3D打印技术在精准肝切除术前评估的应用

张朋飞，于松宁，雷鹏，卜阳，王新青，李海波，逄淑东，李海明

(1. 宁夏医科大学 研究生院，宁夏 银川 750004；2. 宁夏医科大学总医院 肝胆外科，宁夏 银川 750004）

现代科技在肝脏外科领域的综合应用与集成创新推动着21世纪的肝脏外科进入了精准肝切除时代[1]。精准肝切除追求目标为最小创伤侵袭、最大肝脏保护、获取最佳康复效果[2-3]，因此精细的术前评估和合理的手术规划是精准肝切除的重要保证和前提。作为一种全新的评估手段，医学3D打印技术、医学三维可视化技术因其对个体化肝脏进行三维重建，自动进行肝脏体积计算，实施虚拟手术等应用，在肝脏切除术前评估及手术规划得到初步推广并日显重要[4-6]。本研究采用三维可视化软件（MI-3DVS），对7例肝脏肿瘤患者的上腹部64排螺旋CT数据进行三维重建，并进行肝脏物理模型的3D打印，在此基础上评估手术风险及术后并发症发生概率，对拟行精准肝切除患者进行模拟手术操作，将自动测算的模拟数据与真实手术情况进行对比，以评价医学3D打印技术在精准肝切除术前评估的应用价值。

1　资料与方法

1.1　一般资料

本回顾性研究对象为2016年1月—2016年12月在宁夏医科大学总医院肝胆外科收治的7例复杂型肝脏肿瘤患者。根据相关文献[7-8]，将复杂性肝脏肿瘤评估标准为：⑴ 肝脏肿瘤直径＞10 cm；⑵ 肿瘤位于第一肝门、第二肝门或第三肝门附近；⑶ 既往行TACE术，或考虑肝脏肿瘤位置欠佳，手术难度大患者，符合上述条件其中1条或1条以上的患者。本研究收集患者中男5例，女2例；年龄26～68岁，平均年龄（55±13.49）岁；HBsAg（+）2例；肝功能Child-Pugh分级A级6例，B级1例；肝细胞性肝癌5例，肝脏局部结节性增生1例，肝海绵状血管瘤1例；肿瘤位于II、III、IV段1例，V段1例，V、VIII段3例，VIII段1例，V、VI、VII、VIII 1例；肿瘤直径最大15 cm。

1.2　方法

1.2.1CT数据采集与3D打印本组患者均使用64排西门子螺旋CT分别行上腹部平扫、动脉期、门静脉期、延时期扫描，必要时增加1期静脉期扫描，层厚为1 mm。造影剂为碘佛醇注射液（350 mg:100 mL），浓度为350 mgI/mL，使用20号留置针，用高压注射器上肢静脉灌注，剂量为 90 mL，注射速率4 mL/s。将获得的上腹部CT影像学DICOM数据导入MI-3DVS软件，分别进行肝脏、肿瘤、周围脉管系统（包括门静脉系统、下腔静脉和肝静脉系统、肝动脉系统）以及周围毗邻器官的三维重建。精确定位肿瘤所在肝段及与周围脉管系统的毗邻关系。同时进行全肝体积、肿瘤大小的计算。将三维重建STL格式文件导入3D打印机，进行3D彩色半透明打印，采用树脂或石膏材料打印出肝脏1:1物理模型。

1.2.2手术规划制定根据肝脏肿瘤的三维重建结果，模拟精准肝脏切除，尽可能保留残余肝脏且不伤及周围血管，计算模拟肝脏切除体积与残余肝体积。仔细观察模拟切除平面与周围组织血管关系，在肝脏物理模型直接模拟手术操作。结合患者实验室检查评估肝功能，结合患者是否合并乙肝、肝硬化，是否高血压、糖尿病等基础疾病以及实验室凝血全套和生化全套检查结果评估肝脏功能，根据模拟手术测算结果，最终确定手术方案，若评估患者病情不适合外科手术，则建议行介入治疗或保守治疗方案。

1.2.3进行精准肝脏切除采用右肋缘下反L型切口或人字型切口，根据手术探查情况，采用常规游离肝脏后，预置第一肝门阻断带，切除胆囊，离断或阻断患侧的肝动脉及门静脉，阻断第一肝门后沿肿瘤边缘将肿瘤完整切除，所遇管道均给与结扎，断肝主要使用电刀、超声刀等由浅入深逐渐离断肝脏，根据病情需要进行肝段切除，或半肝切除。采取排水法测量切除的肝脏体积。

1.2.4观察指标外科手术数据（实际手术方案与模拟手术符合率、肝脏及肿瘤体积、肝门阻断时间、住院时间）、实验室数据（术前及术后血清转氨酶水平，血清总胆红素水平，血清白蛋白水平）、早期术后并发症（依次为胆汁漏、出血、肝功能衰竭等）。

1.3　统计学处理

采用SPSS 17.0统计软件进行数据分析。临床观察指标采用中位数（四分位间距）[M（QR）]表示。计量资料以均数±标准差（±s）表示，P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结　果

2.1　手术情况

7例患者中1例患者术前行肝脏三维重建后发现肝脏肿瘤已侵犯门静脉，已无根治性手术切除指征，建议行TACE术；6例患者术前模拟手术方案与术中实际手术方案的吻合率为100%（6/6）。3D打印肝脏体积为（1872.2±753.7）mL，肝脏肿瘤中位体积316.96（118.56，495.73）mL。

2.2　术后情况

患者平均住院时间为（19.8±5.6）d。全组患者无围手术期死亡。术后6例患者无明显胆汁漏、大量出血、肝功能衰竭等严重并发症，术后病理切缘均未见肿瘤细胞（表1）。

表1　6例手术患者手术及术后相关指标Table 1　The main variables of the 6 operated patients

2.3　典型病例

患者 女，63岁。主因“间断腹胀、气短1年余，加重2个月入院。HBsAg阴性。术前肝功能评分Child-Pugh A级，术前CT检查提示：肝右叶巨块型肝癌，大小约10.3 cm×8.8 cm；肝门区及腹主动脉旁可见散在淋巴结（图1A-D）。三维重建模型可自动测得肝脏体积1406.03 mL，肿瘤体积440.42 mL（图1E-H）。术前模拟右半肝切除术，患者残余肝脏体积不足30%。完整打印3D物理后，可立体展示肝脏、肿瘤及肝内血管关系。仔细观察患者肝脏物理模型，肝脏VI、VII可由肝右静脉回流，且肿瘤未侵袭肝右静脉，故拟行肝脏V、VIII段切除（图1I-L），患者于2016年10月15日全麻下行肝脏V、VIII段切除、肝右静脉切开取栓术（图1M-P）。实际手术与模拟手术方式一致，手术时间为5 h，术中出血400 mL，肝门阻断4次，总时间为40 min。术后切除肝脏体积约600 mL。术后病理：（肝右叶）肝细胞性肝癌，癌灶最大直径约10 cm，病理切缘阴性。

3　讨　论

肝脏外科的发展经历了楔形肝切除、规则性肝叶切除、不规则局部切除、解剖性肝段切除等发展阶段[9-10]，随着计算机技术、三维影像学、数字化肝脏外科的不断探索与发展，肝脏外科进入了精准肝切除的新时代。精准肝切除的理念和技术适用于所有适合肝切除治疗的良恶性肝脏疾病，并贯穿术前评估、手术规划、手术操作和术后管理等外科治疗全过程[11-12]。医学3D打印技术的临床开展，使得精准肝切除理念在肝脏切除手术中获得更好的诠释和应用。

目前肝脏切除术仍是治疗肝脏肿瘤最为重要的治疗方式[3]，肝脏是由肝实质和一系列管道结构组成，血液供应非常丰富，由于肝脏解剖以及肝内Glisson系统和肝静脉系统错综复杂[13-15]，盲目进行肝脏切除易导致术后肝脏出血、缺血、胆汁漏以及小肝综合征，严重时可导致患者死亡[11,16]。因此，精细的术前评估和合理的手术规划仍是提高手术安全性、减少手术并发症、降低围手术期病死率的重要保证[17]。既往肝脏切除术前评估是基于外科医师临床经验，将连续的CT、MRI等二维平面图像在脑中进行三维重建，形成立体图像，从而判断具体的肝内病变部位，了解肿瘤与脉管系统的毗邻关系，粗略估算残余肝脏比例，然而对于年轻医师及医学生而言，由于缺乏熟练的二维图像阅片基础，实际外科手术操作经验不足，肝脏解剖学认识欠缺等，无法有效的判断出肝脏复杂的血管的空间走形和功能结构[5,18]。术中超声在可进行肝脏切除实时导航，但容易遗漏小病灶，Igami等[19]报道肝脏3D技术对于术中超声不可见的小肿瘤方面也积累了初步经验。

为了更好进行肝脏切除术的精细术前评估和手术操作，解决既往二维图像术前评估的局限性等问题[20-21]，我院与深圳旭东公司合作，将薄层CT二维图像的DICOM文件进行处理和分割，利用MI-3DVS进行三维重建，将三维图像采用软件建模后，导入到3D打印机，获得透明肝脏3D物理模型。本研究显示，外科医师可通过该模型可以全方位、多角度、多感官了解肝脏、脉管解剖结构及肿瘤位置，准确有效地掌握肿瘤与肝内脉管系统的毗邻关系，从而提高术者及助手对肿瘤可切除性评估和切除范围的把握，满足了精准肝切除的精准术前评估及手术规划的基本要求。本研究中6例手术患者外科手术难度均较大，术者充分利用肝脏模型指导手术操作，有效提高了安全性。打印出器官或组织的3D模型不仅能应用于临床手术操作，而且对医学教育、科学研究、病例分析都起到积极的指导作用。3D模型可以帮助医学生及年轻住院医师轻松掌握肝脏解剖结构，利用肝脏物理模型进行术前病例讨论及分析，也可使学术交流更加方便，另外利用3D物理模型与患者家属进行医患沟通时，亦具有简单明了的效果，对于改善医患之间信息不对称、加强医患交流、减少医患矛盾也具有一定的意义。

3D物理模型是基于患者本人CT扫描数据整体复制，它不仅可以精准的显示患者的肝脏动脉、门静脉、肝静脉及腔静脉的空间走形及个体化变异[22-23]，还能进行根据肝内门静脉及肝静脉分布准确的个体化分段，明确肿瘤所在的肝段。通过计算肝脏体积、肿瘤体积、模拟切除肝脏体积和残余肝脏体积，进行精准的术前评估，模拟外科手术操作，进而预判手术操作难度及危险性，增强手术的安全性，减少手术时间，避免术后并发症，缩短住院时间[24]。本研究3D物理模型精准打印出患者肝脏、肿瘤及脉管结构，模型的体积与形态和患者肝脏高度一致，肝内及肝周结构清晰明了，实际手术过程与术前手术规划完全符合（6/6），7例患者肝静脉为3种类性，其中3例患者肝左静脉、肝右静脉、肝中静脉分别单独汇入下腔静脉，另4例患者存在肝静脉的变异，其中1例为肝中静脉与肝左静脉汇成1支短干汇入下腔静脉，其中2例为肝中静脉与肝右静脉汇合成1支短干共同汇入下腔静脉，1例患者存在1支肝右静脉，1支肝右副静脉。7例患者中肝脏动脉、门静脉未发现血管变异。患者平均住院时间为（19.8±5.6）d，全组患者无围手术期死亡，术后6例患者无明显胆汁漏、大量出血、肝功能衰竭等严重并发症，术后病理切缘均未见肿瘤细胞。然而，作为一种全新的数字化肝脏外科学技术，3D打印技术也存在一定不足，3D模型的质量取决于CT扫描的2D图像质量，CT图像的厚度、血管显影质量、行CT检查时患者呼吸情况等均对3D打印物理模型有一定影响，计算机处理过程也存在部分数据的偏移，同时，3D打印技术的耗时较长、费用较高，这也导致该技术不能常规应用于肝脏外科手术，本研究中，打印一个同实际大小一样的肝脏模型需耗70 h，根据不同材料花费不同，一般树脂透明材料要比石膏材料价格高，所以对于复杂性肝脏肿瘤或者存在血管变异的患者应用价值更大。基于上述限制，3D打印技术目前仍处于临床实验阶段，但其作为一门新型的多学科交叉的边缘性学科，有着直观、可靠、精准等优势，在肝脏外科领域具有广泛的应用前景。

综上所述，三维可视化技术、3D打印技术能对肝脏肿瘤进行精准的术前评估，术前手术规化使肝切除更加精准、安全、有效，在精准肝脏外科手术的实施中提供了一定的指导意义，在临床上有广泛的应用前景。

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