3D器官打印模型在外科領(lǐng)域的應(yīng)用

徐小冬 王知非

作者單位：310014浙江工業(yè)大學(xué)（徐小冬）310000浙江省人民醫(yī)院（徐小冬 王知非）

解剖學(xué)模型和模擬器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用可追溯到幾個世紀(jì)以前，當(dāng)時粘土和石頭模型被用來復(fù)制疾病條件[1-2]。多年來，對降低患者死亡率、手術(shù)并發(fā)癥以及縮短手術(shù)時間的重視推動了不同手術(shù)計劃和培訓(xùn)技術(shù)的發(fā)展[3-4]。然而，美國的一項研究顯示“醫(yī)療差錯”每年平均導(dǎo)致超過25萬例患者死亡，成為僅次于心臟病、癌癥的第三大死因[5]。因此，有效的臨床培訓(xùn)和術(shù)前計劃對減少這類事件起著至關(guān)重要的作用，這也是外科醫(yī)師從新手不斷進(jìn)級成長的必經(jīng)之路[6]。建立精確解剖學(xué)特征和定量反饋的物理器官模型，可以顯著提高對手術(shù)靶區(qū)的理解，甚至可以用于患者教育。近年來，3D打印等快速成型技術(shù)發(fā)展迅速，使得生產(chǎn)這樣特殊的模型成為可能，現(xiàn)對3D器官打印模型在外科領(lǐng)域中的應(yīng)用綜述如下。

1 不同外科領(lǐng)域中模型材料的應(yīng)用

3D打印及相關(guān)軟件的出現(xiàn)增加了將各種器官的醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為物理模型的可能性。不斷創(chuàng)新3D打印技術(shù)和材料，結(jié)合多種器官模型制作方法，在器官模型的臨床開發(fā)和應(yīng)用中不斷取得顯著成效。器官模型在多種重大外科手術(shù)以及手術(shù)外的交流和教育中發(fā)揮著重要作用，而不同的模型側(cè)重于不同的方面，下面主要討論神經(jīng)外科、心胸外科、泌尿外科、肝膽外科、胃腸外科等外科領(lǐng)域某些部位器官模型的應(yīng)用及其所使用的有關(guān)材料。

1.1 神經(jīng)外科 神經(jīng)外科模型主要包括腦模型和脊柱模型。面對神經(jīng)、血管和涉及腫瘤的錯綜復(fù)雜的空間位置，神經(jīng)外科醫(yī)師往往需要在手術(shù)前作出準(zhǔn)確的判斷并在術(shù)中謹(jǐn)慎操作，任何小錯誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果[7]。因此，該類模型的制造通常涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的選擇。NAGASSA等[8]結(jié)合兩種間接方法制作大腦動脈瘤模型，使用基于光聚合物樹脂打印原始結(jié)構(gòu)的模型制造硅橡膠模具，然后鑄造水溶性蠟作為犧牲結(jié)構(gòu)，涂上硅樹脂并溶解蠟以獲得血管內(nèi)腔，此外還通過控制涂在蠟上的有機硅層來改變動脈瘤血管壁精度。FORTE等[9]利用聚乙烯醇（PVA）和植物膠（PHY）復(fù)合水凝膠（CH）制作的腦組織模型用于在載荷下的機械響應(yīng)，與腦組織的強烈動態(tài)和非線性反應(yīng)緊密匹配，并模擬了有機組織在壓縮、松弛、滯后和剪切等方面的機械行為，結(jié)果表明其適合于復(fù)制大腦移位現(xiàn)象和腦組織對凹陷和觸診的反應(yīng)，由于主要血管和神經(jīng)在這個模型中并不存在，缺乏神經(jīng)解剖細(xì)節(jié)的模擬。LEIBINGER等[10]通過使用明膠和改良的聚乙烯醇復(fù)合水凝膠（MCH）分別模擬腦組織在手術(shù)針操作時的力學(xué)行為，并對摩擦、粘性等性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明明膠和真實腦組織的插入作用力非常接近，但粘彈性較低，而改良復(fù)合水凝膠能更好地模擬軟組織的粘性，但表現(xiàn)出較低的切割阻力。

1.2 心胸外科 隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，使得彈性材料的打印范圍不斷擴(kuò)大。3D可打印彈性材料與早期的3D打印材料相較，楊氏模量低，彈性好[11]，其彈性和柔韌性與聚合物長鏈的重新配置和共價交聯(lián)密切相關(guān)，與剛性塑料材料相較，這種材料制作的3D打印器官模型可以提供更接近真實器官的觸覺，還能夠允許外科醫(yī)師對它們進(jìn)行不同的預(yù)演操作，比如剪切、按壓和縫合等。MICHAEL等[12]通過利用3D打印制造肌肉和血管芯模具，通過硅膠鑄造法建立腹股溝區(qū)血管動脈模型給醫(yī)學(xué)生講授解剖學(xué)，給介入放射科醫(yī)師講授插管方法，通過引入生理壓力下的脈動血流，讓模擬變得更具生理學(xué)意義，但使用3D股骨模型練習(xí)是否可以提高操作技能缺乏客觀證據(jù)證明。此外，盡管努力控制流量和壓力，股動脈波形并沒有顯示出明顯的上升，動脈和靜脈的流速分布也明顯不同。SABA等[13]使用3D打印模具和PVA水凝膠注射成型來生產(chǎn)高度逼真及非生物危險的組織模型，可以被解剖、燒灼和縫合。填充PVA水凝膠后并進(jìn)行加工以復(fù)制豬心肌和主動脈組織的機械性能，利用該模型進(jìn)行左前降支搭橋術(shù)，并與主動脈近端吻合、但模型缺乏客觀的性能對比，而且沒有足夠的數(shù)據(jù)支撐其所達(dá)到的性能條件。ATLAN等[14]通過PVA水凝膠和硅膠分別模擬大鼠頸動脈血管和腹主動脈血管模型，并隨機分組進(jìn)行微血管吻合、通暢性測試、吻合口的內(nèi)在質(zhì)量、后壁縫合、吻合口漏和腔內(nèi)內(nèi)膜瓣等訓(xùn)練，學(xué)生和教練都認(rèn)為PVA血管模型較硅膠血管模型更像大鼠的主動脈，能更好地反映大鼠血管，是替代硅膠管的良好材料，在客觀評估的基礎(chǔ)上提高了訓(xùn)練效果，還有助于縮短顯微外科手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。HINTON等[15]通過懸浮式打?。‵resh printing）打印水凝膠胚胎心臟和大腦及血管等，共同展示了Fresh打印具有打印復(fù)雜內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)的水凝膠的獨特能力，且表現(xiàn)出精準(zhǔn)的組織數(shù)據(jù)。MIRDAMADI等[16]使用海藻酸鹽水凝膠為基體建立了成人心臟的全尺寸模型，并證明了海藻酸鹽水凝膠能高保真地Fresh打印較小但復(fù)雜的器官結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行機械表征，以確定最接近于心臟組織的材料組分和打印參數(shù)評估其力學(xué)性能，構(gòu)建解剖學(xué)上準(zhǔn)確的組織模型，為外科培訓(xùn)和規(guī)劃提供潛在的應(yīng)用。盡管Fresh打印表現(xiàn)出十分優(yōu)異的潛力，但在訓(xùn)練模型的制作使用上仍然未得到應(yīng)用，且打印的時間和成本較高。

1.3 泌尿外科 泌尿外科的3D模型是起步較早也是發(fā)展較快的，尤其是腎臟相關(guān)模型已在不同手術(shù)模擬上得到了很好的體現(xiàn)，并取得了極大的進(jìn)展。ADAMS等[17]將3D打印和鑄造技術(shù)結(jié)合，利用普通樹脂打印外模，內(nèi)模通過蠟質(zhì)材料印刷得到完整模具，之后往模具注入硅膠成型，通過乙醇溶解蠟質(zhì)內(nèi)模以取出完整平滑的無損腎臟模型，在細(xì)節(jié)上體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，但整個模具的制作和溶解耗時較長，降低了生產(chǎn)效率。GOLAB等[18-19]利用3D打印模具制造硅膠腎臟腫瘤模型，用于實際手術(shù)前的腹腔鏡腫瘤切除及縫合手術(shù)培訓(xùn)，驗證了模型的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效性。然而，機器人輔助腹腔鏡腎部分切除手術(shù)（RALPN）的許多細(xì)微差別并未得到解決，比如標(biāo)志物識別、腎臟顯露、肺門淋巴結(jié)清掃、尿瘺和出血的處理以及盆腔重建等都是RALPN的關(guān)鍵，尚未在模型中得到展現(xiàn)。LINK等[20]在RALPN前使用3D打印技術(shù)獲得特定患者的硅膠腎臟模型用于術(shù)前計劃和手術(shù)預(yù)演，提供了摘除時間和切除組織體積的準(zhǔn)確信息，并與實際手術(shù)結(jié)果達(dá)到良好的一致性，證明了模型訓(xùn)練的有效性。據(jù)稱，這些墨水可以模仿正常腎臟和腫瘤組織的性質(zhì)，不過尚無任何表征結(jié)果來支持這一說法。而且，因為這一操作是在腎動脈夾閉的熱缺血條件下進(jìn)行的，模型的模擬未能精確達(dá)到要求，所以該模擬不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)出切除時間。MELNYK等[21]利用3D打印和PVA水凝膠澆鑄相結(jié)合制造腎臟模型進(jìn)行RAPN模擬和培訓(xùn)，比較新鮮豬腎臟和不同配方PVA模型腎臟的出血和縫合的功能效果，還用多種力學(xué)測試方法對材料楊氏模量進(jìn)行量化比較，以達(dá)到高保真、標(biāo)準(zhǔn)化、解剖學(xué)準(zhǔn)確的腎臟模型，尚有測試僅限于低應(yīng)變、對于高應(yīng)變下的性能變化還未試驗的不足之處。MADDOX等[22]利用瓊脂凝膠材料創(chuàng)建了與腎組織特性近似的3D物理腎臟結(jié)構(gòu)模型，以允許術(shù)前和機器人訓(xùn)練手術(shù)模擬，并成功地進(jìn)行了部分腎切除和腎縫合等手術(shù)操作，但很難量化組織處理的準(zhǔn)確性，而且這些模型的腎實質(zhì)缺乏RAPN過程中可能遇到的細(xì)小動、靜脈分支，也缺乏腎周圍脂肪和活躍的血液供應(yīng)，這給血管系統(tǒng)的識別和解剖增加了難度。

1.4 肝膽外科 WANG等[23]專注于小兒活體肝移植（LDLT），選擇光聚合技術(shù)打印肝臟模具，同時利用類組織手感的硅膠鑄造腹部模型，指出物理肝臟模型有助于降低小嬰兒大尺寸綜合征和移植物減少的風(fēng)險。最近，ISHII等[24]和KURODA等[25]采用聚氨酯澆注法制備具有柔軟透明實質(zhì)的肝臟模型，前者模型采用光聚合方法打印出透明、堅硬的外殼，用于肝移植術(shù)中導(dǎo)航；后者模型是在前人工作的基礎(chǔ)上，加入了3D打印石膏模型鑄造肝實質(zhì)的過程，用于規(guī)劃和模擬LDLT[26]。3D打印肝臟模型中的血管結(jié)構(gòu)是一個重要的內(nèi)容，在復(fù)雜的肝臟手術(shù)中清晰地顯示血管的關(guān)鍵區(qū)域有助于血管重建。HUBER等[27]利用聚氨酯橡膠材料和材料噴射器制作肝臟薄壁組織，用ABS長絲打印膽囊等其它結(jié)構(gòu)，該肝臟模型在復(fù)雜血管重建的應(yīng)用中為手術(shù)計劃提供了便利。ANTONIO團(tuán)隊[28]通過熔融沉積成型（FDM）打印ABS模具與硅膠鑄造相結(jié)合的方法獲得低成本、高質(zhì)量的膽道樹教學(xué)解剖模型，用于腹腔鏡膽囊切除手術(shù)的培訓(xùn)，但模型沒有展示更困難的場景，比如罕見膽囊管變異，缺乏纖維組織物來模擬液體收集的炎性平臺。HE等[29]研制出一種以PVA為主要成分能夠反映腹主動脈瘤及其周圍組織的主要力學(xué)、解剖學(xué)和病理學(xué)特征的人體模型，通過改變水凝膠制造過程中的參數(shù)，使PVA的機械彈性與人腹主動脈瘤壁、管腔內(nèi)血栓ILT和腹部脂肪非常相似，并設(shè)計了一個密封系統(tǒng)以維持腔內(nèi)和腹部壓力、包裹周圍組織（如腹部脂肪和脊柱）。在有無周圍脂肪的情況下進(jìn)行EVAR實驗，以更好地理解EVAR過程中的生物力學(xué)約束，強調(diào)了在EVAR中考慮周圍組織對腹主動脈瘤整體變形的重要性，給醫(yī)學(xué)培訓(xùn)提供良好的體外環(huán)境，但去除內(nèi)模時可能會引起模型輕微的損傷，并可能在壓力下導(dǎo)致水凝膠撕裂。KWON等[30]用3D打印技術(shù)與硅膠鑄造技術(shù)制作了專門的ERCP硅膠訓(xùn)練模型，該模型價格相對低廉且易于制作，允許使用者進(jìn)行各種專門的ERCP技術(shù)操作并進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，但沒有創(chuàng)建一個將食道、胃和十二指腸的所有部分按照與人類相同的順序排列的模型，材料表面張力比生物組織的表面張力要高且透明性高。DE JONG等[31]利用PVA水凝膠作為仿肝臟材料制作肝臟模型，通過調(diào)整材料濃度和工藝方法來調(diào)節(jié)模型的組織特性，并研究了PVA模體的成像特性和針-組織作用力特性，通過數(shù)據(jù)的比較設(shè)計高質(zhì)量、高仿真的腎模型，但缺乏粘彈性和真實環(huán)境操作等方面的比較設(shè)計。1.5 胃腸外科 胃腸外科模型目前主要涉及胃部、食道、各類腸模型。對于空腔臟器的手術(shù)操作往往由于腸壁薄、管腔直徑較小和腹膜后位置降低內(nèi)窺鏡可操作性以及組織順應(yīng)性而不易把握導(dǎo)致穿孔等情況的出現(xiàn)。然而，切除必須是完全的，因為殘余組織難以有效治療，并且外科手術(shù)搶救伴隨著較高的發(fā)病率。HOLT等[32]結(jié)合硅膠胃-十二指腸和真實雞心模擬內(nèi)窺鏡壺腹模型用于提高內(nèi)窺鏡下壺腹切除術(shù)的技術(shù)技能、知識和信心，并通過訓(xùn)練術(shù)前和術(shù)后問卷對模型進(jìn)行評估，不足的是雞心的使用限制了其進(jìn)入訓(xùn)練中心和機器人操作的培訓(xùn)，另外也缺乏對參與者在模型體驗后的內(nèi)鏡實踐隨訪。WILLIAMS等[33]使用CAD軟件為胃黏膜和胃體生成系列模具，之后進(jìn)行3D打??；使用第一模具用錫固化硅橡膠形成黏膜，然后將黏膜轉(zhuǎn)移到第二個模具中，并加入另一種與胃組織非常相似的聚合物，創(chuàng)建一個定制的、逼真的、可重現(xiàn)的、廉價的雙層模型，需要改進(jìn)的是使用了成人版的盒子訓(xùn)練器，由于兒科器械偶爾無法到達(dá)3D胃模型，而且3D模型胃部和盒子訓(xùn)練器的顏色都是白色的，都會給一些參與者帶來問題。ZHANG等[34]利用改進(jìn)硅膠建立了一種3D打印Nissen胃底折疊術(shù)訓(xùn)練模型，模擬真實的組織力學(xué)性能和解剖細(xì)節(jié)，研究中16名受試者分為實驗組和對照組，采用Likert量表對模型的有效性進(jìn)行了檢驗，并由專家和實驗組進(jìn)行了驗證；實驗組在第1、4、8次訓(xùn)練時用OSATS系統(tǒng)進(jìn)行評分，并通過錄像比較操作持續(xù)時間，同時采用體外模型以同樣的方式比較實驗組和控制組訓(xùn)練后的成績，結(jié)果表明該模型訓(xùn)練可以加快外科住院醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線。

2 應(yīng)用限制

盡管前述3D打印器官模型對手術(shù)計劃和訓(xùn)練很有助用，但這些模型作為高級手術(shù)輔助工具的有效性也受部分問題的影響，比如不能精確模擬器官組織的物理特性[35]，包括觸感、機械特性（如彈性模量、粘彈性和硬度）、仿真顏色等，均限制了它們在術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)工具預(yù)演和手術(shù)任務(wù)（如按壓、縫合、切割和解剖）中的有效性，進(jìn)而阻礙3D器官模型在外科手術(shù)處理期間準(zhǔn)確預(yù)測和精準(zhǔn)復(fù)制不同器官物理行為的能力，包括變形和反作用力等。同時，3D打印的器官模型缺乏從器官和組織處理中提供定量反饋的功能，而這項功能對于外科訓(xùn)練人員或模擬器來說是一個重要的附加功能，可以有效幫助醫(yī)療專業(yè)人員定量評估和準(zhǔn)確控制執(zhí)行的任務(wù)，比如通過他們的手或診斷工具施加到器官上的壓力量。

3 小結(jié)與展望

近年來，3D打印在手術(shù)輔助及培訓(xùn)領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展。筆者發(fā)現(xiàn)，使用3D打印來形成可模擬的軟組織結(jié)構(gòu)并未得到充分的探索發(fā)展，很少有人研究仿真軟組織的力學(xué)特性以及高分辨率的解剖細(xì)節(jié)。早先使用的柔性樹脂或硅膠，在彈性模量等性能方面并未良好體現(xiàn)組織的真實性，且不能提供濕潤、柔軟、生物組織的真實感覺，水凝膠的高含水性可以增加打印模型中生物組織的真實感覺，從而成為軟組織外科模擬的優(yōu)良材料。由于每個組織的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，單一的材料和制造方式可能無法真正體現(xiàn)出實際結(jié)構(gòu)模型的真實細(xì)節(jié)，這將需要多材料、多方式的組合工藝進(jìn)行生產(chǎn)制造，且模型的使用壽命和便捷存儲也需要得到一個合適的解決辦法。如果上述問題得到解決，將會徹底改變未來醫(yī)學(xué)培訓(xùn)及教育的模式。未來的研究預(yù)計將集中在以下幾個方向[36]：第一，大多數(shù)3D打印器官模型都是靜態(tài)的，這意味著它們無法模擬器官模型的動態(tài)狀況，比如心臟的搏動，因此將方便且準(zhǔn)確的動態(tài)功能（如驅(qū)動）納入器官模型會有助于更真實的手術(shù)演練；第二，雖然3D打印軟電子的初步集成已經(jīng)實現(xiàn)，但功能仍然有限，對于更復(fù)雜、多維的反饋應(yīng)用，需要開發(fā)不同類型的、功能更強大的保形電子器件，并將其集成到器官模型；第三，虛擬和輔助現(xiàn)實工具可以與器官模型結(jié)合使用，在外科模擬過程中可視化血管等精細(xì)特征；第四，將功能集成的3D打印器官模型應(yīng)用于各種手術(shù)環(huán)境下的實際病例中進(jìn)行評估，統(tǒng)計調(diào)查手術(shù)結(jié)果和患者安全性，采用大數(shù)據(jù)評估標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確、定量評估其有效性；最后，模型的各項異性特性可以通過控制打印路徑[37-38]和嵌入填料[39-40]的方向引入到3D打印器官模型中。