3D打印技术在肾肿瘤手术治疗及教学中的应用

李春建，张正园，王健明

(1.山东第一医科大学(山东省医学科学院)研究生处，山东泰安 271016；2.临沂市人民医院泌尿外科，山东临沂 276001)

3D打印技术是查尔斯·赫尔(CHARLES HULL)于1986年发明的[1]。这是一种以三维数字模型为基础，逐层累积打印构建实体的技术。这种转化成过程速度快，精确度高，不会出现构建错误。近年来，由于医学影像学技术和图像处理技术的发展以及各种新型材料的出现，使得3D打印技术在医学领域有了很大的应用价值和发展前景[2]。目前3D打印技术在泌尿外科领域的研究刚起步，本文结合国内外相关文献资料就3D打印技术在肾肿瘤治疗临床教学过程中的应用作一综述，总结其用于肾肿瘤的现状、局限性以及前景。

1 3D打印技术在肾肿瘤治疗中的应用

肾肿瘤是泌尿系统常见的恶性肿瘤之一，临床上对肾肿瘤的治疗方式包括肾根治性切除、肾部分切除以及肾癌化学药物、靶向和免疫治疗等。目前，临床上多采用二维腹腔镜进行肾肿瘤手术，术中需借助器械触碰组织获取感知，致使操作难度增加。3D打印肾脏模型最大的优点在于术前提供更多的肾脏解剖细节，且可以真实触摸肾脏模型[3]。ZHANG等[4]报告了使用3D打印技术打印肾肿瘤模型进行肿瘤，其有效性评分为7.8，真实感评分为6.0(按1～10分制计分)。有学者报道称3D立体肾脏模型提供的触觉和解剖信息比数字3D重建图像更具优势，它可能会改变术前手术计划并可以显著提高复杂的保留肾单位手术的成功率[5]。韩兴涛等[6]通过3D打印技术构建出33例肾脏模型，均清晰的显示出肿瘤的位置、大小、侵袭深度、血管走行及其与肿瘤组织的解剖关系。研究结果显示：与未行肾脏模型构建的对照组相比较，其手术总时间、肾蒂阻断时间均明显缩短。

20%～30%的肾肿瘤患者在确诊时已是晚期，术后可发生肺、肝等器官的转移[7]，虽然当前有多种肾癌的化疗药物治疗方案，但总的有效率仍然不理想。随着3D打印技术的不断发展，越来越多的国内外专家深入到将3D打印技术用于肾癌手术及药物治疗的研究中。

1.1 3D打印技术制造操作器械用于肾肿瘤手术近年来，有研究探索了通过3D打印技术制造手术器械的可行性，并评估了其制造成本以及效益[8-10]。3D打印手术器械在制造、包装和运输成本上都有显著降低，大约只占传统手术器械的使用总价的25～30%。KONDOR等[11]研究了3D打印手术器械过程中所产生的高温可以直接用于器械的消毒灭菌，使得从打印机中新生产出来的器械是无菌的，减少了产品在包装时需要进行消毒的这一步骤，从而进一步降低成本。TZOUNIS等[12]研究的聚乳酸手术牵开器不但制作低成本而且还具有抗菌作用。随着技术的发展，会有更多更经济且具有特殊功能的3D打印手术器械应用于临床。

国外已有机构成功的利用3D打印技术制造了腹腔穿刺器、牵开器、镊子、止血器械等多种手术器械，并测试了其在手术中的功能。DEL JUNCO等[8]使用3D打印机制作腹腔镜手术所需的腹腔穿刺器，并成功地在猪和人尸体模型上进行了试验。随着3D打印技术的不断发展，利用3D打印技术制造的设备在手术室中的应用可能会越来越普遍。

1.2 3D打印技术构建肾脏实体模型用于肾肿瘤手术及教学3D实体模型可以准确地描绘出肾脏内外的动静脉大小、粗细及走形，同时可以清楚显示肾集合系统以及复杂的肾脏肿瘤大小、浸润深度、相邻解剖结构之间的关系等。正是因为这种优势，使其在肾肿瘤手术的术前规划中得以很好的应用。

KOMAI等[13]在术前用3D打印技术制作了患肾实体模型并在模型上进行模拟肾脏肿瘤切除手术，然后再进行真正的活体肾肿瘤切除手术。结果表明3D打印的肾脏肿瘤实体模型及其模拟切除范围几乎与手术标本相同。有学者报道用实体模型规划腹腔镜下部分肾切除术，术中失血更少，切缘阳性率低，住院时间均有缩短[14]。另有报道术前对患者肾脏进行3D打印，在实体模型做出来之后，有30%～50%的外科医生改变了原定的手术方式[15]。GOLAB等[16]报道了将3D打印技术用于手术治疗复杂的伴有转移性心房癌栓的肾肿瘤，充分说明3D模型可用于跨学科的复杂手术，不同专业的医生通过肾脏实体模型相互沟通有助于手术配合，使不同专业的医师在术中成为一个团队，从而提高手术效率并一定程度的改善手术效果。

1.2.1肾脏实体模型在手术规划中的应用 UKIMURA等[17]利用3D重建图像对接受机器人辅助腹腔镜部分肾切除术的患者进行术前评估。通过使用3D图像清晰的将供应肾脏肿瘤的血管显示了出来，从而实现了零缺血的肾部分切除术，术后病理显示肾脏肿瘤切缘均阴性，所有患者在12个月的随访后均无肿瘤复发的情况。CHEN等[18]将3D重建图像用于腹腔镜部分肾切除术的术前规划，将3D重建图像叠加在2D腹腔镜图像上以识别目标肿瘤的具体位置，从而使定位更加精准。ZHANG等[19]打印了10个肿瘤分期为T1的肾肿瘤3D肾脏模型，并将其分给经验丰富的泌尿科医生进行研究，所有参与研究的医生均认为3D打印肾脏模型可以用于术前计划和模拟训练。肾脏3D模型的使用让外科医生在术前对模型进行操纵并了解肿瘤的大小及浸润深度，有助于进行手术医生术前进行手术方式的选择。

1.2.2肾脏实体模型在手术模拟中的应用 随着更类似于生物活组织的树脂材料问世，3D打印技术在肾肿瘤的治疗方面又取得了进一步的发展。3D打印实体模型从原本的用于医学教育和术前手术计划发展到手术模拟。

有研究将患者的3D肾脏模型用于术前手术模拟，结果与对照组相比，手术组的肾缺血时间短，估计失血量少，切缘阳性率低，住院时间均有缩短，且术后并发症更少[20]。有学者对对3D打印肾脏模型在机器人辅助下的腹腔镜肾部分切除术中的作用进行了评估，结果显示，进行术前手术模拟组的手术时间比对照组短；模拟手术切除的“肿瘤组织”与实际切除的肿瘤组织无明显差异[3]。术前对患者特定的肾脏模型进行手术模拟，可以加深对肿瘤位置、深度和临近组织结构情况的了解，有助于提高手术精度和改善手术效果[20]。

通过用3D模型进行手术演练可以了解患者肾脏解剖、手术过程以及可能出现的手术风险。手术医师综合评判后可能会改变原有的手术方法以提高手术切除肿瘤精确度，从而改善患者预后[21]。术前手术模拟还被证明可以改善肾部分切除术的手术效果，例如缩短手术时间，减少失血量和肾脏热缺血时间。GOLAB等[22]用CT数据创建出三维复杂的肾肿瘤患者3D硅胶肾脏模型，并进行腹腔镜肾肿瘤切除手术模拟训练，从而获得充分的经验，提高医师的手术技能操作水平，从而提高手术效率。患者的活体肾部分切除术的平均时间短于硅胶模型的平均时间，并且减少了肾脏热缺血时间。

1.2.3肾脏实体模型在医学教育及医患沟通中的应用 医学生和年轻医生的教育是一项艰巨的任务。当前，临床上常用诸如图画、CT、磁共振等二维图像对患者及年轻医师进行医学教育，而3D打印肾脏实体模型因其可视化、形象化的优点，可以替代传统二维图像作为医学教育的新工具。SILBERSTEIN等[23]将3D打印的肾脏模型用作年轻泌尿外科医师的教学工具，从而提高了他们对肾肿瘤患者肾脏解剖结构的理解。3D打印的肾脏模型还可以提高患者及其家人对手术理解，包括术前和术后肾脏解剖及功能的变化。BERNHARD等[24]报告在初步考虑进行肾部分切除术的肾肿瘤患者中，3D打印肾脏模型可以提高患者就诊期间对手术的了解程度以及对生存时间的满意度。与没有进行3D打印肾脏模型相比，患者在查看了他们各自的3D肾脏模型后，其对肾脏基本生理功能的了解提高了16.7%，对肾脏解剖学的理解提高了50%，对肾肿瘤特征的理解提高了39.3%，对手术过程的理解程度提高了44.6%。

FABIAN等[25]3D打印出了肾脏内部和外部集合系统模具用于特定肾脏病损患者的手术训练模型。GHAZI等[26]开发了用于腹腔镜肾部分切除手术训练的肾脏模型，并证明了这种模型用于手术技能培训工具的可行性及可以显著提高年轻医师的技能操作水平的价值。SMEKTALA等[27]创建了用于手术训练的低成本有机硅肾脏模型，他们的模型可以再现人体肾脏器官的形状和柔韧度，具有与人体肾脏相似的强度，可以用于腹腔镜手术训练。CHEUNG等[28]为年轻医师开发了根治性和部分性肾切除的手术模型，该模型具有完整的肾脏血管系统以及模拟的血流。

肾脏实体模型除了在医院中使用外，现在一些医学院也将3D打印技术和重构技术(如虚拟现实技术)用于大学解剖课程学习，从而加深他们对肾脏解剖结构特征的理解。同时，还可以减少对医学院对昂贵的且难以得到的尸体的需求[29]。此外，将3D打印技术用于开发外科教育的模拟模型和培训设备，对泌尿外科学员来说可能是一个宝贵的资源。例如，RENAI等[30]开发一种基于平板电脑的便携式标准腹腔镜技能培训系统，可以用作泌尿外科医师进行腹腔镜肾肿瘤切除术培训工具。

1.3 3D打印技术在治疗肾肿瘤研究的局限性虽然3D打印技术在治疗肾肿瘤过程中有着重要的意义，但目前仍存在许多问题及挑战。①大多数关于3D打印用于治疗肾肿瘤的研究样本量较小。②昂贵的费用和时间成本：在当前大多数患者不富裕、优质医疗资源不足、医患关系紧张的大环境下，3D打印创建所需的费用和时间成本也是一个很大的问题。③技术上的挑战：首先，普通的临床医生通常缺乏图像处理及3D打印等技术相关知识，虽然当前有很多关于数字建模技能的书籍供医师阅读学习，其学习进度很慢且效果堪忧[31];其次，很多3D打印材料多数无法承受传统的高压灭菌条件，当前也没有对其他可替代高压灭菌的消毒方法进行研究[32]。第三，生物打印技术难题及组织相容性材料稀缺，大多数生物打印材料仍处于实验室研究阶段，尚不能用于临床[33]。最后，3D打印技术还缺少监管和管理标准，目前有些机构利用3D打印医疗设备大肆赚钱，进一步加重患者医疗负担[34]。④随着传统医学影像3D重建技术的进步与成熟，3D打印技术在对肾肿瘤手术治疗的指导和教学方面的优势并不明显。

2 展 望

随着3D打印技术的进一步发展、完善，3D打印技术在治疗肾肿瘤的应用将会实现新的突破。首先，传统医学影像的三维重建、新兴的虚拟现实(virtual reality,VR)眼镜等人工智能技术以及3D打印技术会结合起来，能够使术者在术中更方便、直观的查看肾肿瘤三维图像，更有利于手术进行，这种技术值得期待[35]。其次，可以使用3D打印技术进行治疗肾肿瘤的药物开发，获得更多个体化的肾肿瘤化疗药物。已有相关研究使用3D打印技术生成了特定的药片，并且证明了其在定制药物剂量和优化药物进入人体后释放曲线的有效作用[36]。3D打印技术可能成为制药行业的重要制造工具[37]。此外，3D打印人体特定组织应用于肾肿瘤化疗药物测试，将分别测试肿瘤组织及其正常组织的药物疗效和耐受性[38]。最后，随着生物打印技术的进一步突破，将特定的干细胞放置到3D打印的生物构架上，最终形成与患者相匹配的新的肾脏器官[39]，打印出具有生物活性的完整的肾脏器官用于肾移植将成为可能。