醫學3D打印在肝臟系統及其疾病中的應用及展望

孫誠，于長路（通信作者），賈科峰，王森，宋德釗

天津市第三中心醫院放射科 （天津 300170）

3D打印技術（three dimensional printing）也被稱作疊加制造工藝（additive manufacturing），是一種使用三維模型數據（stereolithography, STL files）通過逐層打印的方式制造3D模型的技術。3D打印技術可大規模定制、減少浪費，并且其設計不受拘束，具有制造復雜結構及快速成型的能力[1]。從20世紀80年代末該項技術誕生開始，短短數十年間3D打印技術在各個領域均取得了飛速的發展。特別是在生物科學領域，3D打印技術可以準確地制作出生物組織和器官的高保真實體模型[2]。目前，3D打印主要應用在骨科、整形外科及口腔科中[3-5]。但是，由于尚存在制作時間較長、造價過高及分辨力較差等諸多不足[4，6]，3D打印在一些相對復雜且具有精細解剖結構的系統中的應用尚處于起步和探索階段。現對3D打印在肝臟及肝臟疾病方面的應用進行綜述。

1 3D打印在制作肝臟模型中的應用

我們搜索國內外數據庫并從中獲取資料，對既往研究中肝臟3D模型的用途、制作時間、花費及3D后處理軟件、打印機、打印材料進行對比，見表1。

由表1可知，3D打印肝臟模型，特別是按照原肝1:1大小打印，需要花費50～100 h，甚至更長時間。對于急診患者來說，打印時間過長是他們無法使用3D模型進行術前規劃的主要原因[2]。如能根據臨床需要，僅打印肝臟內部血管或是某一部分肝臟，則打印時間相對較短。

3D打印的材料目前已趨于成熟，在文獻[2]和文獻[7]中均提到材料費并非肝臟3D模型費用高昂的主要原因，而Perica和Sun[18]認為3D打印的費用很大程度上取決于打印材料和打印尺寸。此外，由于肝臟3D模型的應用相對較少，制作工藝復雜，要制作出令觀察者滿意的模型需要圖形處理和3D打印方面的專業人員參與，導致人工成本較高。Javan和Zeman[19]在打印模型之前請了專業圖形設計人員對3D圖形進行修正，僅這一過程就花費了500美元。而Yao等[20]認為除去材料，3D打印軟件和硬件花費最高，發展中國家的臨床醫師很難承受3D打印的費用。

2 3D打印在肝臟及肝臟疾病中的應用

2.1 3D打印在肝臟腫瘤切除術中的應用

肝癌是最常見的肝臟原發性腫瘤[6]，在成人中發病率為4.9/10萬。患有肝硬化的患者肝癌發病率較高，這類患者的肝臟儲備功能較差，行外科肝段、肝葉切除術的難度較大。因此，外科手術前進行術前規劃、明確腫瘤和周圍血管結構的關系、估算殘肝體積對于術中控制出血量、術后避免出現肝功能衰竭等嚴重并發癥是至關重要的。Kuroda等[6]在為2例肝癌患者行肝切除術時，術中借助3D模型確定腫瘤和血管之間的關系，最終手術順利進行。Xiang等[12]報道了在為1例肝右葉巨塊型肝癌患者進行術前規劃時，使用肝臟3D打印模型觀察血管結構，發現該患者存在門靜脈變異，IV段門靜脈從門靜脈右前支發出，但該變異在術前CT血管造影（CT angiography，CTA）和MRI檢查中均未注意到。因此，手術方式由右半肝切除術變為窄緣右半肝切除術，保留了患者的門靜脈右前支和IV段的門靜脈分支。黃從云等[9]在為6例肝癌、3例肝血管瘤及3例肝內外膽管結石患者行肝臟切除術前，使用3D打印制作患者肝臟模型，隨后在模型指導下順利完成手術。王峻峰等[10]報道為1例肝癌患者打印3D肝臟模型，并在3D打印肝臟腫瘤及血管模型的引導下行肝臟中葉部分切除術，手術過程順利，手術時間180 min，術中出血300 ml，手術切除肝臟中葉腫瘤及周邊2 cm 肝臟組織，保留肝臟右前葉及右后葉的重要血管和膽管。

另據統計，結直腸癌5年內遠端轉移率約為16%[21]，由其引發的肝轉移癌占到了所有遠端轉移的30%[22]，結直腸癌肝轉移也是肝切除術的適應證。肝臟3D打印模型可以為肝轉移癌切除術提供術前規劃。Witowski等[2]報道了在1例經腹腔鏡結直腸癌切除術后復發肝轉移癌的患者中使用3D肝臟模型進行術前規劃，并順利行腹腔鏡右半肝切除術，術中出血150 ml，手術時間270 min，術后患者恢復良好無并發癥，組織病理學評估轉移癌R0切除，即切緣未發現癌細胞。Oshiro等[7]報道了在1例乙狀結腸癌術后1年復發肝轉移癌的患者中使用3D打印制作了僅有肝臟外圍輪廓、血管和腫瘤的3D模型，并在術前使用該模型制定手術計劃、模擬手術過程，術中比較實際手術過程和原先在3D模型上制定的計劃，最終手術順利完成，患者術后恢復良好，切緣組織學檢測呈陰性。Igami等[8]報道了2例結直腸癌并發肝轉移癌行肝切除術的患者，因術前給予化療，肝轉移癌灶中之一變小導致超聲未見，術前使用3D模型進行手術規劃，術中參考3D模型進行肝切除，術后經組織學證實切緣呈陰性，術前規劃取得成功。

表1 肝臟3D模型對比

2.2 3D打印在肝臟移植中的應用

由于肝源的稀缺增加了患者對活體肝移植（living donor livert ransplantation，LDLT）的需求[23]。LDLT手術中如何確保供肝者和受者的安全是至關重要的。術前使用3D打印確認血管和膽道解剖可以提供更好的手術規劃，避免為那些不適合行LDLT 的供肝者或受者行手術，從而減少并發癥的發生。Zein等[14]為6例行活體肝移植的患者（3位供肝者，3位受者）打印了肝臟3D模型，經過術前，術中，術后對比證實，肝臟3D模型不論從解剖學還是幾何學形態上都十分接近真實肝臟，平均尺寸誤差小于4 mm，血管直徑誤差小于1.3 mm，可以應用于術前規劃和教育教學。Soejima等[15]報道了1例11個月大的患有膽道閉鎖行肝移植術的女嬰，因供體肝（女嬰父親的肝左外葉）與受體體重（女嬰自身體重）之比(graft-to-recipient weight ratio，GRWR)過大，術前使用3D模型進行模擬修剪供體肝。Baimakhanov等[23]為1例丙肝肝硬化合并肝癌患者行肝移植術，術前3D打印供體肝臟（右半肝），同時打印用于重建肝靜脈支流的患者門靜脈Y形移植物，這不但可以幫助手術醫師制定合適的手術方案，還可以讓年輕的醫師更好的理解移植術中復雜的吻合情況。

2.3 3D打印在醫學教育中的應用

Javan等[24]認為復雜的3D模型可以用于醫學教學中展示正常的解剖和病理結構。對于正在學習肝臟解剖的醫學生或是剛剛接觸手術的外科醫師，很難從解剖學圖譜上對肝臟的分段和肝臟脈管系統的走行理解透徹。Kong等[16]打印了肝臟3D模型作為肝臟分段解剖學教學的輔助工具。為了證實教學效果，研究者分別打印了不含肝實質（僅血管）、含透明肝實質及有肝臟分段隔板和肝臟血管的3個3D模型，并將它們和傳統解剖學圖譜進行對比。最后得出結論，含分段隔板和肝臟血管的肝臟3D模型是最適合作為講解肝臟分段的輔助工具。Watson[17]制作出患者個體化的3D肝靜脈、門靜脈模型，用來在給年輕醫師和醫學生講解手術技術。

2.4 其他應用

除了上述主要應用，我們在文獻查閱中發現了3D打印在肝臟和肝臟疾病中還有一些特殊應用。Dhir等[25]打印3D膽道模型模擬經皮超聲膽道穿刺引流術。Takao等[26]制作出因各種原因（肝移植或其他外科操作）所致門靜脈狹窄的空腔模型，用于門靜脈狹窄血管內治療的術前模擬并評估模型的精度和準度。Javan和Zeman[19]制作出帶肝膿腫和腫瘤的肝臟模型，并且模擬了經頸靜脈門體分流術（TIPS）和經皮膽囊造瘺置管術等介入操作。

3 3D打印在肝臟系統中應用的展望

隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，其在肝臟領域方面的應用蓬勃發展，傳統的醫學診療模式正逐漸向數字化方向靠近。但就目前而言，3D打印仍然是一項需要花費大量時間和金錢的技術。尤其是在肝臟系統中，肝臟的不規則輪廓、復雜的內部脈管構成和肝段肝裂等解剖結構均是影響打印時間、成本和精度的重要因素。因此，在所查閱的文獻中，肝臟3D模型還主要是用于外科肝臟切除術前、肝移植術前的手術規劃，而且只見于一些個案報道[12]。目前，缺乏隨機對照試驗來確定3D打印肝臟模型在解剖教學、模擬手術、改善患者滿意度及提高臨床療效方面的效果。此外，介入放射學也是適合肝臟3D模型應用的領域之一，然而目前尚沒有這方面的報道。雖然存在諸多缺點，但肝臟3D模型作為數字化精準醫療的代表，已經逐步應用于各個臨床領域并取得了一些進展。我們相信，隨著技術及材料的進一步發展和成熟，3D打印肝臟模型勢必將在臨床應用上取得更大的突破。