3D打印技術(shù)在腎腫瘤手術(shù)治療及教學中的應用

李春建，張正園，王健明

(1.山東第一醫(yī)科大學(山東省醫(yī)學科學院)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，逐層累積打印構(gòu)建實體的技術(shù)。這種轉(zhuǎn)化成過程速度快，精確度高，不會出現(xiàn)構(gòu)建錯誤。近年來，由于醫(yī)學影像學技術(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)學領域有了很大的應用價值和發(fā)展前景[2]。目前3D打印技術(shù)在泌尿外科領域的研究剛起步，本文結(jié)合國內(nèi)外相關文獻資料就3D打印技術(shù)在腎腫瘤治療臨床教學過程中的應用作一綜述，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用

腎腫瘤是泌尿系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一，臨床上對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藥物、靶向和免疫治療等。目前，臨床上多采用二維腹腔鏡進行腎腫瘤手術(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)點在于術(shù)前提供更多的腎臟解剖細節(jié)，且可以真實觸摸腎臟模型[3]。ZHANG等[4]報告了使用3D打印技術(shù)打印腎腫瘤模型進行腫瘤，其有效性評分為7.8，真實感評分為6.0(按1～10分制計分)。有學者報道稱3D立體腎臟模型提供的觸覺和解剖信息比數(shù)字3D重建圖像更具優(yōu)勢，它可能會改變術(shù)前手術(shù)計劃并可以顯著提高復雜的保留腎單位手術(shù)的成功率[5]。韓興濤等[6]通過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系。研究結(jié)果顯示：與未行腎臟模型構(gòu)建的對照組相比較，其手術(shù)總時間、腎蒂阻斷時間均明顯縮短。

20%～30%的腎腫瘤患者在確診時已是晚期，術(shù)后可發(fā)生肺、肝等器官的轉(zhuǎn)移[7]，雖然當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，越來越多的國內(nèi)外專家深入到將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，有研究探索了通過3D打印技術(shù)制造手術(shù)器械的可行性，并評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)器械的使用總價的25～30%。KONDOR等[11]研究了3D打印手術(shù)器械過程中所產(chǎn)生的高溫可以直接用于器械的消毒滅菌，使得從打印機中新生產(chǎn)出來的器械是無菌的，減少了產(chǎn)品在包裝時需要進行消毒的這一步驟，從而進一步降低成本。TZOUNIS等[12]研究的聚乳酸手術(shù)牽開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，會有更多更經(jīng)濟且具有特殊功能的3D打印手術(shù)器械應用于臨床。

國外已有機構(gòu)成功的利用3D打印技術(shù)制造了腹腔穿刺器、牽開器、鑷子、止血器械等多種手術(shù)器械，并測試了其在手術(shù)中的功能。DEL JUNCO等[8]使用3D打印機制作腹腔鏡手術(shù)所需的腹腔穿刺器，并成功地在豬和人尸體模型上進行了試驗。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，利用3D打印技術(shù)制造的設備在手術(shù)室中的應用可能會越來越普遍。

1.2 3D打印技術(shù)構(gòu)建腎臟實體模型用于腎腫瘤手術(shù)及教學3D實體模型可以準確地描繪出腎臟內(nèi)外的動靜脈大小、粗細及走形，同時可以清楚顯示腎集合系統(tǒng)以及復雜的腎臟腫瘤大小、浸潤深度、相鄰解剖結(jié)構(gòu)之間的關系等。正是因為這種優(yōu)勢，使其在腎腫瘤手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃中得以很好的應用。

KOMAI等[13]在術(shù)前用3D打印技術(shù)制作了患腎實體模型并在模型上進行模擬腎臟腫瘤切除手術(shù)，然后再進行真正的活體腎腫瘤切除手術(shù)。結(jié)果表明3D打印的腎臟腫瘤實體模型及其模擬切除范圍幾乎與手術(shù)標本相同。有學者報道用實體模型規(guī)劃腹腔鏡下部分腎切除術(shù)，術(shù)中失血更少，切緣陽性率低，住院時間均有縮短[14]。另有報道術(shù)前對患者腎臟進行3D打印，在實體模型做出來之后，有30%～50%的外科醫(yī)生改變了原定的手術(shù)方式[15]。GOLAB等[16]報道了將3D打印技術(shù)用于手術(shù)治療復雜的伴有轉(zhuǎn)移性心房癌栓的腎腫瘤，充分說明3D模型可用于跨學科的復雜手術(shù)，不同專業(yè)的醫(yī)生通過腎臟實體模型相互溝通有助于手術(shù)配合，使不同專業(yè)的醫(yī)師在術(shù)中成為一個團隊，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腎臟實體模型在手術(shù)規(guī)劃中的應用 UKIMURA等[17]利用3D重建圖像對接受機器人輔助腹腔鏡部分腎切除術(shù)的患者進行術(shù)前評估。通過使用3D圖像清晰的將供應腎臟腫瘤的血管顯示了出來，從而實現(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個月的隨訪后均無腫瘤復發(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腹腔鏡圖像上以識別目標腫瘤的具體位置，從而使定位更加精準。ZHANG等[19]打印了10個腫瘤分期為T1的腎腫瘤3D腎臟模型，并將其分給經(jīng)驗豐富的泌尿科醫(yī)生進行研究，所有參與研究的醫(yī)生均認為3D打印腎臟模型可以用于術(shù)前計劃和模擬訓練。腎臟3D模型的使用讓外科醫(yī)生在術(shù)前對模型進行操縱并了解腫瘤的大小及浸潤深度，有助于進行手術(shù)醫(yī)生術(shù)前進行手術(shù)方式的選擇。

1.2.2腎臟實體模型在手術(shù)模擬中的應用 隨著更類似于生物活組織的樹脂材料問世，3D打印技術(shù)在腎腫瘤的治療方面又取得了進一步的發(fā)展。3D打印實體模型從原本的用于醫(yī)學教育和術(shù)前手術(shù)計劃發(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)果與對照組相比，手術(shù)組的腎缺血時間短，估計失血量少，切緣陽性率低，住院時間均有縮短，且術(shù)后并發(fā)癥更少[20]。有學者對對3D打印腎臟模型在機器人輔助下的腹腔鏡腎部分切除術(shù)中的作用進行了評估，結(jié)果顯示，進行術(shù)前手術(shù)模擬組的手術(shù)時間比對照組短；模擬手術(shù)切除的“腫瘤組織”與實際切除的腫瘤組織無明顯差異[3]。術(shù)前對患者特定的腎臟模型進行手術(shù)模擬，可以加深對腫瘤位置、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]。

通過用3D模型進行手術(shù)演練可以了解患者腎臟解剖、手術(shù)過程以及可能出現(xiàn)的手術(shù)風險。手術(shù)醫(yī)師綜合評判后可能會改變原有的手術(shù)方法以提高手術(shù)切除腫瘤精確度，從而改善患者預后[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)時間，減少失血量和腎臟熱缺血時間。GOLAB等[22]用CT數(shù)據(jù)創(chuàng)建出三維復雜的腎腫瘤患者3D硅膠腎臟模型，并進行腹腔鏡腎腫瘤切除手術(shù)模擬訓練，從而獲得充分的經(jīng)驗，提高醫(yī)師的手術(shù)技能操作水平，從而提高手術(shù)效率。患者的活體腎部分切除術(shù)的平均時間短于硅膠模型的平均時間，并且減少了腎臟熱缺血時間。

1.2.3腎臟實體模型在醫(yī)學教育及醫(yī)患溝通中的應用 醫(yī)學生和年輕醫(yī)生的教育是一項艱巨的任務。當前，臨床上常用諸如圖畫、CT、磁共振等二維圖像對患者及年輕醫(yī)師進行醫(yī)學教育，而3D打印腎臟實體模型因其可視化、形象化的優(yōu)點，可以替代傳統(tǒng)二維圖像作為醫(yī)學教育的新工具。SILBERSTEIN等[23]將3D打印的腎臟模型用作年輕泌尿外科醫(yī)師的教學工具，從而提高了他們對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]報告在初步考慮進行腎部分切除術(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手術(shù)的了解程度以及對生存時間的滿意度。與沒有進行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，其對腎臟基本生理功能的了解提高了16.7%，對腎臟解剖學的理解提高了50%，對腎腫瘤特征的理解提高了39.3%，對手術(shù)過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)訓練模型。GHAZI等[26]開發(fā)了用于腹腔鏡腎部分切除手術(shù)訓練的腎臟模型，并證明了這種模型用于手術(shù)技能培訓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值。SMEKTALA等[27]創(chuàng)建了用于手術(shù)訓練的低成本有機硅腎臟模型，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度，可以用于腹腔鏡手術(shù)訓練。CHEUNG等[28]為年輕醫(yī)師開發(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。

腎臟實體模型除了在醫(yī)院中使用外，現(xiàn)在一些醫(yī)學院也將3D打印技術(shù)和重構(gòu)技術(shù)(如虛擬現(xiàn)實技術(shù))用于大學解剖課程學習，從而加深他們對腎臟解剖結(jié)構(gòu)特征的理解。同時，還可以減少對醫(yī)學院對昂貴的且難以得到的尸體的需求[29]。此外，將3D打印技術(shù)用于開發(fā)外科教育的模擬模型和培訓設備，對泌尿外科學員來說可能是一個寶貴的資源。例如，RENAI等[30]開發(fā)一種基于平板電腦的便攜式標準腹腔鏡技能培訓系統(tǒng)，可以用作泌尿外科醫(yī)師進行腹腔鏡腎腫瘤切除術(shù)培訓工具。

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)在治療腎腫瘤過程中有著重要的意義，但目前仍存在許多問題及挑戰(zhàn)。①大多數(shù)關于3D打印用于治療腎腫瘤的研究樣本量較小。②昂貴的費用和時間成本：在當前大多數(shù)患者不富裕、優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源不足、醫(yī)患關系緊張的大環(huán)境下，3D打印創(chuàng)建所需的費用和時間成本也是一個很大的問題。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)相關知識，雖然當前有很多關于數(shù)字建模技能的書籍供醫(yī)師閱讀學習，其學習進度很慢且效果堪憂[31];其次，很多3D打印材料多數(shù)無法承受傳統(tǒng)的高壓滅菌條件，當前也沒有對其他可替代高壓滅菌的消毒方法進行研究[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驗室研究階段，尚不能用于臨床[33]。最后，3D打印技術(shù)還缺少監(jiān)管和管理標準，目前有些機構(gòu)利用3D打印醫(yī)療設備大肆賺錢，進一步加重患者醫(yī)療負擔[34]。④隨著傳統(tǒng)醫(yī)學影像3D重建技術(shù)的進步與成熟，3D打印技術(shù)在對腎腫瘤手術(shù)治療的指導和教學方面的優(yōu)勢并不明顯。

2 展 望

隨著3D打印技術(shù)的進一步發(fā)展、完善，3D打印技術(shù)在治療腎腫瘤的應用將會實現(xiàn)新的突破。首先，傳統(tǒng)醫(yī)學影像的三維重建、新興的虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)眼鏡等人工智能技術(shù)以及3D打印技術(shù)會結(jié)合起來，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)進行，這種技術(shù)值得期待[35]。其次，可以使用3D打印技術(shù)進行治療腎腫瘤的藥物開發(fā)，獲得更多個體化的腎腫瘤化療藥物。已有相關研究使用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)化藥物進入人體后釋放曲線的有效作用[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用于腎腫瘤化療藥物測試，將分別測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)的進一步突破，將特定的干細胞放置到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。