3D打印技術在卵巢癌手術中的應用價值

潘文博 蔡智慧 石軍榮 張惠 李雅釵 謝丹 劉春暉 白莎莎 杜曉欣

3D (three dimensions)打印技術是一種通過計算機輔助設計(computer aided design,CAD)讀取數據，然后在通過數據轉換，形成自動逐層構造三維模型的新興技術，是一種可以快速成型的技術。3D打印技術以常規通用的二維圖像例如CT、超聲、MRI等為基礎數據，通過專業的三維重建技術人員經過特殊的處理及格式的轉換，應用一些可粘合的材料，例如塑料、粉末狀金屬，通過將離散數據多層堆積最終成型的方法，經過這一系列步驟而得到3D實體模型?？傊焖?、直觀、準確的數字化立體模型圖像，離不開的專業的計算機輔助設計技術、數字化控制技術和新興的材料技術等高新技術以及專業訓練人員的多重配合，操作得到的，從而直接、快速、精確地制作出實體模型。3D打印技術最早是在工業技術領域開始應用[1]，隨著技術的不斷成熟發展，它正在迅速傳播到包括醫療保健在內的許多領域，并展現出了巨大的優勢[2]。卵巢腫瘤是常見的婦科腫瘤，可發生于任何年齡。對于卵巢癌患者有效的治療原則是以手術為主，化療為輔的綜合治療，早期行全面分期手術，晚期則行腫瘤細胞減滅術，術后輔以鉑類為基礎的聯合化療。由于盆腔解剖結構極其復雜，卵巢又位于盆腔的位置較深，早期卵巢癌不易被發現，而且晚期卵巢癌腫瘤包塊較大、易累及重要臟器以及腫瘤廣泛的轉移、粘連等情況導致手術難度大，風險高。為提高患者的預后，卵巢癌手術不僅要求醫生盡可能將病變組織完整切除，還要避免術中對重要神經、血管及周圍臟器造成損傷，因而臨床上一直在探索定位準確、手術精度高的輔助手段及治療方式。3D打印是一種快速成型的技術，具有精準化、個體化等技術優勢，近年來發展迅猛，目前已經廣泛應用于生物醫學行業。

1 3D打印技術

3D 打印技術雖然最開始是應用于工業生產，但隨著技術的不斷進步與發展，正廣泛應用在醫學教育和外科手術等領域。3D打印技術之所以在醫學領域愈發受到歡迎，是因為它現在已經具有通過特殊軟件根據生硬的二維醫學影像資料來打印生動復雜的實體器官和主要血管、淋巴等典型的幾何形狀，從而直接、快速、精確地制作出實體模型，完成實體器官、主要血管、淋巴等復雜立體圖形重現的能力。

3D打印技術在醫療領域主要有以下幾方面應用，包括：(1)外科手術的輔助：通過對二維影像的處理，打印出個體化、精準化的3D實體模型，顯示手術部位的解剖細節從而制定出詳細又準確的手術計劃[3]；有潛力制造可以在特定治療、手術前根據患者需求而生產的加藥裝置[4]；(2)個性化醫療器械的打?。和ㄟ^個性化醫療器械的應用，增加與患者的匹配度，提高手術質量，從而增加手術的安全性；(3)組織工程領域：通過3D打印創建的特定結構實現器官功能的恢復[5]；(4)基礎科研：通過對解剖的精確重現，可以更好地理解可能影響的潛在疾病管理；(5)醫學教育：通過模型再現，促進居民對醫學的了解，促進初級外科醫生對外科手術程序的理解；(6)患者咨詢：可以增強患者及其家屬對計劃干預的了解以及對預期結果和相關風險的了解[6]，3D 打印技術通過打印出實體模型，達到解剖模型的視覺與觸覺的結合反饋，可以實現從二維圖像的虛擬世界到三維實體模型的真實世界的轉變，同時由于模型的可移動性，可確保在任何一個所需要的環境(包括患者的床邊)都可立即使用。3D 打印模型突破了平面2D的局限，加之3D打印模型的顏色、透明度和柔軟度等參數更加豐富，能夠更直觀地呈現解剖結構，因此 3D 打印技術尤其是在骨科、口腔科、整形外科、肝膽外科、泌尿外科、心外科[7-12]等中得到了廣泛的應用，但在目前在婦科腫瘤手術中應用研究較少。

2 3D打印技術在卵巢癌手術中的應用

2.1 術前規劃 卵巢腫瘤是全身各臟器中原發腫瘤類型最多的器官，可在任何年齡發生，是常見的婦科腫瘤。卵巢腫瘤的組織成分具有復雜性，所以不同類型卵巢腫瘤在組織學結構以及生物學行為等方面都存在著較大的差異。卵巢上皮性腫瘤是最常見的卵巢腫瘤，占原發性卵巢腫瘤的50%～70%，占卵巢惡性腫瘤的85%～90%[13]。由于病例缺乏有效的篩查方法，故早期不易察覺。同時病例又缺乏有效的治療方法，故其致死率位于婦科惡性腫瘤的第一位。2015年中國癌癥統計數據顯示，我國每年新發卵巢癌病例5.21萬人，死亡2.25萬人[13]。

對于卵巢癌的治療規范，國內外的指南均將最大程度的腫瘤細胞減滅術及術后輔以規范化療作為晚期卵巢癌治療的首選和推薦方法。但由于卵巢位于盆腔的位置較深，同時晚期卵巢癌腫瘤包塊較大、累及重要臟器、腫瘤廣泛轉移粘連等情況使卵巢癌手術變得非常困難，所以卵巢癌的全面分期手術或者滿意的腫瘤細胞減滅術需要更加精細的術前討論、規劃和仔細的執行。既往卵巢癌手術前的規劃主要依據二維圖像，例如：CT、MRI，B超等，需要術者在自己腦海里形成3D模型，具有一定的局限性，不能清楚的了解腫瘤的具體解剖結構，在手術操作中具有一定的風險性。3D打印技術應用增強CT及MRI等完成3D數字模型的重現，通過放大、縮小、旋轉模型等更加清楚了解腫瘤的位置；通過透明度的調整、毗鄰器官的增加或者刪減功能可全方位了解腫瘤與周圍臟器的關系；通過模型的重現更加清楚的掌握腫瘤與大血管的關系以及腫大淋巴結情況[14]。在全方位掌握患者解剖特異性及腫瘤具體情況的條件下制定出個性化的手術方案[15]，提高手術成功率。

過去手術醫生在術前通常只能通過單純的影像學圖像，在大腦中自己形成三維圖像預演整個手術過程，預演的是否成功以及與實際手術過程中的差別大小可能與手術大夫的臨床經驗與手術次數直接相關。同時每個大夫由于臨床經驗的不同，其預想的程度可能有一定程度差別，這可能會影響到手術團隊在操作中的配合度。在3D打印模型的幫助下術者可提前行體外模擬手術，通過多次的體外手術的模擬訓練，可以讓手術醫生提前了解手術過程中的潛在困難，預測手術操作的風險，在真正手術過程中可以做到簡化操作、有條不紊，從而縮短手術時間、減少患者的術中出血量，提高術者自信。同時為與相關科室的術前溝通及術中會診做好準備。一項多中心研究評價了 3D 打印實體模型的優點以及其實用性。報告指出該模型能準確地反映了解剖結構，有助于術前計劃和減少手術時間[16]。

2.2 術中應用 卵巢癌患者初次治療的原則是手術為主，輔助化療、放療等綜合治療。對于早期的卵巢癌患者，應行全面分期手術，對于晚期患者，則應盡量完成最大限度的腫瘤細胞減滅術。腫瘤細胞減滅術與中位生存期呈正相關，同時是影響患者預后的一個獨立的危險因素。滿意的腫瘤細胞減滅術可以降低患者腫瘤負荷到最小，還可以提高患者對放化療的敏感性、改善免疫應答機制及減輕癥狀等。所以滿意的腫瘤細胞減滅術，尤其是無肉眼殘留(R0)，已經成為卵巢癌手術治療的目標。

三維可視化技術可以將我們從生硬的二維世界帶入生動的三維立體世界，3D打印技術的出現是三維可視化技術的進一步延伸與發展，通過視覺與觸覺相結合的反饋，實現從虛擬的三維立體圖像向三維實體的物理模型的跨越式轉變，通過收集患者的CT等影像學檢查數據，經過一系列專業步驟，打印出特定的3D模型，使得外科醫生可以從多個角度清晰立體的觀察到個體血管的變異情況、腫瘤橫向及縱向浸潤情況、判斷腫瘤是否侵犯血管、腫瘤的可切除性以及周圍解剖結構。同時外科醫生可基于3D打印模型進行術前模擬手術，根據具體情況設計出不同手術的入路和可切除的腫瘤方式，更加準確、直觀的顯示盆腔血管解剖和變異分支的起源、數目，大小，分子形狀及走形等，直觀的觀察患者的解剖情況，選擇最佳的個體化的手術方案，指導卵巢癌手術的精確操作，減少因個體解剖差異帶來的手術失誤[17]，既避免了重要臟器及重要神經血管的損傷，也可以更加準確、干凈的清除病灶，更好的完成滿意的腫瘤減滅術。楊壁然等[18]選取80例婦科腫瘤性病變行盆腔手術的患者，隨機分為三維重建組及對照組，比較手術時間、術中出血量、術中熱缺血時間、術中輸血量以及術后引流量及出血時間，2組差異均有統計學意義。

2.3 預后影響 卵巢癌初次治療的手術范圍及殘留病灶的大小是患者預后的獨立影響因素。淋巴結轉移是晚期卵巢癌的主要轉移方式，所以淋巴結切除數目及淋巴結轉移陽性也是患者預后的獨立危險因素[19,20]。腫瘤細胞減滅術與中位生存期呈正相關，同時是影響患者預后的一個獨立的危險因素。術者的術前規劃以及討論均需要依靠影像學檢查，而目前我們所依據的影像學只能是單純的二維圖像，由于其單調及生硬性，對于疾病的診斷以及病情的判斷可能會有所影響，手術過程中，術者也只能通過二維圖像在頭腦中自行構建三維模型，這便要求豐富的臨床操作經驗，同時在一定程度上影響手術時間及手術的流暢程度，以至于會增加并發癥的發病率。

3D打印的應用通過將二維圖像逐層分析轉化為虛擬的三維圖像，再到最終轉化成觸覺、視覺一體的3D打印模型，以獲得更好的診斷。手術醫生還可以通過3D打印實體模型進行體外手術模擬，通過視覺與觸覺的結合，對手術部位的血管、淋巴走形及周圍臟器的解剖結構有更加深入的了解，提前了解手術的困難及風險，提高手術的流暢度，為減少手術時間，減少術中出血量，減少周圍臟器損傷，提高手術質量打下了堅實的基礎，從而減少并發癥的出現。

2.4 醫患溝通 隨著社會的發展以及網絡的進步，患者就醫時心存疑慮，醫生行醫如履薄冰，導致醫患雙方的信任出現嚴重的缺失。我國的醫患矛盾相當突出，醫患關系日趨緊張。向醫務工作人員施暴的惡性事件在全國各地經常發生。據央視新聞2015年調查顯示：59.8%的醫務人員受過語言暴力，13.1%的受過身體傷害，僅有0.05%的醫患沖突是因醫療事故和差錯，絕大多數因醫患溝通不暢導致[21]。由此可知，良好的醫患溝通在構建和諧的醫患關系中起著關鍵性作用。由于醫療衛生服務行業的特殊性，其針對疾病或者診治過程中名詞的專業性以及技術性，使得醫務工作人員在對患者病情講解以及診療手段等方面溝通無形增加了困難，同時由于患者以及其家屬相關醫學專業知識的匱乏，在接收信息時難以接受與理解，同時對醫療工作的高風險、高強度、高技術認識不足，對醫療結果的期望值過高[22]?；挤揭坏┱J為沒有達到自以為的理想效果，糾紛難以避免。

如何提高醫療服務的質量，減少醫患糾紛，增加醫患之間的信任度以及加強醫患溝通的有效性已經成為臨床工作中必不可少的部分。而術前與患者及家屬的交代與討論是落實醫療質量核心制度中的重要環節，也是提高醫療質量、避免糾紛的不容小覷的環節。由于卵巢位于盆腔較深的部位，解剖結構非常復雜，手術風險會相對比較高，所以術前患者及家屬更有必要詳細完整的了解手術過程以及術中可能會出現的風險，故良好的醫患溝通顯得尤為重要。在醫生與患者及家屬交代病情時，為了交代準確，有時會需要專業的醫學詞匯來解釋，但患者家屬的醫學水平非常有限，故很難達到一致，有時為了能夠使其家屬可以清楚了解也會通過一些通俗易懂的例子來進行講解，但往往與理想的效果相差甚遠。

3D打印技術可以通過將原有黑白的二維圖像經過一系列步驟轉化成不同的動靜脈血管以及周圍解剖結構可以用不同的顏色標記的3D實體模型。將此類3D實體模型直接展示給患者及家屬，同時講解患者目前病情、手術操作的大致情況以及術后可能出現的一系列的并發癥等，使得患者及家屬對目前病情有更進一步的了解，同時可以協助慎重地對手術方式及手術范圍等做出理想的選擇。Abudayyeh等[23]通過3D打印技術進行術前疾病模型的打印，使患者及家屬了解其手術方式，接受可能存在的手術風險，同時取得患者及家屬對醫療行為的理解與認可，從而很大程度上減少了醫患糾紛的發生。這說明應用3D打印模型的使用在醫患溝通方面能夠起到很好地良好的效果[24]，醫患溝通的順利進行也在一定程度上為營造良好的醫療環境做出一定的貢獻，同時醫患溝通效率提高，家屬明確知曉手術風險，全力支持手術方案，術者精神壓力減小，也為在一定程度上增加醫者對自身技能以及自身行業的自信心。

患者的信任程度是用來評估醫患關系質量的重要標準之一，同時對患者健康狀態也具有十分重要的影響。隨著患者對醫務工作者信任的不斷提高，患者會更加積極主動的配合治療方案，增加與醫務工作者的溝通，同時患者本身對戰勝疾病的信心也會相應增加，對待自己的健康狀況更加樂觀，從而其健康狀態以及生活質量也會隨之提高。故通過3D打印技術構建的醫患溝通服務平臺為患者提供了豐富的疾病診療信息，能明顯提升患者對醫療服務的信任度，對于改善醫患關系、促進患者健康均有顯著的作用[25-29]。

2.5 教學應用 婦產科是實踐性非常強的一門課程，但當前教學中我們仍舊以課本為主，課本內容盡管豐富，但多為枯燥乏味的文字內容，學生們很難掌握復雜的解剖結構，以致學生們的學習熱情不夠，學習效果欠佳。眾所周知醫學生的臨床實習是其由學生團體轉變為臨床大夫的一個非常重要的過渡時期，同時也是逐步提高實踐能力以及不斷培養臨床思維的關鍵的過渡時期，所以該如何使醫學生在實習過程中更好、更快的適應學科的臨床環境；如何使學生更完美的將所學的理論知識與現有的臨床實踐相結合；如何在實習或規培學習過程中提高其學習興趣以及不斷鞏固相關的臨床知識儲備想的至關重要。然而對于如此關鍵的教學環節，在加之婦產科的相對復雜性，當前局限的教學方法顯得更為枯燥，如此使得老師教學，學生學習成為一項較為困難與艱巨的任務。

尸體標本教學又因為尸體來源的限制、保存條件嚴格、甲醛溶液的潛在危害性及可能面臨的倫理學和法律相關問題,往往難以滿足教學的實際需要。目前傳統的臨床實習以及規培學習通常是通過高年資大夫講課、教學查房、病歷書寫或參與科室病例討論等形式進行，這在很大程度上考察了學生對于本科室重點或難點疾病的了解程度，需要學生們有較多的相關知識積累。當然，臨床教學的過程中，不可避免的需要結合相關二維圖像教材，例如：解剖圖譜、教科書等文字教材；病理組織切片、計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、彩色 多普勒超聲(US)等，這對于剛剛接觸臨床的學生而言，需要詳細的了解到疾病周圍的解剖關系，同時形成相對較為立體的圖像相對而言較為困難，課本文字內容又較為枯燥，病理內容機制較為復雜，影像學資料相對較為片面無法形成較為立體的模型，以至于不能進行立體化、全方位的教學，在一定程度上束縛學生的主管能動性，打消學生的學習積極性。

3D打印技術的出現，為婦產科的教學提供了一個全新的思路，3D打印模型可以使同學們全方位、多角度了解患者的解剖結構，同時通過視覺與觸覺的雙重結合，學生能更加深刻的了解到人體結構的大致特點，在一定程度上可以使學生們清晰的掌握盆腔解剖結構，掌握臨床知識，從而提升學生們的學習積極性以及教學質量，也可以提高學生們理論聯系實踐的能力以及臨床思維能力[30]。同時對于一些年輕大夫而言，日常手術過程當中，由于術中手術視野的限制以及日常手術操作機會的缺失，不能很好的掌握住手術的操作要領以及操作技巧，3D打印技術的出現也可以使他們更加直觀的觀察到患者解剖特征，術前不斷學習，強化印象，同時體外模擬手術也可以增加他們參與手術的自信心，從而提高真正手術過程中的學習效果。因此將3D打印技術應用于醫學生的臨床教學、婦產腫瘤的學習以及年輕醫師的培訓工作當中，可以將婦科疑難手術教學可視化和三維立體化，有助于新型婦產醫學人才的培養。重視同時學會探索三維可視化及3D打印技術在婦產科學中的應用，利用其優勢，用最短的時間掌握最透徹的知識體系內容。

3 3D打印技術的不足及未來展望

近年來，3D打印技術憑借其高還原性、安全性和可重復性等優點在國內外各個學科中的應用越來越多，但該技術在某些方面仍存在著問題和挑戰。3D打印耗時比較長，打印一個模具一般需要5 h以上，同時收集病例數據資料，對數據資料進行分析，建立計算機模型也需要一定時間[31]。3D打印費用比較高，包括人工費、材料費、成像費用等[32]。由于3D打印最初用于工程學而非醫學，故缺乏相應的專業人員，在一定程度上限制了該技術的發展[33]。關于3D打印技術制造所需條件以及打印實體模型所需要的智能材料性能雖然有了初步的發展，但目前隨著3D技術的不斷發展，人們對其精細度有了更高的要求，仍缺乏復雜智能材料構件有效制造方法，需要進一步研究，但我們堅信3D打印技術憑著高精確度、個體化等獨特優勢，其臨床效果會越來越明顯。隨著3D打印價格合理化，專業技術人員的不斷增加，其在臨床領域大范圍應用也會起到很好的作用。同時隨著3D打印技術的進一步發展、完善，3D打印技術在治療婦科腫瘤方面的應用將會實現新的突破。

4 4D打印技術

3D打印技術是在計算機的輔助操作下，通過噴射、擠壓、熔融以及光固化等進行制作，最終得到觸覺與視覺相統一的三維實物。但我們所打印出來的3D實體模型只能表示某一時刻的患者體內狀態，但具體隨著時間的推移會發生何種變化，我們無從知曉。近年來，隨著技術人員對新型智能材料、數據到實體的操作過程及其機體刺激機制的不斷研究發展，可以對人體內外環境變化進行反應的4D打印技術在醫學領域的應用受到關注不斷增加。

4D打印技術可以減少3D打印模型的靜態局限性。其關鍵在于新型智能材料及其相應的機體刺激因素。4D打印是在3D打印的基礎上賦予時間軸上的形變，例如可以充分模擬人體組織愈合與再生的動態系統。給原有的3D打印技術注入了新的生命活力。2013年在美國TED大會上麻省理工學院的Tibbits[34]向與會者首次展示了4D打印技術。通過研究發現，4D打印一項革命性的實用工具，其所用的經典材料是溫敏性的形狀記憶材料。4D打印技術通過使用溫敏性形狀記憶材料等智能材料，在3D打印技術的仿生學基礎上實現動態的復雜構成組件的自由變形，也正是由此，4D打印技術才可更加精確的模擬人體組織的愈合以及逐步恢復再生的過程。4D打印可應用于藥物的傳送、生物支架、組織的自愈、器官的打印、人工血管等等[35-39]。

4D打印是多學科互相合作、發展而生成的一門交叉融合技術，如計算機學、材料學以及生物學等等，所以其發展也會在一定程度上受到相關學科發展的影響與制約。當然無論3D打印技術，還是4D打印技術都算是醫學方面的革命性工具，但其在婦科腫瘤手術方面的應用仍存在著極大的挑戰。