石患者3D腎臟模型。3D模型與患者腎臟長(zhǎng)徑的平均差值為0.283 cm ，橫徑的平均差值為0.212 cm，結(jié)石最長(zhǎng)徑的平均差值為0.244 cm 。腎臟3D模型大小與CT測(cè)定的腎臟基本吻合，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，模型清楚的反應(yīng)腎外形、腎皮質(zhì)、腎動(dòng)靜脈、集合系統(tǒng)、結(jié)石所在位置及大小，進(jìn)行術(shù)前手術(shù)規(guī)劃及手術(shù)模擬操作，術(shù)前進(jìn)行結(jié)石定位，選擇最佳的穿刺通道及穿刺點(diǎn)，精準(zhǔn)的完成手術(shù)模擬。研究表明：3D打印技術(shù)可精準(zhǔn)的模擬腎臟及結(jié)石的解剖細(xì)節(jié)，對(duì)于手術(shù)規(guī)劃和教學(xué)模擬穿刺有重要的臨床意義。

Mertz等[17]和Ursan等[18]通過3D打印技術(shù)可直觀的看到結(jié)石或腫瘤在腎的位置，術(shù)者通過術(shù)前手術(shù)規(guī)劃并在模型上進(jìn)行手術(shù)模擬后，在術(shù)中操作時(shí)能夠精準(zhǔn)的避開血管，并能夠迅速找到病變并進(jìn)行精準(zhǔn)處理，避免了不必要的步驟，縮短了手術(shù)時(shí)間并提高了手術(shù)成功率。

Goolab等[19]在2016年首次應(yīng)用3D打印導(dǎo)航模板導(dǎo)航技術(shù)治療馬蹄腎畸形腎結(jié)石，整個(gè)治療過程應(yīng)用CT數(shù)據(jù)處理、模板打印、指導(dǎo)手術(shù)。3 min精確腎造瘺，術(shù)中無并發(fā)癥發(fā)生。3D打印個(gè)性化模板治療復(fù)雜腎結(jié)石的應(yīng)用，成為復(fù)雜腎結(jié)石治療的新方向。但尚無其他類似報(bào)道，3D打印模板導(dǎo)航經(jīng)皮腎穿刺是否有利，效果如何，有待未來大樣本研究證實(shí)。

2.2 3D 打印技術(shù)提供實(shí)體模型用于手術(shù)演練及教學(xué)

臨床工作中，臨床教學(xué)也是重要的組成部分?，F(xiàn)在輪轉(zhuǎn)住院醫(yī)師、規(guī)培醫(yī)師、進(jìn)修醫(yī)師、醫(yī)學(xué)生之間的水平參差不齊，X線及CT等傳統(tǒng)影像學(xué)資料的閱片難度較高，對(duì)低年資醫(yī)生而言很難做到全面。三維實(shí)體的模具會(huì)使病變部位的解剖變化變得簡(jiǎn)單明了。同時(shí)，3D打印的模具也可以用做術(shù)前操作練習(xí)。3D打印技術(shù)可針對(duì)不同病例進(jìn)行個(gè)體化打印，打印出的3D模型可清晰的反應(yīng)病變部位及鄰近解剖關(guān)系，可完全模擬真正手術(shù)視野，在教學(xué)中使用這種個(gè)體化模型能夠使學(xué)生對(duì)該疾病的認(rèn)識(shí)更加直觀、深刻。Atalay等[20]成功地建立了5例人體腎臟集合系統(tǒng)的解剖學(xué)模型。在確定前、后腎盞的數(shù)量分別提高了52%(P=0.018)和76%(P=0.009)，了解結(jié)石的位置上提高了28%(P=0.035)，確定最佳穿刺腎盞位置的能力提高了64%(P=0.020)。所有住院醫(yī)師都認(rèn)同 ，這些模型可以使手術(shù)計(jì)劃受益。

2.3 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石的個(gè)體化治療

現(xiàn)代疾病的治療越來越強(qiáng)調(diào)在遵循循證醫(yī)學(xué)原則的基礎(chǔ)上， 根據(jù)患者自身的特點(diǎn)和需求，同時(shí)結(jié)合醫(yī)生個(gè)人臨床經(jīng)驗(yàn)，制定出最合理的醫(yī)療方案[21]。針對(duì)同一疾病，在治療過程中，必須考慮到患者的個(gè)人特點(diǎn)(包括遺傳特征、個(gè)性心理、價(jià)值觀等)，從而做出最適合的個(gè)體化方案[22]。3D打印可以在短期內(nèi)獲得手術(shù)區(qū)域的實(shí)體模型，使得醫(yī)生對(duì)于該患者的病情有直觀、真實(shí)的認(rèn)識(shí)，根據(jù)患者獨(dú)特的術(shù)區(qū)情況，確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過程、熟練手術(shù)操作、評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[23]。同時(shí)，個(gè)體化模型應(yīng)用于術(shù)前談話，有助于患者及家屬對(duì)于手術(shù)過程、手術(shù)意義及風(fēng)險(xiǎn)的理解，利于醫(yī)患交流[24]。有學(xué)者認(rèn)為，對(duì)于每一例腎結(jié)石患者來說，他們的腎臟血管分布情況、腎周圍臟器的毗鄰關(guān)系、腎集合系統(tǒng)的解剖學(xué)形態(tài)都有很大的差異，這就決定了對(duì)于每例腎結(jié)石患者來說，PCNL的手術(shù)路徑及方法都有很大差異[25]。如何針對(duì)每例腎結(jié)石患者選擇其最佳的個(gè)體化PCNL手術(shù)方式尤為重要。

2.4 3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石的中應(yīng)用研究的科學(xué)意義

①通過計(jì)算機(jī)將腎結(jié)石的影像學(xué)資料轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并模擬建立出不同患者腎結(jié)石的3D模型，患者的數(shù)據(jù)將得到量化和長(zhǎng)久保存；②利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件處理影像學(xué)數(shù)字化資料，以3D模型和動(dòng)畫顯示出腎臟集合系統(tǒng)與結(jié)石的空間位置關(guān)系，結(jié)石患者腎臟內(nèi)部血管的分布情況，腎臟周圍臟器的解剖毗鄰關(guān)系。通過3D打印技術(shù)，利用數(shù)字化數(shù)據(jù)等比例打印出患者腎臟及周邊臟器全仿真模型，并在模型上進(jìn)行細(xì)致的手術(shù)預(yù)演，明確手術(shù)方案，從而使手術(shù)更安全、高效及可靠；③通過3D打印技術(shù)，將不同患者腎結(jié)石的3D模型打印出來，用作術(shù)前病例討論和教學(xué)，使進(jìn)修生、輪科生及實(shí)習(xí)生更加直觀地了解腎臟、腎周的解剖結(jié)構(gòu)和熟悉PCNL手術(shù)的要點(diǎn)，縮短PCNL術(shù)的學(xué)習(xí)曲線，從而提高教學(xué)效率；④計(jì)算機(jī)可將數(shù)據(jù)還原，將不同患者腎結(jié)石的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，將同一患者術(shù)前術(shù)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而總結(jié)出應(yīng)對(duì)不同類型腎結(jié)石的PCNL手術(shù)方案，為最終形成單病種標(biāo)準(zhǔn)化作鋪墊。此方案有利于提高手術(shù)療效，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，降低患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

3 展望

綜上所述，3D打印技術(shù)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中的手術(shù)方案制定、手術(shù)模擬與訓(xùn)練、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高手術(shù)成功率以及醫(yī)患溝通方面等方面有著重要的意義。但目前仍存在許多問題需要解決，如：①昂貴的費(fèi)用和時(shí)間消耗；②材料限制；③精確性依然有待提高；④需要專業(yè)的操作人員。如果有專職人員將三維重建工作進(jìn)行流水線化處理，將會(huì)提高效率，大幅度縮短重建時(shí)間。如果3D打印機(jī)能專門用于醫(yī)院器官模型的打印，可能會(huì)使費(fèi)用降低，達(dá)到能被患者接受的程度。盡管3D打印尚存在的局限性，但隨著人們的廣泛關(guān)注和深入研究，以及3D打印材料的不斷更新，3D打印技術(shù)將會(huì)在經(jīng)皮腎鏡治療腎結(jié)石中實(shí)現(xiàn)新的突破。同時(shí)相信隨著3D打印技術(shù)日臻完善，其在泌尿外科的應(yīng)用將發(fā)展至新的高度。

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