3D打印技術(shù)在腎腫瘤手術(shù)治療及教學(xué)中的應(yīng)用

李春建，張正園，王健明

(1.山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)研究生處，山東泰安 271016；2.臨沂市人民醫(yī)院泌尿外科，山東臨沂 276001)

3D打印技術(shù)是查爾斯·赫爾(CHARLES HULL)于1986年發(fā)明的[1]。這是一種以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，逐層累積打印構(gòu)建實(shí)體的技術(shù)。這種轉(zhuǎn)化成過(guò)程速度快，精確度高，不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)建錯(cuò)誤。近年來(lái)，由于醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展以及各種新型材料的出現(xiàn)，使得3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景[2]。目前3D打印技術(shù)在泌尿外科領(lǐng)域的研究剛起步，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料就3D打印技術(shù)在腎腫瘤治療臨床教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用作一綜述，總結(jié)其用于腎腫瘤的現(xiàn)狀、局限性以及前景。

1 3D打印技術(shù)在腎腫瘤治療中的應(yīng)用

腎腫瘤是泌尿系統(tǒng)常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，臨床上對(duì)腎腫瘤的治療方式包括腎根治性切除、腎部分切除以及腎癌化學(xué)藥物、靶向和免疫治療等。目前，臨床上多采用二維腹腔鏡進(jìn)行腎腫瘤手術(shù)，術(shù)中需借助器械觸碰組織獲取感知，致使操作難度增加。3D打印腎臟模型最大的優(yōu)點(diǎn)在于術(shù)前提供更多的腎臟解剖細(xì)節(jié)，且可以真實(shí)觸摸腎臟模型[3]。ZHANG等[4]報(bào)告了使用3D打印技術(shù)打印腎腫瘤模型進(jìn)行腫瘤，其有效性評(píng)分為7.8，真實(shí)感評(píng)分為6.0(按1～10分制計(jì)分)。有學(xué)者報(bào)道稱(chēng)3D立體腎臟模型提供的觸覺(jué)和解剖信息比數(shù)字3D重建圖像更具優(yōu)勢(shì)，它可能會(huì)改變術(shù)前手術(shù)計(jì)劃并可以顯著提高復(fù)雜的保留腎單位手術(shù)的成功率[5]。韓興濤等[6]通過(guò)3D打印技術(shù)構(gòu)建出33例腎臟模型，均清晰的顯示出腫瘤的位置、大小、侵襲深度、血管走行及其與腫瘤組織的解剖關(guān)系。研究結(jié)果顯示：與未行腎臟模型構(gòu)建的對(duì)照組相比較，其手術(shù)總時(shí)間、腎蒂阻斷時(shí)間均明顯縮短。

20%～30%的腎腫瘤患者在確診時(shí)已是晚期，術(shù)后可發(fā)生肺、肝等器官的轉(zhuǎn)移[7]，雖然當(dāng)前有多種腎癌的化療藥物治療方案，但總的有效率仍然不理想。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家深入到將3D打印技術(shù)用于腎癌手術(shù)及藥物治療的研究中。

1.1 3D打印技術(shù)制造操作器械用于腎腫瘤手術(shù)近年來(lái)，有研究探索了通過(guò)3D打印技術(shù)制造手術(shù)器械的可行性，并評(píng)估了其制造成本以及效益[8-10]。3D打印手術(shù)器械在制造、包裝和運(yùn)輸成本上都有顯著降低，大約只占傳統(tǒng)手術(shù)器械的使用總價(jià)的25～30%。KONDOR等[11]研究了3D打印手術(shù)器械過(guò)程中所產(chǎn)生的高溫可以直接用于器械的消毒滅菌，使得從打印機(jī)中新生產(chǎn)出來(lái)的器械是無(wú)菌的，減少了產(chǎn)品在包裝時(shí)需要進(jìn)行消毒的這一步驟，從而進(jìn)一步降低成本。TZOUNIS等[12]研究的聚乳酸手術(shù)牽開(kāi)器不但制作低成本而且還具有抗菌作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多更經(jīng)濟(jì)且具有特殊功能的3D打印手術(shù)器械應(yīng)用于臨床。

國(guó)外已有機(jī)構(gòu)成功的利用3D打印技術(shù)制造了腹腔穿刺器、牽開(kāi)器、鑷子、止血器械等多種手術(shù)器械，并測(cè)試了其在手術(shù)中的功能。DEL JUNCO等[8]使用3D打印機(jī)制作腹腔鏡手術(shù)所需的腹腔穿刺器，并成功地在豬和人尸體模型上進(jìn)行了試驗(yàn)。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，利用3D打印技術(shù)制造的設(shè)備在手術(shù)室中的應(yīng)用可能會(huì)越來(lái)越普遍。

1.2 3D打印技術(shù)構(gòu)建腎臟實(shí)體模型用于腎腫瘤手術(shù)及教學(xué)3D實(shí)體模型可以準(zhǔn)確地描繪出腎臟內(nèi)外的動(dòng)靜脈大小、粗細(xì)及走形，同時(shí)可以清楚顯示腎集合系統(tǒng)以及復(fù)雜的腎臟腫瘤大小、浸潤(rùn)深度、相鄰解剖結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系等。正是因?yàn)檫@種優(yōu)勢(shì)，使其在腎腫瘤手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃中得以很好的應(yīng)用。

KOMAI等[13]在術(shù)前用3D打印技術(shù)制作了患腎實(shí)體模型并在模型上進(jìn)行模擬腎臟腫瘤切除手術(shù)，然后再進(jìn)行真正的活體腎腫瘤切除手術(shù)。結(jié)果表明3D打印的腎臟腫瘤實(shí)體模型及其模擬切除范圍幾乎與手術(shù)標(biāo)本相同。有學(xué)者報(bào)道用實(shí)體模型規(guī)劃腹腔鏡下部分腎切除術(shù)，術(shù)中失血更少，切緣陽(yáng)性率低，住院時(shí)間均有縮短[14]。另有報(bào)道術(shù)前對(duì)患者腎臟進(jìn)行3D打印，在實(shí)體模型做出來(lái)之后，有30%～50%的外科醫(yī)生改變了原定的手術(shù)方式[15]。GOLAB等[16]報(bào)道了將3D打印技術(shù)用于手術(shù)治療復(fù)雜的伴有轉(zhuǎn)移性心房癌栓的腎腫瘤，充分說(shuō)明3D模型可用于跨學(xué)科的復(fù)雜手術(shù)，不同專(zhuān)業(yè)的醫(yī)生通過(guò)腎臟實(shí)體模型相互溝通有助于手術(shù)配合，使不同專(zhuān)業(yè)的醫(yī)師在術(shù)中成為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，從而提高手術(shù)效率并一定程度的改善手術(shù)效果。

1.2.1腎臟實(shí)體模型在手術(shù)規(guī)劃中的應(yīng)用 UKIMURA等[17]利用3D重建圖像對(duì)接受機(jī)器人輔助腹腔鏡部分腎切除術(shù)的患者進(jìn)行術(shù)前評(píng)估。通過(guò)使用3D圖像清晰的將供應(yīng)腎臟腫瘤的血管顯示了出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了零缺血的腎部分切除術(shù)，術(shù)后病理顯示腎臟腫瘤切緣均陰性，所有患者在12個(gè)月的隨訪(fǎng)后均無(wú)腫瘤復(fù)發(fā)的情況。CHEN等[18]將3D重建圖像用于腹腔鏡部分腎切除術(shù)的術(shù)前規(guī)劃，將3D重建圖像疊加在2D腹腔鏡圖像上以識(shí)別目標(biāo)腫瘤的具體位置，從而使定位更加精準(zhǔn)。ZHANG等[19]打印了10個(gè)腫瘤分期為T(mén)1的腎腫瘤3D腎臟模型，并將其分給經(jīng)驗(yàn)豐富的泌尿科醫(yī)生進(jìn)行研究，所有參與研究的醫(yī)生均認(rèn)為3D打印腎臟模型可以用于術(shù)前計(jì)劃和模擬訓(xùn)練。腎臟3D模型的使用讓外科醫(yī)生在術(shù)前對(duì)模型進(jìn)行操縱并了解腫瘤的大小及浸潤(rùn)深度，有助于進(jìn)行手術(shù)醫(yī)生術(shù)前進(jìn)行手術(shù)方式的選擇。

1.2.2腎臟實(shí)體模型在手術(shù)模擬中的應(yīng)用 隨著更類(lèi)似于生物活組織的樹(shù)脂材料問(wèn)世，3D打印技術(shù)在腎腫瘤的治療方面又取得了進(jìn)一步的發(fā)展。3D打印實(shí)體模型從原本的用于醫(yī)學(xué)教育和術(shù)前手術(shù)計(jì)劃發(fā)展到手術(shù)模擬。

有研究將患者的3D腎臟模型用于術(shù)前手術(shù)模擬，結(jié)果與對(duì)照組相比，手術(shù)組的腎缺血時(shí)間短，估計(jì)失血量少，切緣陽(yáng)性率低，住院時(shí)間均有縮短，且術(shù)后并發(fā)癥更少[20]。有學(xué)者對(duì)對(duì)3D打印腎臟模型在機(jī)器人輔助下的腹腔鏡腎部分切除術(shù)中的作用進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示，進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬組的手術(shù)時(shí)間比對(duì)照組短；模擬手術(shù)切除的“腫瘤組織”與實(shí)際切除的腫瘤組織無(wú)明顯差異[3]。術(shù)前對(duì)患者特定的腎臟模型進(jìn)行手術(shù)模擬，可以加深對(duì)腫瘤位置、深度和臨近組織結(jié)構(gòu)情況的了解，有助于提高手術(shù)精度和改善手術(shù)效果[20]。

通過(guò)用3D模型進(jìn)行手術(shù)演練可以了解患者腎臟解剖、手術(shù)過(guò)程以及可能出現(xiàn)的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。手術(shù)醫(yī)師綜合評(píng)判后可能會(huì)改變?cè)械氖中g(shù)方法以提高手術(shù)切除腫瘤精確度，從而改善患者預(yù)后[21]。術(shù)前手術(shù)模擬還被證明可以改善腎部分切除術(shù)的手術(shù)效果，例如縮短手術(shù)時(shí)間，減少失血量和腎臟熱缺血時(shí)間。GOLAB等[22]用CT數(shù)據(jù)創(chuàng)建出三維復(fù)雜的腎腫瘤患者3D硅膠腎臟模型，并進(jìn)行腹腔鏡腎腫瘤切除手術(shù)模擬訓(xùn)練，從而獲得充分的經(jīng)驗(yàn)，提高醫(yī)師的手術(shù)技能操作水平，從而提高手術(shù)效率?；颊叩幕铙w腎部分切除術(shù)的平均時(shí)間短于硅膠模型的平均時(shí)間，并且減少了腎臟熱缺血時(shí)間。

1.2.3腎臟實(shí)體模型在醫(yī)學(xué)教育及醫(yī)患溝通中的應(yīng)用 醫(yī)學(xué)生和年輕醫(yī)生的教育是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。當(dāng)前，臨床上常用諸如圖畫(huà)、CT、磁共振等二維圖像對(duì)患者及年輕醫(yī)師進(jìn)行醫(yī)學(xué)教育，而3D打印腎臟實(shí)體模型因其可視化、形象化的優(yōu)點(diǎn)，可以替代傳統(tǒng)二維圖像作為醫(yī)學(xué)教育的新工具。SILBERSTEIN等[23]將3D打印的腎臟模型用作年輕泌尿外科醫(yī)師的教學(xué)工具，從而提高了他們對(duì)腎腫瘤患者腎臟解剖結(jié)構(gòu)的理解。3D打印的腎臟模型還可以提高患者及其家人對(duì)手術(shù)理解，包括術(shù)前和術(shù)后腎臟解剖及功能的變化。BERNHARD等[24]報(bào)告在初步考慮進(jìn)行腎部分切除術(shù)的腎腫瘤患者中，3D打印腎臟模型可以提高患者就診期間對(duì)手術(shù)的了解程度以及對(duì)生存時(shí)間的滿(mǎn)意度。與沒(méi)有進(jìn)行3D打印腎臟模型相比，患者在查看了他們各自的3D腎臟模型后，其對(duì)腎臟基本生理功能的了解提高了16.7%，對(duì)腎臟解剖學(xué)的理解提高了50%，對(duì)腎腫瘤特征的理解提高了39.3%，對(duì)手術(shù)過(guò)程的理解程度提高了44.6%。

FABIAN等[25]3D打印出了腎臟內(nèi)部和外部集合系統(tǒng)模具用于特定腎臟病損患者的手術(shù)訓(xùn)練模型。GHAZI等[26]開(kāi)發(fā)了用于腹腔鏡腎部分切除手術(shù)訓(xùn)練的腎臟模型，并證明了這種模型用于手術(shù)技能培訓(xùn)工具的可行性及可以顯著提高年輕醫(yī)師的技能操作水平的價(jià)值。SMEKTALA等[27]創(chuàng)建了用于手術(shù)訓(xùn)練的低成本有機(jī)硅腎臟模型，他們的模型可以再現(xiàn)人體腎臟器官的形狀和柔韌度，具有與人體腎臟相似的強(qiáng)度，可以用于腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練。CHEUNG等[28]為年輕醫(yī)師開(kāi)發(fā)了根治性和部分性腎切除的手術(shù)模型，該模型具有完整的腎臟血管系統(tǒng)以及模擬的血流。

腎臟實(shí)體模型除了在醫(yī)院中使用外，現(xiàn)在一些醫(yī)學(xué)院也將3D打印技術(shù)和重構(gòu)技術(shù)(如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))用于大學(xué)解剖課程學(xué)習(xí)，從而加深他們對(duì)腎臟解剖結(jié)構(gòu)特征的理解。同時(shí)，還可以減少對(duì)醫(yī)學(xué)院對(duì)昂貴的且難以得到的尸體的需求[29]。此外，將3D打印技術(shù)用于開(kāi)發(fā)外科教育的模擬模型和培訓(xùn)設(shè)備，對(duì)泌尿外科學(xué)員來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)寶貴的資源。例如，RENAI等[30]開(kāi)發(fā)一種基于平板電腦的便攜式標(biāo)準(zhǔn)腹腔鏡技能培訓(xùn)系統(tǒng)，可以用作泌尿外科醫(yī)師進(jìn)行腹腔鏡腎腫瘤切除術(shù)培訓(xùn)工具。

1.3 3D打印技術(shù)在治療腎腫瘤研究的局限性雖然3D打印技術(shù)在治療腎腫瘤過(guò)程中有著重要的意義，但目前仍存在許多問(wèn)題及挑戰(zhàn)。①大多數(shù)關(guān)于3D打印用于治療腎腫瘤的研究樣本量較小。②昂貴的費(fèi)用和時(shí)間成本：在當(dāng)前大多數(shù)患者不富裕、優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源不足、醫(yī)患關(guān)系緊張的大環(huán)境下，3D打印創(chuàng)建所需的費(fèi)用和時(shí)間成本也是一個(gè)很大的問(wèn)題。③技術(shù)上的挑戰(zhàn)：首先，普通的臨床醫(yī)生通常缺乏圖像處理及3D打印等技術(shù)相關(guān)知識(shí)，雖然當(dāng)前有很多關(guān)于數(shù)字建模技能的書(shū)籍供醫(yī)師閱讀學(xué)習(xí)，其學(xué)習(xí)進(jìn)度很慢且效果堪憂(yōu)[31];其次，很多3D打印材料多數(shù)無(wú)法承受傳統(tǒng)的高壓滅菌條件，當(dāng)前也沒(méi)有對(duì)其他可替代高壓滅菌的消毒方法進(jìn)行研究[32]。第三，生物打印技術(shù)難題及組織相容性材料稀缺，大多數(shù)生物打印材料仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚不能用于臨床[33]。最后，3D打印技術(shù)還缺少監(jiān)管和管理標(biāo)準(zhǔn)，目前有些機(jī)構(gòu)利用3D打印醫(yī)療設(shè)備大肆賺錢(qián)，進(jìn)一步加重患者醫(yī)療負(fù)擔(dān)[34]。④隨著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像3D重建技術(shù)的進(jìn)步與成熟，3D打印技術(shù)在對(duì)腎腫瘤手術(shù)治療的指導(dǎo)和教學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

2 展 望

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、完善，3D打印技術(shù)在治療腎腫瘤的應(yīng)用將會(huì)實(shí)現(xiàn)新的突破。首先，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像的三維重建、新興的虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)眼鏡等人工智能技術(shù)以及3D打印技術(shù)會(huì)結(jié)合起來(lái)，能夠使術(shù)者在術(shù)中更方便、直觀的查看腎腫瘤三維圖像，更有利于手術(shù)進(jìn)行，這種技術(shù)值得期待[35]。其次，可以使用3D打印技術(shù)進(jìn)行治療腎腫瘤的藥物開(kāi)發(fā)，獲得更多個(gè)體化的腎腫瘤化療藥物。已有相關(guān)研究使用3D打印技術(shù)生成了特定的藥片，并且證明了其在定制藥物劑量和優(yōu)化藥物進(jìn)入人體后釋放曲線(xiàn)的有效作用[36]。3D打印技術(shù)可能成為制藥行業(yè)的重要制造工具[37]。此外，3D打印人體特定組織應(yīng)用于腎腫瘤化療藥物測(cè)試，將分別測(cè)試腫瘤組織及其正常組織的藥物療效和耐受性[38]。最后，隨著生物打印技術(shù)的進(jìn)一步突破，將特定的干細(xì)胞放置到3D打印的生物構(gòu)架上，最終形成與患者相匹配的新的腎臟器官[39]，打印出具有生物活性的完整的腎臟器官用于腎移植將成為可能。