3D打印技術在腎腫瘤手術治療及教學中的應用

李春建，張正園，王健明

(1.山東第一醫科大學(山東省醫學科學院)研究生處，山東泰安 271016；2.臨沂市人民醫院泌尿外科，山東臨沂 276001)

3D打印技術是查爾斯·赫爾(CHARLES HULL)于1986年發明的[1]。這是一種以三維數字模型為基礎，逐層累積打印構建實體的技術。這種轉化成過程速度快，精確度高，不會出現構建錯誤。近年來，由于醫學影像學技術和圖像處理技術的發展以及各種新型材料的出現，使得3D打印技術在醫學領域有了很大的應用價值和發展前景[2]。目前3D打印技術在泌尿外科領域的研究剛起步，本文結合國內外相關文獻資料就3D打印技術在腎腫瘤治療臨床教學過程中的應用作一綜述，總結其用于腎腫瘤的現狀、局限性以及前景。

1 3D打印技術在腎腫瘤治療中的應用

腎腫瘤是泌尿系統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，術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點在于術前提供更多的腎臟解剖細節，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字3D重建圖像更具優勢，它可能會改變術前手術計劃并可以顯著提高復雜的保留腎單位手術的成功率[5]。韓興濤等[6]通過3D打印技術構建出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。研究結果顯示：與未行腎臟模型構建的對照組相比較，其手術總時間、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，術后可發生肺、肝等器官的轉移[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打印技術的不斷發展，越來越多的國內外專家深入到將3D打印技術用于腎癌手術及藥物治療的研究中。

1.1 3D打印技術制造操作器械用于腎腫瘤手術近年來，有研究探索了通過3D打印技術制造手術器械的可行性，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，大約只占傳統手術器械的使用總價的25～30%。KONDOR等[11]研究了3D打印手術器械過程中所產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出來的器械是無菌的，減少了產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]研究的聚乳酸手術牽開器不但制作低成本而且還具有抗菌作用。隨著技術的發展，會有更多更經濟且具有特殊功能的3D打印手術器械應用于臨床。

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

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

KOMAI等[13]在術前用3D打印技術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，然后再進行真正的活體腎腫瘤切除手術。結果表明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標本相同。有學者報道用實體模型規劃腹腔鏡下部分腎切除術，術中失血更少，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%的外科醫生改變了原定的手術方式[15]。GOLAB等[16]報道了將3D打印技術用于手術治療復雜的伴有轉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，不同專業的醫生通過腎臟實體模型相互溝通有助于手術配合，使不同專業的醫師在術中成為一個團隊，從而提高手術效率并一定程度的改善手術效果。

1.2.1腎臟實體模型在手術規劃中的應用 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的患者進行術前評估。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，從而實現了零缺血的腎部分切除術，術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的情況。CHEN等[18]將3D重建圖像用于腹腔鏡部分腎切除術的術前規劃，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，并將其分給經驗豐富的泌尿科醫生進行研究，所有參與研究的醫生均認為3D打印腎臟模型可以用于術前計劃和模擬訓練。腎臟3D模型的使用讓外科醫生在術前對模型進行操縱并了解腫瘤的大小及浸潤深度，有助于進行手術醫生術前進行手術方式的選擇。

1.2.2腎臟實體模型在手術模擬中的應用 隨著更類似于生物活組織的樹脂材料問世，3D打印技術在腎腫瘤的治療方面又取得了進一步的發展。3D打印實體模型從原本的用于醫學教育和術前手術計劃發展到手術模擬。

有研究將患者的3D腎臟模型用于術前手術模擬，結果與對照組相比，手術組的腎缺血時間短，估計失血量少，切緣陽性率低，住院時間均有縮短，且術后并發癥更少[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中的作用進行了評估，結果顯示，進行術前手術模擬組的手術時間比對照組短；模擬手術切除的“腫瘤組織”與實際切除的腫瘤組織無明顯差異[3]。術前對患者特定的腎臟模型進行手術模擬，可以加深對腫瘤位置、深度和臨近組織結構情況的了解，有助于提高手術精度和改善手術效果[20]。

通過用3D模型進行手術演練可以了解患者腎臟解剖、手術過程以及可能出現的手術風險。手術醫師綜合評判后可能會改變原有的手術方法以提高手術切除腫瘤精確度，從而改善患者預后[21]。術前手術模擬還被證明可以改善腎部分切除術的手術效果，例如縮短手術時間，減少失血量和腎臟熱缺血時間。GOLAB等[22]用CT數據創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模擬訓練，從而獲得充分的經驗，提高醫師的手術技能操作水平，從而提高手術效率。患者的活體腎部分切除術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腎臟實體模型在醫學教育及醫患溝通中的應用 醫學生和年輕醫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師進行醫學教育，而3D打印腎臟實體模型因其可視化、形象化的優點，可以替代傳統二維圖像作為醫學教育的新工具。SILBERSTEIN等[23]將3D打印的腎臟模型用作年輕泌尿外科醫師的教學工具，從而提高了他們對腎腫瘤患者腎臟解剖結構的理解。3D打印的腎臟模型還可以提高患者及其家人對手術理解，包括術前和術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%，對手術過程的理解程度提高了44.6%。

FABIAN等[25]3D打印出了腎臟內部和外部集合系統模具用于特定腎臟病損患者的手術訓練模型。GHAZI等[26]開發了用于腹腔鏡腎部分切除手術訓練的腎臟模型，并證明了這種模型用于手術技能培訓工具的可行性及可以顯著提高年輕醫師的技能操作水平的價值。SMEKTALA等[27]創建了用于手術訓練的低成本有機硅腎臟模型，他們的模型可以再現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訓練。CHEUNG等[28]為年輕醫師開發了根治性和部分性腎切除的手術模型，該模型具有完整的腎臟血管系統以及模擬的血流。

腎臟實體模型除了在醫院中使用外，現在一些醫學院也將3D打印技術和重構技術(如虛擬現實技術)用于大學解剖課程學習，從而加深他們對腎臟解剖結構特征的理解。同時，還可以減少對醫學院對昂貴的且難以得到的尸體的需求[29]。此外，將3D打印技術用于開發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]開發一種基于平板電腦的便攜式標準腹腔鏡技能培訓系統，可以用作泌尿外科醫師進行腹腔鏡腎腫瘤切除術培訓工具。

1.3 3D打印技術在治療腎腫瘤研究的局限性雖然3D打印技術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。①大多數關于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：在當前大多數患者不富裕、優質醫療資源不足、醫患關系緊張的大環境下，3D打印創建所需的費用和時間成本也是一個很大的問題。③技術上的挑戰：首先，普通的臨床醫生通常缺乏圖像處理及3D打印等技術相關知識，雖然當前有很多關于數字建模技能的書籍供醫師閱讀學習，其學習進度很慢且效果堪憂[31];其次，很多3D打印材料多數無法承受傳統的高壓滅菌條件，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，生物打印技術難題及組織相容性材料稀缺，大多數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打印技術還缺少監管和管理標準，目前有些機構利用3D打印醫療設備大肆賺錢，進一步加重患者醫療負擔[34]。④隨著傳統醫學影像3D重建技術的進步與成熟，3D打印技術在對腎腫瘤手術治療的指導和教學方面的優勢并不明顯。

2 展 望

隨著3D打印技術的進一步發展、完善，3D打印技術在治療腎腫瘤的應用將會實現新的突破。首先，傳統醫學影像的三維重建、新興的虛擬現實(virtual reality,VR)眼鏡等人工智能技術以及3D打印技術會結合起來，能夠使術者在術中更方便、直觀的查看腎腫瘤三維圖像，更有利于手術進行，這種技術值得期待[35]。其次，可以使用3D打印技術進行治療腎腫瘤的藥物開發，獲得更多個體化的腎腫瘤化療藥物。已有相關研究使用3D打印技術生成了特定的藥片，并且證明了其在定制藥物劑量和優化藥物進入人體后釋放曲線的有效作用[36]。3D打印技術可能成為制藥行業的重要制造工具[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，隨著生物打印技術的進一步突破，將特定的干細胞放置到3D打印的生物構架上，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。