3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石中的研究进展

胡腾飞 王细生△

1广东医科大学附属深圳龙华中心医院泌尿外科 518110 广东深圳 △审校者

3D打印技术(three-dimensional printing)是将计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术相结合的一种新兴应用技术，与传统的材料加工方法不同的是，它通过分层加工、叠加成型的方式，逐层增加材料来生成3D实体模型[1]。近年来，随着科技材料、影像学技术及计算机图像处理技术的发展，3D打印技术得到了广泛的普及，在医学领域如组织和器官的制造、假肢的定制、植入物和解剖模型等方面具有很大的应用价值和发展前景[2]。目前3D打印技术已成为泌尿外科领域研究和关注的热点，我们就3D打印技术种类及发展历程及其在经皮肾镜治疗肾结石中临床运用等方面进行综述，结合国内外文献资料总结其在经皮肾镜治疗肾结石中的应用现状及对未来的展望。

1 3D打印技术的种类及发展历程

3D打印技术最早出现在20世纪80年代的美国，由美国科学家Charles Hull 等发明。随着生物制造[3]概念提出、医学影像技术和材料工程的不断发展，3D打印技术发展出如光固化法(stereo lithography apparatus, SLA)、熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM )、选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)、聚合物喷射成型(PolyJet)、生物材料打印等不同的3D打印技术[4～10]。这些技术各有优劣，具体如下。

1.1 光固化法

SLA采用紫外激光和树脂进行打印。使用材料包括环氧树脂、丙烯酸酯、光致聚合物等。打印层厚0.002 mm，X/Y分辨率0.004[10]，是现在的标准方法。具有分辨率高、随着打印尺寸的增大打印效率逐渐提高、内部结构精细等优点。主要不足则包括>1天的打印时间、需要大量的后期手工处理、材料及维护昂贵等[5]。

1.2 熔融沉积成型

FDM由Stratasys公司开发(Eden Prairie, MN, USA)。FDM通过加热的热塑性材料逐层生成模型。使用材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、蜡、聚碳酸酯、聚丙烯、各种聚酯等。打印层厚0.007 mm，X/Y分辨率0.002 8[10]。维护费用在各方法中最低[5]，优势是可使用多种不同材料以及不需要后固化处理。缺点则包括打印精度较低、材质耐热性差、对于软性材质打印效果不佳等。

1.3 选择性激光烧成型

SLS使用CO2激光将热塑性粉末熔化或烧成形成模型。使用材料包括热塑性塑料、尼龙、聚苯乙烯、钢、钛和复合材料等。打印层厚0.004～0.006 mm，X/Y分辨率0.030～0.050[10]。主要优点包括：可打印复杂的或具有功能的物体、不需要支撑结构、效率高[4]、可使用金属作为材料[5]等。缺点主要为费用昂贵且需要操作者有非常专业的后期处理能力[5]。关于打印物品的表面光洁程度，不同文献存在不同的说法，Chae等[5]认为表面光洁程度好，Alali等[4]则认为表面粗糙。

1.4 聚合物喷射成型

PolyJet是目前软性材料快速成型的主要方法之一，与SLA 相似，同样使用光敏树脂进行成型，但PolyJet使用喷头将光敏树脂和支撑聚合物同时喷射到工作台，再使用紫外线照射，完全凝固后再喷涂下一层。打印层厚0.000 63 mm，X/Y分辨率0.001 7[10]，由于支撑材料的存在，光敏树脂可以在完全不受力的状态下凝固成型，对于软性材料的支持较其他打印方式具有很大优势。

1.5 生物材料打印

生物材料打印使用细胞或其他生物活性的材质进行打印，并使用特殊的黏合剂进行粘连，最终实现具有生物活性的组织、器官的快速成型。这种打印方式尚处于实验室研究阶段，与临床应用尚有一段距离[6～9]。

2 3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石中的应用果

肾结石是泌尿外科的常见疾病之一，在泌尿外科住院患者当中占居首位。随着泌尿外科腔镜技术飞速发展，90%以上的尿路结石可以通过微创手术治疗，PCNL是治疗较大结石(直径>2 cm)及复杂性肾结石的首选方法[11]。PCNL的难点和关键点在于穿刺通道的建立。其影响到取石成功率的高低。

临床上泌尿科医生在PCNL术前需参考患者的IVU、CT等影像学资料，根据其初步判断患肾及结石的大体情况，术中使用X线或B超，结合自己的临床经验建立经皮肾穿刺通道并碎石。操作者术前对患者肾脏的血管分布、肾周脏器的毗邻关系及结石的结构没有一个清晰准确的三维形态了解，而导致穿刺通道的位置、角度、深度的选择具有一定的盲目性，无量化标准，易导致严重并发症的可能。据统计相关并发症包括：术中、术后大出血(发生率13.7%)[12]，其中因手术大出血造成肾切除(发生率3.5%)[12]；肝脏及胸膜损伤(发生率4.3%)[13]；肠管损伤(发生率7.8%)[14]等。为了克服这些问题，国内外专家针对如何降低手术并发症、提高手术成功率等方面进行大量研究。近年来随着3D打印技术的不断发展，越来越多的研究深入到泌尿系结石的治疗。通过术前进行CT等影像学检查，明确诊断后通过计算机等技术手段进行3D打印模型，该模型能够清晰的显示结石的大小、形状、位置。术者在术前可根据3D模型明确结石的位置，在模型上模拟穿刺点，进行术前规划，更有利于设计出最佳的经皮肾镜穿刺通道，提高穿刺成功率和降低并发症的的发生。

下面将分别从国内外研究状况、临床教学、个体化治疗、研究的科学意义对3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石中临床应用进行详细阐述。

2.1 3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石中的国内外研究状况

魏晓松等[15]通过成功打印15例患者的结石模型，能清楚地显示结石的位置、大小以及与第12肋的关系，手术医师可以在手术前结合患者的影像学资料设计出最佳的穿刺通道并确定穿刺肾盏。研究结果显示，手术医师术前做出的手术预估方案与实际手术过程基本相符，3D打印模型对PCNL手术有一定的帮助。15例患者手术均顺利完成，术中穿刺定位准确、出血少，术后无漏尿、高热、感染、大出血等并发症。

汤润等[16]通过成功打印5例肾结石患者3D肾脏模型。3D模型与患者肾脏长径的平均差值为0.283 cm ，横径的平均差值为0.212 cm，结石最长径的平均差值为0.244 cm 。肾脏3D模型大小与CT测定的肾脏基本吻合，差异无统计学意义(P>0.05)，模型清楚的反应肾外形、肾皮质、肾动静脉、集合系统、结石所在位置及大小，进行术前手术规划及手术模拟操作，术前进行结石定位，选择最佳的穿刺通道及穿刺点，精准的完成手术模拟。研究表明：3D打印技术可精准的模拟肾脏及结石的解剖细节，对于手术规划和教学模拟穿刺有重要的临床意义。

Mertz等[17]和Ursan等[18]通过3D打印技术可直观的看到结石或肿瘤在肾的位置，术者通过术前手术规划并在模型上进行手术模拟后，在术中操作时能够精准的避开血管，并能够迅速找到病变并进行精准处理，避免了不必要的步骤，缩短了手术时间并提高了手术成功率。

Goolab等[19]在2016年首次应用3D打印导航模板导航技术治疗马蹄肾畸形肾结石，整个治疗过程应用CT数据处理、模板打印、指导手术。3 min精确肾造瘘，术中无并发症发生。3D打印个性化模板治疗复杂肾结石的应用，成为复杂肾结石治疗的新方向。但尚无其他类似报道，3D打印模板导航经皮肾穿刺是否有利，效果如何，有待未来大样本研究证实。

2.2 3D 打印技术提供实体模型用于手术演练及教学

临床工作中，临床教学也是重要的组成部分。现在轮转住院医师、规培医师、进修医师、医学生之间的水平参差不齐，X线及CT等传统影像学资料的阅片难度较高，对低年资医生而言很难做到全面。三维实体的模具会使病变部位的解剖变化变得简单明了。同时，3D打印的模具也可以用做术前操作练习。3D打印技术可针对不同病例进行个体化打印，打印出的3D模型可清晰的反应病变部位及邻近解剖关系，可完全模拟真正手术视野，在教学中使用这种个体化模型能够使学生对该疾病的认识更加直观、深刻。Atalay等[20]成功地建立了5例人体肾脏集合系统的解剖学模型。在确定前、后肾盏的数量分别提高了52%(P=0.018)和76%(P=0.009)，了解结石的位置上提高了28%(P=0.035)，确定最佳穿刺肾盏位置的能力提高了64%(P=0.020)。所有住院医师都认同 ，这些模型可以使手术计划受益。

2.3 3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石的个体化治疗

现代疾病的治疗越来越强调在遵循循证医学原则的基础上， 根据患者自身的特点和需求，同时结合医生个人临床经验，制定出最合理的医疗方案[21]。针对同一疾病，在治疗过程中，必须考虑到患者的个人特点(包括遗传特征、个性心理、价值观等)，从而做出最适合的个体化方案[22]。3D打印可以在短期内获得手术区域的实体模型，使得医生对于该患者的病情有直观、真实的认识，根据患者独特的术区情况，确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、评估手术风险[23]。同时，个体化模型应用于术前谈话，有助于患者及家属对于手术过程、手术意义及风险的理解，利于医患交流[24]。有学者认为，对于每一例肾结石患者来说，他们的肾脏血管分布情况、肾周围脏器的毗邻关系、肾集合系统的解剖学形态都有很大的差异，这就决定了对于每例肾结石患者来说，PCNL的手术路径及方法都有很大差异[25]。如何针对每例肾结石患者选择其最佳的个体化PCNL手术方式尤为重要。

2.4 3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石的中应用研究的科学意义

①通过计算机将肾结石的影像学资料转换成相应的数据，并模拟建立出不同患者肾结石的3D模型，患者的数据将得到量化和长久保存；②利用相应的计算机软件处理影像学数字化资料，以3D模型和动画显示出肾脏集合系统与结石的空间位置关系，结石患者肾脏内部血管的分布情况，肾脏周围脏器的解剖毗邻关系。通过3D打印技术，利用数字化数据等比例打印出患者肾脏及周边脏器全仿真模型，并在模型上进行细致的手术预演，明确手术方案，从而使手术更安全、高效及可靠；③通过3D打印技术，将不同患者肾结石的3D模型打印出来，用作术前病例讨论和教学，使进修生、轮科生及实习生更加直观地了解肾脏、肾周的解剖结构和熟悉PCNL手术的要点，缩短PCNL术的学习曲线，从而提高教学效率；④计算机可将数据还原，将不同患者肾结石的数据进行比对，将同一患者术前术后的数据进行比对，从而总结出应对不同类型肾结石的PCNL手术方案，为最终形成单病种标准化作铺垫。此方案有利于提高手术疗效，降低手术风险，降低患者的经济负担。

3 展望

综上所述，3D打印技术在经皮肾镜治疗肾结石中的手术方案制定、手术模拟与训练、降低手术风险、提高手术成功率以及医患沟通方面等方面有着重要的意义。但目前仍存在许多问题需要解决，如：①昂贵的费用和时间消耗；②材料限制；③精确性依然有待提高；④需要专业的操作人员。如果有专职人员将三维重建工作进行流水线化处理，将会提高效率，大幅度缩短重建时间。如果3D打印机能专门用于医院器官模型的打印，可能会使费用降低，达到能被患者接受的程度。尽管3D打印尚存在的局限性，但随着人们的广泛关注和深入研究，以及3D打印材料的不断更新，3D打印技术将会在经皮肾镜治疗肾结石中实现新的突破。同时相信随着3D打印技术日臻完善，其在泌尿外科的应用将发展至新的高度。

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