3D打印技術在復雜性肝癌精準肝切除術中的應用

劉文瑛，楊劍，歐陽再興，朱劍華，譚勇，劉欣，朱玉珍，黃從云

（汕頭大學附屬粵北人民醫(yī)院，廣東 韶關 512026，1.肝膽外科，3.影像科；2.南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院 肝膽外科，廣東 廣州 510280）

原發(fā)性肝癌是我國常見惡性腫瘤疾病，外科手術切除是患者獲得長期生存甚至治愈的最重要的治療手段，由于肝臟生理功能的特殊性，解剖復雜性和多變異性，手術難度較大[1]。隨著現(xiàn)代外科技術的進步，尤其是“精準外科”理念的不斷深入，原發(fā)性肝癌手術治療效果取得了長足的進步。復雜性肝癌尚無統(tǒng)一定義，一般指腫瘤巨大、位置特殊或侵犯血管，易出現(xiàn)出血、膽道損傷、肝功能不全等并發(fā)癥，手術難度大、風險高，是目前臨床研究的熱點。三維可視化等數(shù)字醫(yī)學技術的應用極大推動了精準肝臟外科技術的發(fā)展，對復雜性肝臟腫瘤的精準治療具有重要的價值和意義[2-3]。本研究應用3D打印技術指導復雜性肝癌的精準肝切除，以期提高復雜性肝癌的手術治療效果。

1 資料和方法

1.1 一般資料

收集粵北人民醫(yī)院2015年1月至2017年12月采用3D技術指導精準肝切除的52例復雜性肝癌患者臨床資料，其中男38例，女14例，年齡39～72歲，平均（55.2±6.8）歲，有肝炎背景（乙肝、丙肝）45例（86.5%）。術前肝功能均為Child-Pugh A級，谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）（36.2±7.7）U/L，谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST） （32.3±8.9）U/L，總膽紅素（TB） （18.4±3.9）μmol/L，直接膽紅素（DB）（8.3±5.3）μmol/L，白蛋白（ALB） （39.9±3.6）g/L，凝血酶原時間（PT） （14.1±2.9）s。

納入標準：（1）巨塊型肝癌切除術；（2）擴大的左、右半肝或肝左、右三葉切除；（3）肝中葉（IV、V、VIII段）切除術；（4）3個及3個以上肝段聯(lián)合切除術；（5）合并門靜脈或膽道癌栓形成的肝切除術；（6）特殊部位如尾狀葉肝癌切除術。

排除標準：（1）嚴重心肺等功能不全；（2）肝功能Child-Pugh C級；（3）難以根治性切除，如腫瘤侵犯第一、二肝門及下腔靜脈。入院及術前充分告知病情，簽署由醫(yī)院倫理委員會批準的知情同意書和手術同意書。

1.2 方法

1.2.1 CT掃描和數(shù)據(jù)收集：患者行64排螺旋CT（美國GE公司）掃描，在CT自帶工作站上推薄處理CT數(shù)據(jù)，導出DICOM格式的平掃期、動脈期、門靜脈期和平衡期的亞毫米CT數(shù)據(jù)并儲存。

1.2.2 三維重建及3D打印：將CT數(shù)據(jù)導入3DDOCTOR 4.0軟件平臺，進行肝臟、腫瘤、肝動脈、肝靜脈及門靜脈系統(tǒng)的三維重建，明確肝腫瘤和肝臟血管系統(tǒng)的空間立體解剖結(jié)構(gòu)和關系。在三維可視化圖像模型上行個體化的肝臟分段，確定需切除的肝段、手術徑路，測量肝體積、功能肝體積和肝腫瘤體積，制定手術預案。輸出STL格式文件，導入Repetier-host 1.06軟件按正常大小將肝臟、腫瘤和血管系統(tǒng)切片后保存，鏈接CoLiDo 3D打印機（珠海西通）使用聚乳酸材料，打印出實物模型。在三維可視化圖像模型及3D打印模型上進行仿真手術演練，修改并確定手術方案[3-4]。

1.2.3 實際手術方法：手術為同一組醫(yī)師完成，術中三維可視化圖像模型、3D打印模型實時指導。采用氣管插管全麻，上腹部反“L”形切口，開腹后超聲探查證實肝腫瘤及脈管系統(tǒng)，根據(jù)3D技術指導和術前規(guī)劃確定肝臟切除線，斷肝時低中心靜脈壓（CVP≤5 cmH2O），預留阻斷帶，根據(jù)術中實際情況決定是否Pringle法阻斷第一肝門，彭氏電刀刮吸法聯(lián)合鉗夾法前入路肝切除法離斷肝實質(zhì)，術中根據(jù)3D模型審視手術路徑及重要管道的處理。術中常規(guī)病理學檢查證實腫瘤性質(zhì)及切緣情況。

1.3 觀察指標

手術時間、術中出血量、術中實際切除肝體積、術后住院時間、術前術后肝功能指標、并發(fā)癥：如膽漏、胸腔積液、出血、腹腔感染等。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 結(jié)果

2.1 三維重建及3D打印分析情況

通過3D-Doctor 4.0軟件獲得52例患者的立體逼真的三維可視化圖像模型，經(jīng)過全方位、多角度分析、熟悉肝臟三維立體空間解剖，掌握肝臟血管空間分布、走行及變異情況，腫瘤同脈管系統(tǒng)的空間多維解剖關系等。進行個體化的肝臟分段，模擬、評估手術方案、徑路和手術難點要點等，設計個體化的手術方案。

根據(jù)同實物1:1比例打印肝臟3D模型，進一步觀察確定肝內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)關系、腫瘤與肝脈管系統(tǒng)的空間解剖，實景感強，多角度觀察、評估腫瘤的可切除性和需要注意的解剖重點，能直觀地預演手術方案，修正、優(yōu)化根據(jù)三維可視化模型制定的手術方案。

通過3D技術計算肝體積，包括功能肝體積（1 391.5±109.2）mL，虛擬切除肝體積（780.7±74.8）mL，剩余功能肝體積（610.8±65.0）mL，殘肝體積比（0.44±0.03）。

2.2 手術情況及圍手術期情況

實際手術方式同術前3D規(guī)劃完全一致，包括：右半肝切除17例，肝右三葉切除2例，擴大右半肝切除3例，肝左三葉切除3例，擴大左半肝切除10例，肝中葉切除7例，聯(lián)合肝段（包括VIII、VII、尾狀葉）切除9例，尾狀葉切除1例。

手術時間（301.3±57.8）min，術中出血量（407.6±179.7）mL，輸血量0～800 mL，輸血率為36.5%（19/52）。實際切除肝體積（777.7±68.6）mL，同虛擬切除肝體積比較無統(tǒng)計學差異（t=0.869，P=0.389），Pearson相關分析說明兩者存在顯著相關性（一致性）（r=0.942，P＜0.001）。病例示意圖見圖1～8。

術后第1、3天的ALT、AST、TB、DB指標明顯升高，ALB降低，術后第1天PT延長，比較有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；術后第3天PT、第5天AST、ALB、DB、第7天ALT、TB恢復正常，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05） （見表1）。術后住院時間（11.2±2.5）d。術后并發(fā)癥：腹水4例（7.6%），胸腔積液5例（9.6%），肺部感染2例（3.8%），傷口感染1例（5%），均通過保守治療治愈。無出血、膽漏、肝功能衰竭等嚴重手術并發(fā)癥，無手術相關死亡。

3 討論

圖1 19歲男性患者，有乙肝病史

圖2 CT提示右肝巨塊型腫瘤

圖3 三維重建精準顯示肝臟及血管系統(tǒng)

圖4 三維重建顯示肝中靜脈同腫瘤關系密切（白色箭頭），門靜脈系統(tǒng)（黃色箭頭）左支無腫瘤侵犯及癌栓形成

圖5 三維重建規(guī)劃的手術路徑和切除范圍，剩余肝體積占功能肝體積的43.3%

圖6 3D打印模型顯示第一、二肝門的解剖，證實肝中靜脈近端主干（紅色箭頭）和IV段肝靜脈（黃色箭頭）未受腫瘤侵犯，可保留IV段肝組織，門靜脈左支（紫色箭頭）

圖7 3D打印模型同切除的肝臟組織和腫瘤

圖8 右肝腫瘤完整切除，左肝血運及回流良好，下腔靜脈（藍色箭頭）妥善保護

表1 手術前后肝功能及PT變化（±s）

表1 手術前后肝功能及PT變化（±s）

注：與術前比較，*P＜0.05

時間 ALT（U/L） AST（U/L） TB（μmol/L） DB（μmol/L） ALB（g/L） PT（s）術前 36.2±7.7 32.3±8.9 18.4±3.9 8.3±5.3 39.9±3.6 14.1±2.9術后D1 156.0±41.4* 160.3±52.5* 40.0±10.9* 16.6±5.3* 30.8±2.4* 15.2±2.8*D3 118.9±24.6* 129.4±34.0* 30.9±7.9* 11.3±3.6* 32.3±3.1* 14.4±3.2 D5 73.0±16.4* 34.7±6.0 22.2±5.5* 9.2±1.9 38.8±2.5 13.3±2.6 D7 33.5±6.3 34.1±5.7 17.5±5.8 7.6±2.0 39.0±2.3 13.2±2.2

復雜性肝癌多腫瘤巨大、擠壓導致解剖結(jié)構(gòu)變化，或腫瘤位置特殊，緊貼重要脈管系統(tǒng)，或者腫瘤已侵犯門靜脈等肝脈管系統(tǒng)。同時我國肝癌患者多合并肝炎、肝硬化，肝臟解剖結(jié)構(gòu)存在諸多變異，復?雜性肝癌手術的風險和難度都非常大[5]。要實現(xiàn)徹底祛除病灶、最小創(chuàng)傷侵襲、最大肝臟保護的精準肝切除術，獲取最佳康復效果，需要精確的術前評估、精密的手術規(guī)劃、精工的手術操作和精良的術后處理[6]。

隨著新的器械涌現(xiàn)和肝實質(zhì)離斷技術的不斷進步，術中精細解剖技術已不再難以掌握；加速康復外科和損傷控制理念引導下的圍手術期精良管理是精準肝切除的重要保障。如何精準地評估病情、掌握精細的個體化解剖、制定個體化的手術方案等一直是精準肝臟切除術需解決的問題。三維可視化技術在精準的肝內(nèi)解剖、個體化手術方案的制定、肝體積技術和預防術后肝衰竭等方面表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢，其在復雜性肝臟腫瘤的精準肝切除術中的應用已有較多報道和共識[3，7]。3D打印是近年來興起并逐漸應用于臨床的數(shù)字醫(yī)學技術，是三維可視化技術的進一步延伸發(fā)展。方馳華等[8]將3D打印技術應用于肝腫瘤外科診治中，使人體肝臟在三維可視化的基礎上進一步逼近現(xiàn)實，被認為是未來發(fā)展趨勢[9]。張朋飛等[10]使用3D打印技術對7例肝臟腫瘤的精準肝切除術進行術前評估，發(fā)現(xiàn)肝切除更加精準、安全、有效。筆者單位較早將3D打印技術應用于肝臟切除術中[4]，在積累較多經(jīng)驗的基礎上將其應用于復雜性肝癌的精準肝切除術中，進一步探討3D打印技術的優(yōu)點和其在提高復雜性肝癌手術治療效果中的作用。

3.1 3D打印技術在復雜性肝癌術前評估、手術方案制定中的臨床價值

復雜性肝癌腫瘤的大小、在肝臟中的特殊空間位置以及其同肝內(nèi)主要脈管系統(tǒng)的毗鄰關系都同手術安全性密切相關，要求術者術前仔細評估，直觀地熟悉肝內(nèi)解剖和可能存在的變異情況。三維可視化及重建圖像清晰立體再現(xiàn)患者個體化的肝臟解剖，供應腫瘤的肝動脈和門靜脈以及回流的肝靜脈，清晰準確地掌握腫瘤與肝臟脈管系統(tǒng)的空間位置關系，擬定個體化的手術方案，個體化的肝臟分段和體積計算評估并預防精準肝切除術后肝功能衰竭[11-12]。本組52例患者的三維重建模型都清晰顯示肝內(nèi)解剖，完全承載上述既往研究的功能，實際手術過程同3D打印的術前評估、手術規(guī)劃完全符合。3D打印技術彌補了電腦三維重建虛擬圖像的不足：（1）實物大小的3D打印模型高度逼真，同患者肝臟形態(tài)、體積和結(jié)構(gòu)等高度一致，可以從實景角度進一步觀察、熟悉肝內(nèi)解剖，術者通過3D打印模型可真實觸摸、感知肝門部以及肝內(nèi)肝動脈、門靜脈、肝靜脈和膽管的解剖、走行，進一步提高了術前解剖評估的精確性和可理解性；（2）三維可視化制訂的手術方案、規(guī)劃在3D模型上實物模擬，能身臨其境地體會和理解手術的難點和關鍵點，幫助確定解剖性虛擬肝切除平面、范圍，切除平面要經(jīng)過及需要注意保護的肝臟脈管系統(tǒng)，可否達到無瘤原則；細化和優(yōu)化手術方案；（3）手術團隊成員對解剖結(jié)構(gòu)和手術方案的理解深度不一，對三維重建圖像的理解并不能很好地體現(xiàn)在實際手術當中，3D打印能在虛擬到現(xiàn)實中起到很好的“橋接”作用，將精準的個體化三維解剖和術中真實解剖精細配準，術中操作毫無違和感。

3.2 3D打印技術在精準肝切除術中的指導意義

完整安全切除腫瘤、控制術中出血、損傷控制和最大限度保留功能殘余肝組織是復雜性肝癌精準肝切除術后順利恢復的保障，依賴于手術過程精確的把握，如腫瘤的精準定位和對肝內(nèi)脈管結(jié)構(gòu)精細解剖[13]。本組患者的術中出血量、輸血量和輸血率均較低，術后3～5 d肝功能基本恢復正常，無肝功能衰竭、膽漏、大出血等的發(fā)生，無手術相關死亡，近期預后良好；虛擬切除肝體積同實際手術切除肝臟體積顯著相關，說明3D打印技術具有實際指導價值：（1）對肝門部的精準游離：復雜性肝癌精準肝切除對第一、二肝門的處理要求高，通過3D打印對第一肝門部脈管和其深部結(jié)構(gòu)走行解剖和變異的精準判斷，本研究實現(xiàn)了對第一肝門的“雕琢式”的精細分離，精準的區(qū)域性入肝血流阻斷。3D打印對肝靜脈及其分支的多方位、多層次的解剖再現(xiàn)及術中指導可在腫瘤根治性切除同時保護剩余肝實質(zhì)的靜脈回流。本研究行右半肝切除患者大部分腫瘤同第二肝門血管關系密切，前入路肝實質(zhì)離斷至第二肝門時常空間不足，面臨損傷肝靜脈致大出血等風險，通過3D打印技術的術前精準預判和合理手術入路的設計，結(jié)合3D打印模型的精準指導均能沿肝靜脈走行精確找到解剖空間，未發(fā)生血管損傷和不可控制的出血風險等，達到術中對出血的精準控制；（2）對手術界面和肝內(nèi)解剖的全面把握：復雜性肝癌切除術中手術平面常常是不規(guī)整的，筆者發(fā)現(xiàn)通過3D打印模型模擬后的修改和調(diào)整的手術切面，可以達到以最小的創(chuàng)傷切除腫瘤、保證足夠的殘肝體積并確保其血供和靜脈回流，這些都在術中得到證實。但不規(guī)整的肝內(nèi)解剖平面增加了手術難度。3D打印技術可以幫助確定最佳解剖位置，同時可為手術關鍵步驟如肝內(nèi)解剖的深淺、脈管走行位置等提供直觀的快速識別和實時“導航”，實現(xiàn)肝內(nèi)解剖性肝切除，對肝內(nèi)Glisson鞘系統(tǒng)離斷的平面、需保護的分支清晰而直觀，最大程度上細致而全面地保護了殘肝血供和膽管引流，減少了手術創(chuàng)傷，故本組患者術中出血少，未發(fā)生肝內(nèi)重要脈管系統(tǒng)的副損傷，術后恢復較快；（3）有利于手術方案執(zhí)行的一致性和默契性：3D打印技術能幫助團隊年輕醫(yī)師對手術方案的理解同主刀醫(yī)師的高度一致，從而默契配合，保證術中精良的操作。筆者團隊帶教的進修醫(yī)師通過3D打印技術明顯縮短了精準肝切除技術的學習曲線。

3D打印技術是數(shù)字醫(yī)學技術的延伸發(fā)展，目前處于發(fā)展階段，其質(zhì)量高低首先取決于CT圖像、三維重建圖像等的質(zhì)量，打印材料也決定了3D打印模型的質(zhì)量，且3D打印的成本高，耗時長；全面掌握該技術需要較長時間的學習和實踐，因而限制了它的臨床廣泛應用。同時3D打印技術是靜態(tài)評估，若能結(jié)合分子熒光染色等技術動態(tài)評估，將能發(fā)揮更大的作用。

3D打印技術直觀、精準、可靠等的優(yōu)勢在復雜性肝癌術前評估、手術規(guī)劃、術中指導等表現(xiàn)出實用的指導意義和輔助價值，提高了復雜性肝癌精準肝切除的手術精準性和安全性，隨著3D打印技術的不斷發(fā)展進步，其在肝臟外科等臨床領域有較廣闊的應用前景。