3D打印技术在前列腺癌诊疗中的研究进展

冯家乐，程继文

3D打印技术是依靠计算机辅助设计(computer aided design，CAD)提供数据，采用折叠式制造工序实现逐层打印的技术，又称叠加成型技术[1]。3D打印技术在外科手术应用的优势在于模拟患者特定的解剖模型为治疗手术提供清晰的解剖结构和病变位置，使手术更加精准直观和快速，这在常规治疗技术中是相对难以实现的[2-4]。目前，关于3D打印技术在前列腺癌诊疗中辅助前列腺癌的诊断[5-7]、前列腺癌根治术手术的设计和指导[8]、放射治疗中靶点定位粒子植入治疗[9-10]以及联合其他先进技术[11-14]的应用等方面的文献越来越多。在未来，3D打印技术与其他多技术的结合，将在保存神经血管束再生和促进神经血管的形态和功能再生等方面发挥更大的作用。

1 3D打印技术应用前列腺癌的诊疗

1.1 3D打印技术应用于前列腺癌的诊断 经直肠超声引导下前列腺活检和核磁共振检查是诊断前列腺癌的重要方法。核磁共振成像以非侵入性和定量的方式对肿瘤病变的解剖位置、分子特征的重要检查手段[15-16]，缺点是缺乏匹配的组织学数据[17]。而经直肠超声引导下前列腺活检由于穿刺取材精确度的限制，漏诊率高达22.7%[18]。3D打印技术的出现，使得传统穿刺技术得到进一步发展。Wang等[5]利用患者3.0T多参数核磁共振检查资料导入医学成像处理软件系统生成文件，以透明树脂为原料利用3D打印技术进行前列腺模型打印，对前列腺三维重建模型、计算机模拟活检和认知融合靶向活检术(cognitive fusion target biopsy,COG-TB)进行前列腺靶向活检对比研究，结果表明在前列腺癌的早期诊断中，3D打印技术辅助认知融合技术较传统活检技术活检阳性率明显提高。Baldi等[6]通过计算机辅助设计软件和3D打印技术从诊断图像中开发了个体化模具对相关器官以连贯的方式定位模具，精确地引导切割仪器，获得了与所成像的切片相对应的高精度的组织块。Wu等[7]开发和评估了一个系统，将患者特定的3D打印模具与体外核磁共振结合起来，在前列腺癌患者体内核磁共振、体外核磁共振和全套组织病理切片进行空间对齐，平均误差仅为1～2 mm。这一新系统可用于建立前列腺核磁共振数据与组织病理学之间的准确空间对应关系。

1.2 应用于前列腺癌根治手术 前列腺癌的瘤体空间定位比其他器官肿瘤瘤体更困难，从影像学角度来说，前列腺癌的瘤体定位是高度可变的[19]。外科医生从传统影像学上很难准确评估前列腺肿瘤的大小、位置，尤其是对于邻近或局部延伸到前列腺包膜以外的肿瘤，手术范围的明确难度更大，手术边缘阳性率相对较高。术前3D打印的前列腺模型可以显示前列腺内病灶的的三维位置和侵犯范围，有助于辨别前列腺瘤体和神经血管束的空间关系[20]，提高术中感知的准确度和手术信心[8]。Jomoto等[8]开发了一种外科导航系统，使用磁共振血管造影和3D打印技术用于机器人辅助前列腺癌根治术，术前利用三维模型动态比对增强磁共振血管造影对前列腺周围组织、神经血管束和副会阴动脉等进行定位，可以在非对比图像上依次发现神经血管束，在对比度增强的动脉期的所有病例中均发现副会阴动脉，而在非对比度增强的磁共振血管造影中则显影不清。动态对比增强磁共振血管造影有助于检测副会阴动脉情况，提高手术安全性，减少术中并发症发生率。颜野等[21]进行了类似研究，研究中基于U型卷积神经网络(U-shaped convolutional neural network,U-net)创建前列腺核磁共振图像自动化分割和重建三维模型对腹腔镜前列腺癌根治术进行术中认知导航，研究中利用201例前列腺癌患者的核磁共振图像训练样本，在经典的U-net基础上通过适应性改良建立一套新的U-net，实现对前列腺、肿瘤、精囊腺、直肠等重要结构的单独分割，并进行三维可视化，能够直观地显示手术关键部位的结构关系和肿瘤侵犯程度，最终降低了手术切缘阳性率、提高手术效率。

1.3 应用于前列腺癌的放疗 在前列腺癌诊治中，放射治疗是重要的治疗方式，包括外照射和内照射两种。1983年，Holm[22]首次提出：截石位直肠超声探头联合模板引导下，沿身体长轴经会阴部前列腺穿刺植入粒子治疗前列腺癌。2002年，我国专家将CT引导技术引入粒子植入治疗领域，粒子植入治疗的精准度有了显著提高[23]。同年，刘树铭等[24]应用3D打印技术研制出个体化的三维模板，并在头颈部肿瘤治疗中取得成功。2014年，王俊杰[9]通过影像学数字化信息系统将患者肿瘤靶区扫描信息传输到计算机治疗计划系统，经过专业人员设计，打印出带有坐标系、固定针道、数字化3D打印模板，并在指导粒子植入治疗过程中取得显著效果。张宏涛等[10]对在前列腺癌进行进行了类似尝试，将CT数据经三维重建处理后，进行术前定位，术中CT扫描确定植入针位置，引导放射性粒子植入，粒子植入位置与术前计划一致，靶区及危及器官剂量学参数与术前计划基本一致。利用虚拟针道技术解决了器官运动造成的靶区丢失，结合CT模拟机和激光定位系统，进而全面提高了粒子植入治疗的精准度和效率，使操作更简便、更安全，真正实现了肿瘤局部剂量更高、周围组织损伤更小的目的，开启了粒子植入近距离治疗领域的一场革命[9]。

2 3D打印技术联合其他多媒体技术应用于前列腺癌的诊疗

随着增强现实(augmented reality,AR)和虚拟现实(virtual reality,VR)技术的推广，其应用于的手术计划制定、模拟训练、术中指导、患者教育和年轻医生的教学等，掀起医学领域的一场革命[12，25-26]。3D打印联合AR或VR模型通过提供更加精确解剖结构来协助医生制定的手术计划，从而得出更可靠的手术入路和手术操作，提高了手术效果。AR、VR技术能同步实时观察三维内容[13，27-28]。Porpiglia等[14]通过将虚拟模型的图像叠加到外科手术中，利用AR机器人辅助下前列腺癌根治术软件创建的虚拟模型集成到达芬奇机器人控制台上，以评估超精准三维重建和叠加成像在AR机器人辅助下前列腺癌根治术过程中的应用效果。实验中通过一个AR机器人辅助下前列腺癌根治术的软件利用多参数MRI和叠加成像创建超精准三维重建，获得前列腺和周围结构的三维虚拟模型，手术医师根据患者的具体解剖和癌症相对于其他关键解剖结构的位置定制程序，使手术更加精准和方便。Porpiglia等[11]还在欧洲泌尿外科杂志上发布了关于他们评估新的三维弹性AR系统在识别机器人辅助根治性前列腺癌切除术中保留神经手术阶段前列腺肿瘤的包膜受累位置方面的准确性的研究成果，实验中根据三维AR或磁共振成像报告给出的图像，将金属夹子放置在可疑囊膜受累位置上，结合病理分析评估肿瘤的存在情况。实验结果表明，三维AR组与二维组比较，三维AR组在保留神经期包膜中的优势更加明显(100%vs.47%，P<0.05)。

3 展望

随着3D打印材料的研究深入和新技术的研发，3D打印技术已经被证明可以用于打印尿道并用于修复损伤的尿道[29-31]，提供了阴茎损伤修复[32-33]和打印肾脏器官[36]的可能性。随着3D技术的进步和研究不断的逐步深入，新工艺的不断开发以及与其他先进技术、先进材料的联合应用，将为前列腺癌诊疗提供更加方便、快捷和安全的应用前景[13，37]。