3D 打印技术在泌尿外科的应用现状

刘 浪 杨嗣星

武汉大学人民医院泌尿外科 湖北 武汉 430060

3D 打印也称为增材制造，是一种将可粘合材料逐层熔合沉积以创造复杂的实物模型的过程。与传统机械制造相比，3D 打印只需计算机软件操作建立模型文件就能打印出具有高保真度的实物模型，耗材少、成型速度快、可满足个体化需求。1986 年，Charles Hull 开发了第一台商业3D 打印机并申请专利，最初这种工艺仅用于汽车、航空航天、建筑等领域，到了21 世纪初，人们开始探索其在医疗领域的应用［1］。在过去的 10 年里，3D 打印在医学领域的研究应用急剧增长，涉及牙科、解剖、医疗设备、组织工程和药物制剂等各个方面，在泌尿学领域的研究和应用也显著增加［2］。

1 3D 打印技术

3D 打印利用分割软件从CT 和MRI 等影像中获取信息，创建3D 数字模型并使用计算机设计软件对3D 模型进行修饰，将修改后的模型文件上传到3D 打印机打印出该结构。其操作流程为：①从医学影像获取数据；②图像分割；③转换图像格式上传至3D 打印机；④打印成型后干燥稳定［3］。下面介绍几种医疗工作中常用的3D 打印方法［4］。

熔融沉积模型（fused deposition model，FDM）：FDM 是现在最常见的、低成本的3D 打印方式，它通过加热喷嘴逐层挤出热塑性长丝来创建3D 模型。由于FDM 是自下而上构建模型的，所以悬垂结构需要支架支撑。FDM 不能在一个模型中组合多种颜色，仅能在配备双挤出机的机型上使用双色。

喷墨印刷：喷墨印刷是将材料滴沉积在基板上，通过连续沉积创建3D 结构。通过将3D 打印支架与生物活性细胞相结合，或者使用含有活性细胞的生物墨水打印，可以将喷墨印刷用于生物打印。

粉末床熔融：包括选择性激光烧结（selective la‑ser sintering，SLS）、选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）和粘合剂喷射。SLS 使用激光将粉末基板逐层熔合；SLM 使用类似的技术来熔化金属粉末；粘合剂喷射也使用粉末床系统，将粘合剂沉积在粉末层上，可创建彩色结构。

立 体 光 刻（stereolithography，SLA）：SLA 是Charles Hull 于1986 年开发并获得专利的第一种3D打印技术。SLA 使用激光对准一桶光固化树脂来创建3D 模型。采用数字光处理技术，具有很高的准确性，它是医疗领域中最常见的打印方法［5］。

2 3D 打印在泌尿外科中的应用现状

2.1 手术规划3D 打印作为泌尿外科手术规划的工具目前正在探索中，主要涉及肾脏、前列腺癌和肾结石手术。

2.1.1 肾肿瘤 肾部分切除术和肾根治性切除术是T1 期和T2 期肾肿瘤的首选术式，清晰地认识肿瘤细节、其与邻近结构的关系对手术策略的制定以及手术效果至关重要［6］。3D 模型可以全面展示肿瘤的位置、大小、与集合系统的关系和血管的分布，不仅有助于外科医生对手术入路做出最佳决策，同时可以精确切除病变范围并尽可能保留肾单位。Komai 等［7］在 3D 打印肾脏模型的帮助下进行微创肾部分切除术，结果手术切除标本与3D 打印模型的肿瘤和边缘几乎完全相同，说明3D 打印技术用于肾部分切除术术前规划、术中导航的可行性。Wake 等［8］评估 3D 打印肾肿瘤模型对术前规划的影响。相比于观看二维影像资料，手术医生根据3D模型制定的手术计划与实际手术具有很高的匹配度，医生可实触3D 模型，加强他们对肾脏解剖结构的理解，有助于术前规划，并尽可能保留肾单位。杨启维等［9］将肾癌病例分组进行腹腔镜保留肾单位手术、3D 模型+2D 腹腔镜保留肾单位手术、3D 模型+3D 腹腔镜保留肾单位手术，结果显示3D 模型指导组热缺血时间和手术时间、出血量均明显减少，3D 模型有助于对内生型和肾门部肿瘤准确定位，降低手术风险，减少并发症，值得在临床中推广使用。

2.1.2 前列腺肿瘤 超声引导下经直肠前列腺穿刺活检术是诊断前列腺癌最有效的操作，明确前列腺癌的位置、大小是精确穿刺的关键。Wang 等［10］采用3D 打印前列腺模型模拟活检后行靶向前列腺穿刺，结果显示3D 打印显著提高了前列腺癌活检的阳性率，减少了高危前列腺癌的漏检率。3D 打印技术可以应用透明树脂材料直观地显示肿瘤的位置、大小和形态，有助于操作者从多个角度对前列腺癌精确定位，从而提高活检取样的准确性，降低漏诊率。前列腺癌根治性切除术是早期局限性前列腺癌治疗的首选术式，目前主要以CT 和MRI 的三维重建图像为医生制定手术方案提供帮助，更加清晰的前列腺癌解剖定位可以提高手术疗效、减少术后并发症［11］。Shin 等［12］根据 MRI 对 5 例前列腺癌患者制作有神经血管束的半透明前列腺3D 模型。术后，所有患者手术切缘均为阴性，准确了解前列腺癌与前列腺包膜和神经血管束的关系对保留神经的根治性前列腺切除术和局部治疗都有意义。同样，Chandak 等［13］结合前列腺癌 3D 模型，对10 例患者进行机器人辅助保留神经根治性前列腺切除术并随访，结果只有一个病人有阳性边缘，性健康（male sexual health inventory，SHIM）评分>21分的7 名患者中，有4 名患者能达到满足性交的勃起。前列腺癌的外科治疗效果取决于肿瘤的解剖位置及其与神经血管束的复杂关系，使用3D 打印模型对根治性前列腺切除术中血管神经的保护，对术后各项生理功能的改善都有意义。

2.1.3 肾结石 经皮肾碎石取石术是目前治疗复杂肾结石重要手段，取石效果的关键和难点就是经皮肾镜穿刺通道的设计和建立［14］。我们通常根据术前CT 和术中B 超来判断结石的大致情况，结合临床经验建立通道，由于没有直观准确地了解肾周脏器解剖关系、肾血管分布、结石定位，很难找到最优穿刺通道，以至于出血、邻近脏器损伤、尿脓毒血症等并发症发生率很高［15］。赵国斌等［16］将 60 例复杂肾结石患者随机分为3D 打印组和常规影像检查组，3D 打印组根据模型为每位患者建立虚拟安全的经皮肾通路后行PCNL，其结果表明3D 打印组在目标肾盏定位时间、模拟穿刺盏与实际穿刺盏的符合度、清石率和血红蛋白下降水平四个方面优于对照组，他们认为3D 打印可以还原肾周及结石的解剖细节，对于减少并发症及提高碎石率有重要的临床意义。Xu 等［17］为纳入试验的12 位患者每位患者打印3 个相同的模型。从肾脏模型的上、中、下盏选择3 个穿刺点模拟经皮肾镜取石术，记录结石清除率，将产生最大清石率的穿刺部位用于患者实际手术中，其结果显示患者术后结石体积与模型术后结石体积一致性和相关性很高，可见3D 打印模型与体外模拟在复杂肾结石的治疗过程中可以帮助选择肾盏，建立最佳肾穿刺通道。3D 打印技术成功打印肾结石模型为医师术前规划、手术模拟及术前结石定位提供更有利的信息，为最佳穿刺点及穿刺角度的选择提供支持，为手术的成功提供了保障。

2.2 其他领域3D 打印在医学教育和病人宣教、泌尿外科材料的研制以及生物打印等方面都有应用。比起2D 扫描图像，3D 打印解剖模型已经展示了对病人、医学生和初级临床医生教育的益处。Knoedler 等［18］让 一年级医 学生分 别根据 CT 和 3D模型完成R.E.N.A.L. 评分并进行比较。结果表明3D 模型显著提高了受训者肾功能评分的准确性，不仅展现出学员之间的一致性，与外科专家医生相比，差异性也更小，表明利用3D 模型提高了学生理解和概念化肾肿瘤的能力。大多数肾肿瘤患者的影像学经验有限，3D 模型可以让患者更好地理解他们的病情，让他们更直接地参与医疗决策，提高患者的满意度。Bernhard 等［19］发现通过对患者展示3D 模型讲解前后的问卷调查，患者对肾脏生理、解剖、肿瘤特征和手术计划的了解明显提高。Ata‑lay 等［20］也发现利用 PCNL 3D 模型，提高了 50% 的患者总体满意度（P=0.02）。3D 材料及生物打印是医学研究中一个极具潜力的领域，目前，可以将患者的细胞种植在支架上，创造出具有生物活性的体外组织。Park 等［21］利用3D 打印成功设计和制作了抗反流输尿管支架，在体外研究中，该支架可以有效地防止回流。Little 等［22］已经创造出肾脏微器官，这为肾脏细胞的生产提供了一个经济的来源，然而要实现替代性肾组织的目标，还需要在规模、结构和功能方面进行不断改进。3D 打印在生物打印和材料制造方面的技术还尚未成熟，无法应用于临床实际，需更多的研究来证实它们在体内的可行性和功能完整性。

3 结语

目前，3D 打印技术已经在医务人员的培训和病人的宣教，手术计划和术前模拟等方面展现了重要价值。但也存在一些不足，比如制作成本高、专业技能人员不足等，相信随着3D 打印机的成本逐渐降低，人们对技术的熟悉程度不断提高，3D 打印技术可以无缝整合到病人管理途径中，医院可以在癌症诊断或手术规划时打印低成本的3D 模型，用于与患者的讨论或多学科会诊的讨论中。虽然还需要进行大规模试验为3D 打印在泌尿外科使用的益处提供定量数据，评估3D 打印的成本效益，但3D打印依然是泌尿外科领域一项激动人心的技术。