3D打印技术在肝胆外科教学中的应用

卢 斌 倪晨明 马洪运 邵 卓 王 震 胡佳阳 李 刚*

（1. 武警上海市总队医院外二科，上海 201103； 2. 海军军医大学第一附属医院肝胆胰腺外科，上海 200433）

近年来，3D 打印技术在世界各大媒体上受到广泛关注，3D 打印技术几乎结合了数字建模、电控、信息、材料等多种最新科学知识，具备极高的科技价值。3D 打印技术已经深入到工业生产领域之中，诸如汽车制造、航空航天工程、建筑制造等。在医疗和教育等领域同样前景广泛。正是3D 打印技术在制造工艺方面具有的独特性，甚至被国内外专家誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”之一。

3D 打印技术萌芽于20 世纪70 年代末至80年代初。早在2012 年，美国的克利夫兰医院就将3D打印肝模型用于医疗实践；同年，该院知名医生Nizar Zein 使用3D 打印肝模型让其团队成员进行术前模拟练习，成为将3D 打印技术应用在肝外科教学的先驱［1］。如今3D 打印技术被越来越多的肝胆外科医生所接受并用于外科教学之中。本文主要探讨3D打印技术在肝胆外科教学中的相关应用，希望对肝胆外科教学提供参考。

1 3D 打印技术在肝胆外科教学中的应用

1.1 3D打印技术在肝胆解剖教学中的应用

肝胆系统结构复杂，针对肝胆外科教学来说，肝胆系统的解剖一直是重点和难点内容。如何让学生理解肝分段、分叶、肝门部结构及血管、胆管走形是各大教学医院教学的难点。肝胆系统传统的教学方法主要以尸体解剖为基础，辅以解剖学图谱、解剖模型等进行授课。然而，现阶段教学所用尸体主要依靠遗体捐献，来源稀少［2］。在实际临床教学中，往往多名学生共同解剖一具尸体，加之尸体使用具有不可重复的特点，一次解剖切开后便无法再次使用，这就导致学生学习的效率大大降低。传统的塑料模型虽然是有效的教学工具，但它们具有明显的缺点，如缺乏解剖细节、无法反应解剖学变异。而3D打印模型在一定程度上可以改善传统教学的不足。

李新宇等［3］通过应用3D 打印模型进行教学辅助后发现，3D 打印技术对学生学习肝、胆、胰腺系统的解剖难点帮助很大，能明显提高考试优秀率，很好地提升了肝胆外科学的解剖教学效果。国外学者［4］也通过对比研究发现3D 打印模型能够提高学习者识别肝段的能力，有助于肝脏节段解剖的教学效果。Bati 等［5］认为3D 模型可以更好地理解扩张的胰胆管病理解剖。由此可见3D打印技术可以帮助学生更好地理解肝胆系统解剖结构，提高学习效率。

1.2 3D打印技术在肝胆影像教学中的应用

影像读片能力是一名优秀肝胆外科医生的必备素质之一。对于刚接触影像学的学生来说，由于缺乏临床实践及临床思维，加之肝胆系统内部结构复杂，所以短时间内很难真正理解和熟练掌握肝胆系统的影像学知识。影像学读片需要将不同层面二维图片在脑中整合，形成一个三维立体的概念，这对于学生的空间构象能力要求较高。通过3D 打印技术，可以将2D 影像图片变为3D 模型，可以让学生360°观察，了解肝胆系统内部结构，看清肝动脉系统、门静脉系统、肝静脉系统及肝胆管系统的走形。通过影像图片与3D实物的对比，可以让学生逆向理解原始二维影像［6］，提高学习效果。另一方面，对于肝内部的病变，3D 打印可以从多个角度进行观察，明确病灶的位置以及与周围重要血管、胆管的关系。大大增强了学生对于肝内病灶，尤其是特殊肝段病灶的理解和认识，可以有效弥补传统二维图像观察视野有限的劣势，并且使学员更加感性地理解疾病的病理解剖状态。

张旭等［7］对80 名医学影像学专业学生进行教学对照研究后认为，通过病例教学法结合3D打印技术，能够充分调动学生学习积极性，培养学生独立思辨能力，提高教学质量及学生临床实践技能。黄福灵等［8］应用3D 打印技术制作医学模型，用于影像技术学专业学生CT 后处理的教学，效果良好。

1.3 3D打印技术在肝胆临床教学中的应用

临床实习期是每名医学生的必经阶段，该阶段是培养学生将理论与实践相结合的重要时期。因此临床带教工作至关重要，随着3D 打印技术的不断成熟使其成为提高教学效果的手段之一。郝惠惠等［9］在肝外科临床实习带教对比研究中发现，应用3D 技术带教的学生在临床拓展理论知识考试成绩明显高于传统方法带教组，他们认为新的带教手段可以激发学生的学习兴趣。此外，也有将3D 技术应用在肝外科研究生教学和规范化培训中的研究［10］，通过对比发现研究生在学习的兴趣性、工作的积极性、处理患者的能力、医患沟通能力、团队协作能力这5 个方面的评分均高于传统带教组。

传统外科培训一直以来遵循着“理论传授、教学演示、实际操作”的模式。然而，年轻医生外科手术技能水平参差不齐，首次手术实践如果在活体患者身上进行，可能产生严重不良事件。因此，各种外科模拟训练器应运而生。笔者也曾经试用过一款电子胆囊切除术模拟器，虽然图像逼真，也能完整模拟整个手术过程，但是由于缺乏有效的力反馈，感觉整个模拟过程与实际手术相差甚远。但如今通过3D打印技术就可以有效解决该问题。

3D 打印模型可以真实模拟外科手术过程。意大利帕维亚大学“3D 4Med”实验室应用可变形材料能更加准确地再现人体组织的形态和机械特性，为更现实的手术模拟铺平道路。这些模型可模拟术中解剖和血管的离断及吻合，能够实现对手术关键步骤的逼真模拟。Gavriilidis等［11］应用多头打印技术制造出具有类似组织触觉特性等比例大小肝模型，高度再现了血管胆道分支，使得模拟手术时触感更加真实。Burdall等［12］应用3D 打印技术模拟胆总管手术效果良好，该团队应用尼龙材质粉末打印制作肝模具，再使用硅胶、树脂材料分别打印胰管和胆总管囊肿混合组件拼入肝模具，从而建立胆总管囊肿手术模型；经该手术模型培训人员均认为与实体操作相比，模拟器触感良好，值得推荐。

我们也可以通过3D打印技术再现人体内复杂的管路结构，用于内镜或介入治疗的模拟训练。Berry 等［13］使用SLS 3D 打印技术制作了10个硅橡胶模型，用来代表10 种不同变异的脉管系统模型，为血管内手术提供逼真的训练环境。Dhir等［14］应用3D打印制备了扩张胆道系统的模型，用于模拟操作超声内镜引导下的胆道引流术；该模型可以模拟手术全部过程，包括穿刺、导丝操作、管道扩张、引流管放置，对于临床教学价值较高。佴启元等［15］成功制作布-加综合征3D打印模型，并由主任医师向低年资医师模拟血管内介入治疗的操作。Javan等［16］设计制作了肝脓肿和肝肿瘤模型，成功地模拟了经颈静脉门体分流术（TIPS）和经皮胆道穿刺引流术等介入手术。Li等［17］利用胆道扩张患者的影像学数据制作3D模型，并用于胆道镜技术培训；他认为3D打印胆道模型是胆道镜技术培训的良好教学工具，3D模型能真实模拟胆道内结构，很好地培训操作者的内窥镜技能。

另外，3D 打印个体化的特点可以为一些复杂手术患者量身定制手术模型。主刀医生可以通过手术模型在术前给助手讲授手术过程中的重点、操作的难点，并通过术前的模拟操作，让年轻医生加深对患者病灶的定位、解剖变异的认识、切除范围的确认，进一步提高对手术的认识、增强操作的熟练度、保障复杂手术的安全性。曾宁等［18］将3D 打印技术应用于Bismuth-CorletteⅢ、Ⅳ型肝门部胆管癌的个体化精准治疗，3D 模型能清楚地显示肿瘤与肝内胆管、肝动脉、门静脉和肝静脉系统的空间结构；该模型在术前能模拟手术流程、制定手术方案，在术中能实时定位导航、指导手术进程，尤其在肝内血管变异情况下，有助于提高手术安全性、降低手术风险。Witowski等［19］介绍了3D打印模型在计划性腹腔镜下半肝切除术治疗结肠癌肝转移中的应用；他认为在复杂的腹腔镜手术之前，应用3D 模型可以缩短手术时间、改善了短期愈后。Takao 等［20］制作出因肝移植或其他外科术后所致的门静脉狭窄模型，用于模拟门静脉狭窄后血管内介入治疗，并评估模型的精确度和准确性；他们认为运用熔融沉积打印（FDM）技术制作的门静脉狭窄管道模型用于血管内治疗的术前模拟有明显的优势。

2 中国虚拟人及人体数学模型在教学和临床中的应用

应用3D打印技术可以实现数字化虚拟人目标。在2001 年的香山科学会议上，科学家首次提出了我国数字化虚拟人体研究的规划和建议，从此揭开了我国数字化虚拟人研究的序幕。它可以通过数字化的形式再现人体的组织形态结构、物理功能、生理功能，是人体数学模型的终极形态，是对人体信息的精确模拟。经过20 年对国人数据的采集，我国已成功创建10 余例数字化人体数据集，并在此基础上开发了各种教学、科研软件。由山东大学、陆军军医大学和数字人公司联合研发的高清数字人解剖/临床病例手术规划系统精度可达到12 亿像素，相当于1 mm 采集10 层人体横断面的数据，使得人体的每个部位都非常清晰。该系统能更加精准地去培训临床医学生的解剖学习及手术操作。相关研究显示，在数字化虚拟人的带教模式下，学生满意度可达95.83%［21］。应用3D 虚拟人系统可以明显提升理论和实践考试的成绩，同时可以激发学生的学习兴趣［22］。祝文等［23］通过虚拟人技术构建的原发性肝癌三维可视化诊治平台，该平台可以有效评估手术风险，对选择最佳手术方式、增加手术成功率、降低手术风险和并发症的发生率具有十分重要的意义。巫彤宁等［24］利用人体数学模型精确定位肝肿瘤位置，并进行射频切除肝肿瘤的剂量评估，使得能量聚集更准确，避免对邻近组织的损伤。中国数字化虚拟人不同于国外引进的虚拟人平台，它更符合中国人的特点，在国内的教学和临床应用中更具优势。

3 3D打印在肝胆外科教学中的优势

快速化：3D 打印技术不需要像传统工艺那样制造相应的模具。根据三维模型数据可以通过3D打印机直接打印出成品。整个打印过程可全自动实现，工艺流程较传统制造流程短，可以在提出需求的第一时间完成现场制造。因此更高效、更快速。

简单化：在过去，传统制造业可能难以创建形状复杂的物体，而3D 打印技术能够为制作复杂物体提供可能。通过3D 建模和拼接打印，任何复杂应用和设计都可以迎刃而解，理论上可以制作出任何需要的形状。

可定制化：每个人都有个体差异，个性化医疗的本质就是针对不同人选择适合个体的医疗方案。3D 打印可以在建模时充分体现个体化差异，根据患者的特定结构来定制特定的模型。

标准化：3D 打印可以将制作的模型数字化储存，数字化保证了复制模型的一致性。只要将3D 打印机设定成相同的参数，那么打印出的成品必然一模一样。

可分享化：模型的数字化储存也使得分享变得更加容易，结合当今发达的互联网技术，我们可以在不同地点、不同时间打印出相同的模型，实现异地分散化制造的生产模式。

4 3D 打印技术在肝胆外科教学中的不足

3D 打印技术在肝胆外科教学中应用越来越多，然而也存在一定的局限性。

一是打印精度不足。Kong 等［25］相关研究显示，虽然在解剖学教学过程中，3D 打印的实体模型比传统图谱教学法存在优势，但并没有提高学生的最终成绩；他们认为模型的制作精度不足可能是导致教学效果较差的根本原因。因此，3D打印肝模型的制作精度和教学效果成正相关。目前，多数3D 打印机打印肝模型的精度仅仅达到3 级胆管支的水平，分辨率较低，这在一定程度上影响学生的认知。

二是真实性不足。目前，3D 打印模型大多是静态的，无法真实地反映器官和组织的动态表现。如模拟动脉血管的搏动、相关组织的出血，这样手术训练相对于真正的手术在感官上仍有一定的差距。

三是打印费用高昂。由于肝内部结构的特殊性导致3D 模型制作较为复杂，成本较高。Javan 和Zeman 为了制作出精美的肝模型，花费高达500 美元用于聘请专业的图形设计师对肝的3D 图形进行预处理优化以保证成品的效果，他们制作的肝模型每件接近1 000美元［16］。

5 展 望

随着3D 打印技术不断升级、打印材料的持续改进，都将进一步压缩打印成本。3D 打印在医学领域的应用将越来越广泛。3D 模型制作精度的提升是我们追求的目标，也是提高教学效果的根本保障。目前，3D 打印作为最新兴的技术也逐渐进入我们的眼帘，应用生物打印技术，我们可以制备肝模型用于模拟肝病理、生理过程，这在实验研究和临床教学中能发挥更大的作用。近年来，3D 打印技术在制造血管化结构的人工组织方面也取得了重大进展［26］，这就使得制作类似活体组织质感的肝脏模型成为可能，这在教学模拟中能更贴近真实感，学习效果事半功倍。中国虚拟人在加入真实的生理、生化等数据后可以个体化模拟相应的诊断和治疗，预测药物对患者治疗的反应。我们可以预见，在21 世纪3D 打印技术将成为外科教学和外科手术领域发展的新引擎。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明卢斌：提出并设计研究命题，获取与分析数据，撰写论文；倪晨明：提出并设计研究命题，获取与分析数据，修改论文；马洪运、邵卓：提出并设计研究命题；王震、胡佳阳：获取与分析数据；李刚：总体把关，审定论文