3D打印技術(shù)在泌尿系結(jié)石手術(shù)中的應(yīng)用

Application of 3D printing technology in urinary calculi surgery

MAIMAITIAILI Batur¹，LI Xun²，LIU Bide²

（1.Graduate School of Xinjiang Medical University，Urumqi 830054;2.Department of" Urology，People’s Hospital of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830001，China）

ABSTRACT：Three-dimensional （3D） printing technology is a method that utilizes imaging data to fabricate precise models of both visual and tangible tissue organs using corresponding materials.With the advance in imaging equipment，materials，and printing techniques，the utilization of 3D printing in surgery is becoming increasingly prevalent.Presently，3D printing is extensively employed in the planning of surgery to remove urological calculi，preoperative simulation，professional training，and doctor-patient communication.Due to its capacity to furnish comprehensive and precise anatomical information，3D printing significantly enhances the efficacy and safety of ureteroscopy and percutaneous nephrolithotomy，reduces medical students and young doctors’ learning curve of surgical procedures，and amplifies the effectiveness of doctor-patient interaction.This article provides an overview of the current application status and research advance of 3D printing in urinary calculi surgery.

KEY WORDS：3D printing technology;urinary calculi;percutaneous nephrolithotripsy；retrograde intrarenal surgery;kidney stones；doctor-patient interaction; medical teaching

摘要：3D打印技術(shù)是基于影像學(xué)資料，運(yùn)用相應(yīng)材料生成可視化且可觸及的組織器官精確模型的技術(shù)。隨著影像設(shè)備、打印材料及技術(shù)的不斷革新，3D打印技術(shù)在外科領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，目前已在泌尿系結(jié)石手術(shù)的規(guī)劃、術(shù)前模擬、專業(yè)培訓(xùn)及醫(yī)患溝通等多個(gè)環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用。本文對3D打印在泌尿系結(jié)石手術(shù)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。該技術(shù)因能夠提供全面且精確的解剖信息，顯著提高了輸尿管軟鏡碎石術(shù)和經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)的有效性和安全性，縮短了醫(yī)學(xué)生和年輕醫(yī)生的手術(shù)學(xué)習(xí)曲線，并提升了醫(yī)患溝通的效率。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；泌尿系結(jié)石；經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)；輸尿管軟鏡碎石術(shù)；腎結(jié)石；醫(yī)患溝通；醫(yī)學(xué)教學(xué)

中圖分類號：R691.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1009-8291.2024.12.017

收稿日期：2024-02-29 修回日期：2024-03-31

通信作者：李循，副主任醫(yī)師。E-mail：369180474@qq.com

作者簡介：麥麥提艾力·巴圖爾，碩士研究生在讀。研究方向：泌尿系結(jié)石的診治。E-mail：2382187877@qq.com

泌尿系結(jié)石發(fā)病率較高，可引起劇烈疼痛、血尿、尿路梗阻和感染，甚至誘發(fā)腎功能損害及感染性休克，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，因此及時(shí)有效地處理泌尿系結(jié)石非常重要^[1-2]。腎結(jié)石是最常見的泌尿系結(jié)石之一，經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)（percutaneous nephrolithotripsy，PCNL）和輸尿管軟鏡碎石術(shù)（retrograde intrarenal surgery，RIRS）是目前治療腎結(jié)石最有效的手術(shù)方式，具有凈石率高、創(chuàng)傷小等優(yōu)勢，但仍存在結(jié)石殘留、出血、感染、損傷鄰近組織臟器等不足^[3]，此外，這兩種術(shù)式（尤其是PCNL）的學(xué)習(xí)曲線較長^[4]。3D打印技術(shù)是近些年迅速崛起的新技術(shù)，該技術(shù)不采用復(fù)雜的機(jī)械加工，而是通過計(jì)算機(jī)分析軟件對實(shí)物圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而構(gòu)建出精準(zhǔn)的三維模型，并利用相應(yīng)材料快速打印出任意形狀的實(shí)物模型，這些模型不僅具有可視性和可觸性，并且具有較高的解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性。因此，3D打印技術(shù)極大地提升了手術(shù)的有效性和安全性，在外科學(xué)領(lǐng)域廣受歡迎^[5]。在泌尿外科領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)能有效提高術(shù)者對手術(shù)部位精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)知與理解，特別是在腎上腺、腎癌、膀胱癌、前列腺癌的手術(shù)治療方面^[6]。而近年來3D打印技術(shù)也逐漸被用于泌尿系結(jié)石的手術(shù)治療領(lǐng)域，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。本文旨在對3D打印技術(shù)在泌尿系結(jié)石方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對未來進(jìn)行展望。

1 3D打印技術(shù)及其技術(shù)類型

20世紀(jì)80年代CHARLES首次推出了3D打印技術(shù)，并獲得了立體光刻（stereolithography apparatus，SLA）技術(shù)專利^[7]。該技術(shù)最早應(yīng)用于汽車、航空、航天、建筑等領(lǐng)域，直到21世紀(jì)初期，嘗試被引入醫(yī)療行業(yè)^[8]。目前3D 打印技術(shù)已在醫(yī)療行業(yè)（尤其是外科領(lǐng)域）得到廣泛應(yīng)用，其關(guān)鍵用途包括：個(gè)性化植入物、假肢、手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)工具、組織工程、培訓(xùn)和模擬工具等^[9]。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，該技術(shù)可通過提取電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）或磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建3D 數(shù)字模型，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行細(xì)節(jié)修改，然后將該文件上傳到 3D 打印機(jī)，由打印機(jī)逐層打印組織、器官的精準(zhǔn)模型^[10]。3D打印可以根據(jù)所使用的技術(shù)、材料和目標(biāo)沉積過程進(jìn)行分類。技術(shù)類型包括SLA、多噴射打印（multi-jet printing，MJP）、PolyJet打印、數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）、彩色噴射打?。╟olor-jet printing，CJP）、熔融沉積建模（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、層壓物體制造和電子束熔化。材料分類包括熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、共晶金屬、合金金屬、光聚合物、紙、箔、塑料薄膜和鈦合金。目標(biāo)沉積工藝分類包括基于逐滴沉積的PolyJet打印和基于連續(xù)沉積的FDM。其中SLA是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最常用的一種3D打印方法，其準(zhǔn)確性高，但價(jià)格貴、打印時(shí)間長^[11]。

2 3D打印技術(shù)在PCNL中的應(yīng)用

國際尿石癥聯(lián)盟經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)指南指出，PCNL是結(jié)石最大徑＞2 cm、多發(fā)性結(jié)石和腎下盞結(jié)石的一線治療方法^[12]，該方法具有凈石率高、手術(shù)時(shí)間短等優(yōu)勢。然而，PCNL術(shù)后可能發(fā)生出血、感染及周圍重要臟器損傷等并發(fā)癥。其中出血作為最常見的并發(fā)癥，發(fā)生率約9.4%^[3]。PCNL引發(fā)出血的原因往往是穿刺通道設(shè)計(jì)不合理或目標(biāo)腎盞穿刺所導(dǎo)致的血管損傷。因此，選擇最適合的腎盞進(jìn)行穿刺、精準(zhǔn)建立穿刺通道，對于提高結(jié)石清除率、預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生至關(guān)重要^[13]。目前PCNL手術(shù)常用B超或X線來輔助定位穿刺，只能提供二維且不完整的解剖圖像，并且受到肋骨、周圍臟器的影響無法觀察腎臟整體結(jié)構(gòu)，影響穿刺的精準(zhǔn)度^[14]。因此亟需一種能夠準(zhǔn)確展示患者腎臟結(jié)構(gòu)、結(jié)石位置、血管分布以及腎臟周圍組織器官之間關(guān)系的工具，3D打印技術(shù)很好地滿足了這一臨床需求。多項(xiàng)研究表明，3D打印技術(shù)具備極高的解剖精細(xì)度，能清楚地顯示患者腎臟集合系統(tǒng)、血管及結(jié)石解剖位置，可為術(shù)者提供精準(zhǔn)的解剖信息，提高了手術(shù)的安全性及效率^[15-16]。LIU等^[17]和CUI等^[18]進(jìn)行的隨機(jī)對照研究顯示，利用3D打印技術(shù)制作的患者腎臟模型，可以在術(shù)前模擬規(guī)劃中確定最優(yōu)的穿刺點(diǎn)和穿刺路徑，不僅能顯著提高PCNL的結(jié)石清除率，還能有效減少手術(shù)過程中的出血，降低并發(fā)癥發(fā)生率，從而縮短手術(shù)時(shí)間和患者的住院時(shí)間。GAO等^[19] 基于3D打印技術(shù)制作了一種經(jīng)皮腎穿刺導(dǎo)板，通過患者的CT尿路造影（computed tomography urography，CTU）數(shù)據(jù)構(gòu)建腎臟、周圍臟器及肋骨的3D圖像，并使用軟件在圖像上制定最佳穿刺路徑，在此基礎(chǔ)上制作個(gè)性化PCNL穿刺導(dǎo)板模型，術(shù)中將此導(dǎo)板貼合于術(shù)區(qū)，在導(dǎo)板引導(dǎo)下沿著預(yù)先制定的穿刺路徑進(jìn)行穿刺，并在B超輔助下進(jìn)行微調(diào)，結(jié)果表明與對照組相比，導(dǎo)板組可提高穿刺通道定位的精度、縮短穿刺時(shí)間、減少術(shù)中失血量及出血相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生，經(jīng)皮腎穿刺導(dǎo)板是一個(gè)有效并安全的PCNL術(shù)前輔助工具。綜上，3D打印技術(shù)給泌尿外科醫(yī)生提供了精確的解剖信息，對提高PCNL手術(shù)的有效性及安全性具有重要作用。

3 3D打印技術(shù)在RIRS中的應(yīng)用

RIRS為自然腔道內(nèi)手術(shù)，具有創(chuàng)傷少、出血風(fēng)險(xiǎn)較低等優(yōu)勢，被歐洲泌尿協(xié)會指南推薦為＜20 cm腎結(jié)石的一線治療方案^[20]，但對于結(jié)石負(fù)荷大或下盞結(jié)石者，結(jié)石清除率達(dá)不到預(yù)期的效果。眾所周知，腎盂漏斗部夾角（infundibulo pelvic angle，IPA）、腎下盞漏斗部長度 （infundibu larlength，IL） 是影響RIRS手術(shù)成功的重要因素^[21]。手術(shù)前準(zhǔn)確定位結(jié)石、評估結(jié)石負(fù)荷、測量IPA、IL等參數(shù)，對RIRS手術(shù)的成功有著至關(guān)重要的作用。3D打印技術(shù)恰好可以提供準(zhǔn)確的解剖信息，幫助醫(yī)生觀察、測量腎臟及結(jié)石相關(guān)參數(shù)，并可進(jìn)行術(shù)前實(shí)操。梁陽冰等^[22]納入114例復(fù)雜性腎結(jié)石患者進(jìn)行隨機(jī)對照試驗(yàn)，結(jié)果顯示采用3D打印輔助RIRS可減少患者手術(shù)時(shí)間及術(shù)中出血量，降低手術(shù)創(chuàng)傷及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，但結(jié)石清除率未見明顯提高。李卿等^[23]術(shù)前利用3D打印技術(shù)，為行PCNL聯(lián)合RIRS的腎下盞結(jié)石患者制作了腎臟及輸尿管的3D模型，并利用3D模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃和術(shù)前模擬，不僅降低了并發(fā)癥發(fā)生率，還提高了結(jié)石清除率。夏宗禹等^[24]的隨機(jī)對照試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在復(fù)雜性腎結(jié)石雙鏡聯(lián)合手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值，試驗(yàn)結(jié)果表明相較于根據(jù)CT結(jié)果直接進(jìn)行手術(shù)的患者，3D打印組在術(shù)前通過模型制定更精確的手術(shù)方案并進(jìn)行模擬手術(shù)，能夠顯著提高結(jié)石清除率、減少術(shù)中出血量、縮短手術(shù)時(shí)間，并加速康復(fù)進(jìn)程，同時(shí)還可減少對肝腎功能的損傷。上述研究說明通過3D打印模型可準(zhǔn)確測量結(jié)石負(fù)荷、位置、IPA、IL等參數(shù)，并能在RIRS術(shù)前進(jìn)行模擬手術(shù)，對復(fù)雜腎結(jié)石及下盞腎結(jié)石的RIRS手術(shù)具有指導(dǎo)作用，進(jìn)一步提升了手術(shù)的安全性，提升了醫(yī)患溝通的效率。

4 3D打印技術(shù)在泌尿系結(jié)石手術(shù)的教學(xué)、培訓(xùn)中的應(yīng)用

PCNL對手術(shù)技術(shù)要求較高，只有精準(zhǔn)的定位和精細(xì)的穿刺操作才能保證手術(shù)的順利完成。PCNL的學(xué)習(xí)曲線在20～100 次手術(shù)操作，為熟練掌握手術(shù)技術(shù)需要進(jìn)行更多更有效的訓(xùn)練和實(shí)操。對此，泌尿外科醫(yī)生會通過各種模型進(jìn)行正式手術(shù)之前的操作訓(xùn)練，比如虛擬模擬訓(xùn)練器、人工3D模型和活體動(dòng)物模型。虛擬模擬訓(xùn)練器價(jià)格昂貴（約100 000美元），而動(dòng)物模型不能準(zhǔn)確復(fù)制人體解剖結(jié)構(gòu)，并且是一次性的，需要嚴(yán)格消毒以及倫理審核^[4]。3D打印技術(shù)提供了精準(zhǔn)的腎臟模型，用軟性材料制作，能夠更加真實(shí)的模擬腎臟及輸尿管，有效幫助泌尿外科醫(yī)生進(jìn)行PCNL訓(xùn)練。ALI等^[25]開發(fā)了一種3D打印模型用來培訓(xùn)PCNL手術(shù)，該模型由兩部分組成，第1部分是人體軀干，包括硬性材料制作的脊柱、肋骨，軟性材質(zhì)制作的腹部輪廓，第2部分是腎臟和輸尿管。訓(xùn)練模型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有腎內(nèi)脈管系統(tǒng)和完整的集合系統(tǒng)，可以模擬 PCNL穿刺及擴(kuò)張過程。上述研究將40名住院醫(yī)師隨機(jī)分成兩組，對照組用URO Mentor^TM模擬器進(jìn)行培訓(xùn)，試驗(yàn)組用3D打印模型進(jìn)行培訓(xùn)，培訓(xùn)結(jié)束后通過李克特量表來評估PCNL訓(xùn)練相關(guān)的學(xué)習(xí)曲線，結(jié)果顯示試驗(yàn)組各項(xiàng)評分明顯高于對照組，由此得出3D打印是更具有真實(shí)性、有效性的培訓(xùn)方法，可以有效縮短PCNL訓(xùn)練相關(guān)的學(xué)習(xí)曲線。

由于操作區(qū)域狹小、腎臟集合系統(tǒng)的解剖存在多樣性、手術(shù)器械（輸尿管軟鏡）的脆弱性以及潛在的嚴(yán)重并發(fā)癥使得RIRS的順利完成面臨著很大的挑戰(zhàn)。因此，對輸尿管軟鏡的熟練操作是RIRS手術(shù)成功的重要前提。新手醫(yī)生在手術(shù)中直接上手實(shí)操訓(xùn)練顯然是不現(xiàn)實(shí)的，所以對于活體動(dòng)物模型、虛擬訓(xùn)練器以及3D訓(xùn)練模型等腔內(nèi)泌尿外科模擬程序的開發(fā)與應(yīng)用非常必要^[26]。其中，3D打印模型因極高的解剖精度在RIRS訓(xùn)練中發(fā)揮著重要的作用。ORECCHIA等^[27]開發(fā)了一種可以進(jìn)行RIRS模擬手術(shù)的模型，他們選擇了6種不同復(fù)雜性腎結(jié)石患者的CTU影像，并制作3D打印的訓(xùn)練模型，該模型的優(yōu)點(diǎn)是模擬的真實(shí)性高且材料具有可選擇性（對腎臟使用透射線的聚合物，結(jié)石使用不透射線的材料）以及幾乎無限次數(shù)的可重復(fù)使用性。該模型在實(shí)際培訓(xùn)中取得了非常好的效果，手術(shù)過程的真實(shí)性得到了認(rèn)可。另一項(xiàng)研究推出的3D打印模型也同樣展示了極高的真實(shí)性和有效性，并且使用成本相對較低，可作為醫(yī)學(xué)生以及年輕醫(yī)生教學(xué)、培訓(xùn)的首選^[28]。雖然上述訓(xùn)練模型已經(jīng)覆蓋了不同復(fù)雜程度的碎石訓(xùn)練，但輸尿管條件也會對RIRS的成功率造成一定的影響，所以訓(xùn)練模型也要考慮到輸尿管的解剖位置、管腔直徑等問題。BOULENGER等^[29] 根據(jù)真實(shí)案例創(chuàng)建了一套由腎、輸尿管和膀胱組成的高保真3D軟性輸尿管鏡模擬器，并評估其有效性。由19名參與者進(jìn)行兩次手術(shù)培訓(xùn)，結(jié)果表明此培訓(xùn)模式能夠提升訓(xùn)練效果，取得了學(xué)員的高度認(rèn)可，該模型能夠提高年輕醫(yī)生行RIRS的能力，并且價(jià)格合理，利于推廣。

5 3D打印技術(shù)在泌尿系結(jié)石手術(shù)的醫(yī)患溝通方面的應(yīng)用

醫(yī)患溝通是當(dāng)今醫(yī)療環(huán)境中十分緊張的問題。有效的醫(yī)患溝通不僅能增進(jìn)醫(yī)患間的互相信任，還可能直接影響診療成果。導(dǎo)致醫(yī)患溝通不順利的主要原因是醫(yī)生與患者及家屬之間存在信息差異^[30]。在泌尿系結(jié)石手術(shù)治療中，術(shù)前談話是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，告知患者病情、手術(shù)大致過程、潛在風(fēng)險(xiǎn)以及手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥是避免手術(shù)后發(fā)生不必要醫(yī)患矛盾的最有效辦法。目前泌尿系結(jié)石術(shù)前談話模式還是醫(yī)師通過患者的影像學(xué)圖像來解釋患者病情、手術(shù)方案及風(fēng)險(xiǎn)。在此過程中，患者及家屬因缺乏相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識，可能無法充分理解談話內(nèi)容，導(dǎo)致談話效果不佳。3D打印技術(shù)使得患者疾病部位形態(tài)等完全可視化，提高了患者及家屬對疾病的認(rèn)識及相應(yīng)治療手段的理解。CHOI等^[31]在患者PCNL術(shù)前談話中使用了3D打印腎臟模型，結(jié)果表明患者對腎臟解剖和 PCNL 手術(shù)過程的理解有所提高，溝通滿意度有所提升。LIU等^[17]術(shù)前打印患者腎臟的3D模型，用透明材料制作腎實(shí)質(zhì)，用紅色、藍(lán)色分別標(biāo)記腎臟動(dòng)脈、靜脈血管，用黃色表示腎結(jié)石，并使用該模型對患者及家屬講解疾病情況、手術(shù)方式、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥等，結(jié)果表明3D打印是有效的醫(yī)患溝通工具，可明顯提升溝通效果及效率。

6 小結(jié)與展望

盡管3D打印技術(shù)在外科領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，然而在使用過程中還存在一些不足，例如：①制作費(fèi)用昂貴，相關(guān)打印機(jī)器及材料的高價(jià)阻礙了3D打印技術(shù)的普及和推廣；②制作時(shí)間長，導(dǎo)致患者住院時(shí)間延長，增加患者不必要的住院費(fèi)用；③技術(shù)要求高，需專業(yè)人員進(jìn)行操作，這也阻礙了該技術(shù)在各個(gè)醫(yī)院的廣泛開展；④根據(jù)術(shù)前影像打印的模型，可能與術(shù)中真實(shí)情況存在差異，如體位、人工腎積水等影響，這會導(dǎo)致術(shù)中B超或X線定位穿刺與術(shù)前模擬之間存在一定的差異。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，期待以上問題會得到解決。此外，隨著手術(shù)機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的進(jìn)步，并與3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可能會為腎結(jié)石的手術(shù)治療帶來更精準(zhǔn)的模擬、更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)患溝通及更優(yōu)化的培訓(xùn)方式。

綜上所述，3D打印技術(shù)給整個(gè)醫(yī)療行業(yè)帶來了更多的選擇和便利，在泌尿系結(jié)石診治方面更是展現(xiàn)出了重要的價(jià)值。因其具有很高的解剖準(zhǔn)確度，術(shù)者可精確觀察到腎臟結(jié)構(gòu)，進(jìn)行術(shù)前模擬和手術(shù)規(guī)劃，因此提高了PCNL和RIRS手術(shù)的清石率、降低了相關(guān)并發(fā)癥、縮短了手術(shù)時(shí)間以及患者恢復(fù)時(shí)間，更是對醫(yī)學(xué)生、年輕醫(yī)生的教學(xué)和培訓(xùn)起到了重要的作用，明顯縮短了PCNL和RIRS手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線，同時(shí)也提高了醫(yī)患溝通的有效性，讓患者及家屬對病情和手術(shù)方式有了更深的理解，對和諧的醫(yī)患關(guān)系起到了促進(jìn)作用，值得在臨床推廣應(yīng)用。

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（編輯 郭楚君）