3D打印技术在复杂性肝癌精准肝切除术中的应用

刘文瑛，杨剑，欧阳再兴，朱剑华，谭勇，刘欣，朱玉珍，黄从云

（汕头大学附属粤北人民医院，广东 韶关 512026，1.肝胆外科，3.影像科；2.南方医科大学珠江医院 肝胆外科，广东 广州 510280）

原发性肝癌是我国常见恶性肿瘤疾病，外科手术切除是患者获得长期生存甚至治愈的最重要的治疗手段，由于肝脏生理功能的特殊性，解剖复杂性和多变异性，手术难度较大[1]。随着现代外科技术的进步，尤其是“精准外科”理念的不断深入，原发性肝癌手术治疗效果取得了长足的进步。复杂性肝癌尚无统一定义，一般指肿瘤巨大、位置特殊或侵犯血管，易出现出血、胆道损伤、肝功能不全等并发症，手术难度大、风险高，是目前临床研究的热点。三维可视化等数字医学技术的应用极大推动了精准肝脏外科技术的发展，对复杂性肝脏肿瘤的精准治疗具有重要的价值和意义[2-3]。本研究应用3D打印技术指导复杂性肝癌的精准肝切除，以期提高复杂性肝癌的手术治疗效果。

1 资料和方法

1.1 一般资料

收集粤北人民医院2015年1月至2017年12月采用3D技术指导精准肝切除的52例复杂性肝癌患者临床资料，其中男38例，女14例，年龄39～72岁，平均（55.2±6.8）岁，有肝炎背景（乙肝、丙肝）45例（86.5%）。术前肝功能均为Child-Pugh A级，谷丙转氨酶（ALT）（36.2±7.7）U/L，谷草转氨酶（AST） （32.3±8.9）U/L，总胆红素（TB） （18.4±3.9）μmol/L，直接胆红素（DB）（8.3±5.3）μmol/L，白蛋白（ALB） （39.9±3.6）g/L，凝血酶原时间（PT） （14.1±2.9）s。

纳入标准：（1）巨块型肝癌切除术；（2）扩大的左、右半肝或肝左、右三叶切除；（3）肝中叶（IV、V、VIII段）切除术；（4）3个及3个以上肝段联合切除术；（5）合并门静脉或胆道癌栓形成的肝切除术；（6）特殊部位如尾状叶肝癌切除术。

排除标准：（1）严重心肺等功能不全；（2）肝功能Child-Pugh C级；（3）难以根治性切除，如肿瘤侵犯第一、二肝门及下腔静脉。入院及术前充分告知病情，签署由医院伦理委员会批准的知情同意书和手术同意书。

1.2 方法

1.2.1 CT扫描和数据收集：患者行64排螺旋CT（美国GE公司）扫描，在CT自带工作站上推薄处理CT数据，导出DICOM格式的平扫期、动脉期、门静脉期和平衡期的亚毫米CT数据并储存。

1.2.2 三维重建及3D打印：将CT数据导入3DDOCTOR 4.0软件平台，进行肝脏、肿瘤、肝动脉、肝静脉及门静脉系统的三维重建，明确肝肿瘤和肝脏血管系统的空间立体解剖结构和关系。在三维可视化图像模型上行个体化的肝脏分段，确定需切除的肝段、手术径路，测量肝体积、功能肝体积和肝肿瘤体积，制定手术预案。输出STL格式文件，导入Repetier-host 1.06软件按正常大小将肝脏、肿瘤和血管系统切片后保存，链接CoLiDo 3D打印机（珠海西通）使用聚乳酸材料，打印出实物模型。在三维可视化图像模型及3D打印模型上进行仿真手术演练，修改并确定手术方案[3-4]。

1.2.3 实际手术方法：手术为同一组医师完成，术中三维可视化图像模型、3D打印模型实时指导。采用气管插管全麻，上腹部反“L”形切口，开腹后超声探查证实肝肿瘤及脉管系统，根据3D技术指导和术前规划确定肝脏切除线，断肝时低中心静脉压（CVP≤5 cmH2O），预留阻断带，根据术中实际情况决定是否Pringle法阻断第一肝门，彭氏电刀刮吸法联合钳夹法前入路肝切除法离断肝实质，术中根据3D模型审视手术路径及重要管道的处理。术中常规病理学检查证实肿瘤性质及切缘情况。

1.3 观察指标

手术时间、术中出血量、术中实际切除肝体积、术后住院时间、术前术后肝功能指标、并发症：如胆漏、胸腔积液、出血、腹腔感染等。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 三维重建及3D打印分析情况

通过3D-Doctor 4.0软件获得52例患者的立体逼真的三维可视化图像模型，经过全方位、多角度分析、熟悉肝脏三维立体空间解剖，掌握肝脏血管空间分布、走行及变异情况，肿瘤同脉管系统的空间多维解剖关系等。进行个体化的肝脏分段，模拟、评估手术方案、径路和手术难点要点等，设计个体化的手术方案。

根据同实物1:1比例打印肝脏3D模型，进一步观察确定肝内解剖结构关系、肿瘤与肝脉管系统的空间解剖，实景感强，多角度观察、评估肿瘤的可切除性和需要注意的解剖重点，能直观地预演手术方案，修正、优化根据三维可视化模型制定的手术方案。

通过3D技术计算肝体积，包括功能肝体积（1 391.5±109.2）mL，虚拟切除肝体积（780.7±74.8）mL，剩余功能肝体积（610.8±65.0）mL，残肝体积比（0.44±0.03）。

2.2 手术情况及围手术期情况

实际手术方式同术前3D规划完全一致，包括：右半肝切除17例，肝右三叶切除2例，扩大右半肝切除3例，肝左三叶切除3例，扩大左半肝切除10例，肝中叶切除7例，联合肝段（包括VIII、VII、尾状叶）切除9例，尾状叶切除1例。

手术时间（301.3±57.8）min，术中出血量（407.6±179.7）mL，输血量0～800 mL，输血率为36.5%（19/52）。实际切除肝体积（777.7±68.6）mL，同虚拟切除肝体积比较无统计学差异（t=0.869，P=0.389），Pearson相关分析说明两者存在显著相关性（一致性）（r=0.942，P＜0.001）。病例示意图见图1～8。

术后第1、3天的ALT、AST、TB、DB指标明显升高，ALB降低，术后第1天PT延长，比较有统计学差异（P＜0.05）；术后第3天PT、第5天AST、ALB、DB、第7天ALT、TB恢复正常，差异无统计学意义（P＞0.05） （见表1）。术后住院时间（11.2±2.5）d。术后并发症：腹水4例（7.6%），胸腔积液5例（9.6%），肺部感染2例（3.8%），伤口感染1例（5%），均通过保守治疗治愈。无出血、胆漏、肝功能衰竭等严重手术并发症，无手术相关死亡。

3 讨论

图1 19岁男性患者，有乙肝病史

图2 CT提示右肝巨块型肿瘤

图3 三维重建精准显示肝脏及血管系统

图4 三维重建显示肝中静脉同肿瘤关系密切（白色箭头），门静脉系统（黄色箭头）左支无肿瘤侵犯及癌栓形成

图5 三维重建规划的手术路径和切除范围，剩余肝体积占功能肝体积的43.3%

图6 3D打印模型显示第一、二肝门的解剖，证实肝中静脉近端主干（红色箭头）和IV段肝静脉（黄色箭头）未受肿瘤侵犯，可保留IV段肝组织，门静脉左支（紫色箭头）

图7 3D打印模型同切除的肝脏组织和肿瘤

图8 右肝肿瘤完整切除，左肝血运及回流良好，下腔静脉（蓝色箭头）妥善保护

表1 手术前后肝功能及PT变化（±s）

表1 手术前后肝功能及PT变化（±s）

注：与术前比较，*P＜0.05

时间 ALT（U/L） AST（U/L） TB（μmol/L） DB（μmol/L） ALB（g/L） PT（s）术前 36.2±7.7 32.3±8.9 18.4±3.9 8.3±5.3 39.9±3.6 14.1±2.9术后D1 156.0±41.4* 160.3±52.5* 40.0±10.9* 16.6±5.3* 30.8±2.4* 15.2±2.8*D3 118.9±24.6* 129.4±34.0* 30.9±7.9* 11.3±3.6* 32.3±3.1* 14.4±3.2 D5 73.0±16.4* 34.7±6.0 22.2±5.5* 9.2±1.9 38.8±2.5 13.3±2.6 D7 33.5±6.3 34.1±5.7 17.5±5.8 7.6±2.0 39.0±2.3 13.2±2.2

复杂性肝癌多肿瘤巨大、挤压导致解剖结构变化，或肿瘤位置特殊，紧贴重要脉管系统，或者肿瘤已侵犯门静脉等肝脉管系统。同时我国肝癌患者多合并肝炎、肝硬化，肝脏解剖结构存在诸多变异，复?杂性肝癌手术的风险和难度都非常大[5]。要实现彻底祛除病灶、最小创伤侵袭、最大肝脏保护的精准肝切除术，获取最佳康复效果，需要精确的术前评估、精密的手术规划、精工的手术操作和精良的术后处理[6]。

随着新的器械涌现和肝实质离断技术的不断进步，术中精细解剖技术已不再难以掌握；加速康复外科和损伤控制理念引导下的围手术期精良管理是精准肝切除的重要保障。如何精准地评估病情、掌握精细的个体化解剖、制定个体化的手术方案等一直是精准肝脏切除术需解决的问题。三维可视化技术在精准的肝内解剖、个体化手术方案的制定、肝体积技术和预防术后肝衰竭等方面表现出强大的优势，其在复杂性肝脏肿瘤的精准肝切除术中的应用已有较多报道和共识[3，7]。3D打印是近年来兴起并逐渐应用于临床的数字医学技术，是三维可视化技术的进一步延伸发展。方驰华等[8]将3D打印技术应用于肝肿瘤外科诊治中，使人体肝脏在三维可视化的基础上进一步逼近现实，被认为是未来发展趋势[9]。张朋飞等[10]使用3D打印技术对7例肝脏肿瘤的精准肝切除术进行术前评估，发现肝切除更加精准、安全、有效。笔者单位较早将3D打印技术应用于肝脏切除术中[4]，在积累较多经验的基础上将其应用于复杂性肝癌的精准肝切除术中，进一步探讨3D打印技术的优点和其在提高复杂性肝癌手术治疗效果中的作用。

3.1 3D打印技术在复杂性肝癌术前评估、手术方案制定中的临床价值

复杂性肝癌肿瘤的大小、在肝脏中的特殊空间位置以及其同肝内主要脉管系统的毗邻关系都同手术安全性密切相关，要求术者术前仔细评估，直观地熟悉肝内解剖和可能存在的变异情况。三维可视化及重建图像清晰立体再现患者个体化的肝脏解剖，供应肿瘤的肝动脉和门静脉以及回流的肝静脉，清晰准确地掌握肿瘤与肝脏脉管系统的空间位置关系，拟定个体化的手术方案，个体化的肝脏分段和体积计算评估并预防精准肝切除术后肝功能衰竭[11-12]。本组52例患者的三维重建模型都清晰显示肝内解剖，完全承载上述既往研究的功能，实际手术过程同3D打印的术前评估、手术规划完全符合。3D打印技术弥补了电脑三维重建虚拟图像的不足：（1）实物大小的3D打印模型高度逼真，同患者肝脏形态、体积和结构等高度一致，可以从实景角度进一步观察、熟悉肝内解剖，术者通过3D打印模型可真实触摸、感知肝门部以及肝内肝动脉、门静脉、肝静脉和胆管的解剖、走行，进一步提高了术前解剖评估的精确性和可理解性；（2）三维可视化制订的手术方案、规划在3D模型上实物模拟，能身临其境地体会和理解手术的难点和关键点，帮助确定解剖性虚拟肝切除平面、范围，切除平面要经过及需要注意保护的肝脏脉管系统，可否达到无瘤原则；细化和优化手术方案；（3）手术团队成员对解剖结构和手术方案的理解深度不一，对三维重建图像的理解并不能很好地体现在实际手术当中，3D打印能在虚拟到现实中起到很好的“桥接”作用，将精准的个体化三维解剖和术中真实解剖精细配准，术中操作毫无违和感。

3.2 3D打印技术在精准肝切除术中的指导意义

完整安全切除肿瘤、控制术中出血、损伤控制和最大限度保留功能残余肝组织是复杂性肝癌精准肝切除术后顺利恢复的保障，依赖于手术过程精确的把握，如肿瘤的精准定位和对肝内脉管结构精细解剖[13]。本组患者的术中出血量、输血量和输血率均较低，术后3～5 d肝功能基本恢复正常，无肝功能衰竭、胆漏、大出血等的发生，无手术相关死亡，近期预后良好；虚拟切除肝体积同实际手术切除肝脏体积显著相关，说明3D打印技术具有实际指导价值：（1）对肝门部的精准游离：复杂性肝癌精准肝切除对第一、二肝门的处理要求高，通过3D打印对第一肝门部脉管和其深部结构走行解剖和变异的精准判断，本研究实现了对第一肝门的“雕琢式”的精细分离，精准的区域性入肝血流阻断。3D打印对肝静脉及其分支的多方位、多层次的解剖再现及术中指导可在肿瘤根治性切除同时保护剩余肝实质的静脉回流。本研究行右半肝切除患者大部分肿瘤同第二肝门血管关系密切，前入路肝实质离断至第二肝门时常空间不足，面临损伤肝静脉致大出血等风险，通过3D打印技术的术前精准预判和合理手术入路的设计，结合3D打印模型的精准指导均能沿肝静脉走行精确找到解剖空间，未发生血管损伤和不可控制的出血风险等，达到术中对出血的精准控制；（2）对手术界面和肝内解剖的全面把握：复杂性肝癌切除术中手术平面常常是不规整的，笔者发现通过3D打印模型模拟后的修改和调整的手术切面，可以达到以最小的创伤切除肿瘤、保证足够的残肝体积并确保其血供和静脉回流，这些都在术中得到证实。但不规整的肝内解剖平面增加了手术难度。3D打印技术可以帮助确定最佳解剖位置，同时可为手术关键步骤如肝内解剖的深浅、脉管走行位置等提供直观的快速识别和实时“导航”，实现肝内解剖性肝切除，对肝内Glisson鞘系统离断的平面、需保护的分支清晰而直观，最大程度上细致而全面地保护了残肝血供和胆管引流，减少了手术创伤，故本组患者术中出血少，未发生肝内重要脉管系统的副损伤，术后恢复较快；（3）有利于手术方案执行的一致性和默契性：3D打印技术能帮助团队年轻医师对手术方案的理解同主刀医师的高度一致，从而默契配合，保证术中精良的操作。笔者团队带教的进修医师通过3D打印技术明显缩短了精准肝切除技术的学习曲线。

3D打印技术是数字医学技术的延伸发展，目前处于发展阶段，其质量高低首先取决于CT图像、三维重建图像等的质量，打印材料也决定了3D打印模型的质量，且3D打印的成本高，耗时长；全面掌握该技术需要较长时间的学习和实践，因而限制了它的临床广泛应用。同时3D打印技术是静态评估，若能结合分子荧光染色等技术动态评估，将能发挥更大的作用。

3D打印技术直观、精准、可靠等的优势在复杂性肝癌术前评估、手术规划、术中指导等表现出实用的指导意义和辅助价值，提高了复杂性肝癌精准肝切除的手术精准性和安全性，随着3D打印技术的不断发展进步，其在肝脏外科等临床领域有较广阔的应用前景。