3D打印技术在后腹腔镜下肾部分切除术中的应用研究

孙春山 束坤鹏 王灵点 刘闯 段小雨 丁德刚

3D打印技术又称快速成型技术或者快速原型技术，是一种以三维数字模型为基础，采用逐层制造方式，将材料堆积起来的新型增材制造技术[1]。3D 打印技术在医学领域已有数十年的发展历史，因其具备严格遵循个体化治疗这一基本医疗原则的特点，目前已广泛应用于骨科、脊柱外科、颌面外科、神经外科、心脏外科及其他学科[2]，但在泌尿外科手术中的应用尚处于起步阶段。本研究探讨了 3D打印技术在后腹腔镜下肾部分切除术(retroperitoneal laparoscopic partial nephrectomy， RLPN)中的应用价值。现报告如下。

对象与方法

一、一般资料

2017年10月至2018年2月我院收治的20例肾肿瘤患者纳入研究，根据入院顺序，采用随机数表法将患者分为观察组(n=10)和对照组(n=10)。

入选标准：①经彩超、CT平扫加增强等影像学检查后确诊为肾肿瘤；②单发肿瘤，肿瘤最大直径≤7 cm；③无局部及远处转移；④符合LPN手术治疗指征；⑤术前凝血功能、肝功能、肾功能及心肺功能无明显异常；⑥术前无泌尿系感染或感染已控制；⑦年龄大于18岁且小于80岁。排除标准：①合并其他恶性肿瘤；②存在马蹄肾或重复肾等解剖畸形。

二、方法

1.3D模型打印：提取观察组患者CT数据(要求层厚≤1 mm)，使用医学影像处理软件materialise mimics 17.0(Materialise公司)对数据进行三维重建或多模态融合等处理，使用Stratasys J750 3D打印机(Stratasys公司)进行打印，打印完成后使用自来水加清洗机进行模型的后处理，即完成全彩肾肿瘤模型的打印。使用材料为光敏树脂(广州迈普再生医学科技股份有限公司)，模型颜色动脉选择红色，静脉选择蓝色，输尿管选择浅蓝色，肾皮质打印为透明，肾肿瘤打印为黄色(半透明)，肾髓质等肾实质打印成绿色或其他颜色以区分。 见图1～3。

图1 3D建模图片图2 3D打印模型图3 3D打印模型与CT三维重建对比

2.认知度评估：设计认知度评估问卷，涉及肾脏生理、肾肿瘤特点、手术过程和术后并发症四个方面,共20个题目。两组患者均于病情沟通后完成认知度评估问卷，回答正确计入正确题目，回答错误及选择“不清楚”均不计入正确题目。对两组患者回答正确题目数进行统计对比。

3.手术方法：两组均行RLPN。观察组应用3D打印模型指导手术操作，对照组应用传统CT胶片指导手术操作。麻醉满意后，取健侧卧位，升高腰桥，常规消毒铺巾，于患侧腋中线髂嵴上方2 cm切开皮肤及皮下组织，中弯钳顺肌纤维方向钝性分离，撑开腰背筋膜进入腹膜后间隙。用示指朝头端方向推开腹膜外脂肪和腹膜，置入气囊，充气约500 ml，充分扩张腹膜后间隙。于腋前线、腋后线与肋缘交界处切开皮肤后分别置入10 mm及5 mm Trocar。髂嵴上切口置入10 mm Trocar，7号丝线缝合皮肤缩小切口，并由此通道内置入腹腔镜。观察确认后腹腔内无明显活动性出血，无器官损伤，去除部分腹膜外脂肪，在腰大肌前方向腹侧分离肾脏，打开肾周筋膜，充分游离肾脏内、外侧及上、下极，充分暴露肿瘤，应用哈巴狗血管夹阻断肾动脉主干或目标动脉分支，开始热缺血时间计时，距肿瘤边缘约1 cm完整切除肿瘤，3-0可吸收倒刺线连续缝合出血点，关闭集合系统，2-0可吸收倒刺线连续缝合肾脏肿瘤切除后创面，对合肾皮质切缘，松开哈巴狗血管夹，结束热缺血时间计时。将标本装入标本袋，放置腹膜后肾周引流管，再次检查无出血，延长髂嵴上方皮肤切口取出肿瘤标本，清点器械无误后逐层关闭切口，缝合皮肤。

4.观察指标：比较两组患者的一般资料，包括性别、年龄、病灶部位、肿瘤最大直径、体重指数、术前患肾GFR及R.E.A.N.L.评分；比较两组患者评估问卷回答正确题目数、手术时间、肾动脉阻断时间、术中出血量、胃肠道恢复时间、术后住院时间、术后病理情况及术后3个月随访患者患肾GFR下降值。

三、统计学方法

结 果

观察组病例均成功打印出肾脏3D模型。两组患者均于术前沟通后完成认知度评估问卷，并成功实施RLPN，两组中各有3例行高选择性肾动脉阻断，其余采用肾动脉主干阻断，无中转开放手术、无术中输血、无术后严重并发症发生。

一、两组患者一般资料比较

观察组患者年龄25～79岁，术前CT示肿瘤最大直径2.3～5.2 cm，均为T1N0M0期，其中T1aN0M0期8例、T1bN0M0期2例，R.E.N.A.L.评分5～10分；对照组患者年龄44～76岁，术前CT示肿瘤最大直径2.1～5.3 cm，均为T1N0M0期，其中T1aN0M0期9例、T1bN0M0期1例，R.E.N.A.L.评分4～9分。两组患者性别、年龄、病灶部位、肿瘤最大直径、体重指数、术前患肾GFR和R.E.N.A.L.评分比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 一般资料比较

二、认知度评估问卷结果

观察组回答正确题目数较对照组明显增多，差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。

三、手术相关指标比较

观察组手术时间、肾动脉阻断时间较对照组均明显缩短，差异有统计学意义(P<0.05)。观察组术中出血量、术后胃肠道恢复时间和住院时间与对照组相比，差异均无统计学意义(P>0.05)。见表2。

四、术后病理

术后病理示观察组透明细胞癌9例、平滑肌脂肪瘤1例；对照组透明细胞癌8例、乳头状腺癌1例、平滑肌脂肪瘤1例。两组患者手术切缘均为阴性。两组病理结果及切缘阳性率比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

五、术后3个月随访患肾GFR下降值

观察组患者术后3个月随访患肾GFR下降值较对照组降低，差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。

表2 两组患者相关指标比较

讨 论

肾癌约占全部成人恶性肿瘤的3%，发病率为4.4/100 000～11.1/100 000[3-4]，其发病主要与生活方式有关，如吸烟、肥胖和高血压等[5]。很多肾脏肿瘤患者直到疾病晚期仍然没有症状。目前出现经典腹痛、血尿、腹部肿块三联征的比例低于之前报道的6%～10%[6]。肾癌的检出主要依赖于超声和CT, 目前超过50%的肾癌是在行其他部位的超声或者CT检查时偶然发现的，近年来随着影像学技术的发展，小肾癌(肿瘤直径≤4 cm)的检出率逐渐增加[6]。

几十年来，根治性肾切除术(radical nephrectomy, RN)一直是治疗肾肿瘤的金标准。1993年，Winfield等[7]成功完成了首例LPN，LPN自此逐渐成为T1期局限性肾癌的推荐术式[8]。对于T1和T2期肾肿瘤，10年生存率RN较肾部分切除术并无明显优势[9]。因此，对于早期局限性肾癌，RN似乎成了一种矫枉过正的治疗方法。LPN在腹腔镜微创手术的基础上，能有效保留肾脏功能，降低术后发生肾功能不全的风险，使患者获得良好的远期预后。然而，LPN是泌尿外科一种操作难度较大且风险高的手术，需要术者在较强空间感下熟练操作，精准夹闭肾脏血管，完全切除肿块及紧密缝合残余肾脏，以减少肾脏热缺血时间，控制术后腹膜后出血、尿瘘等并发症发生。Hung等[10]对534例行肾部分切除术的患者进行了回顾性研究，提出了“Trifecta”的概念，即将切缘阴性、最大的肾功能保留和最少的并发症发生作为肾部分切除术的三大常规目标。

3D打印技术在泌尿外科的应用最早见于杜兰大学Silberstein等[11]的报道，研究者运用3D打印技术成功打印出5例肾肿瘤患者的肾脏模型，并用于术前医患沟通及指导术者术前模拟训练，但仅描述医生及患者口头表达对疾病，尤其是对肾肿瘤特点的理解有所增强。CT或MRI等影像学资料可给临床医生提供大量患者病情信息，以用于疾病的诊疗。目前，在大多数泌尿外科乃至所有其他外科手术前，医生多使用CT或MRI胶片进行术前沟通，即向患者讲解病情、手术方案和手术风险等内容。但CT和MRI等断层扫描影像具有平面性和抽象性的特点，这不仅需要了解断层扫描的含义，还需具备一定的解剖知识储备和空间想象力，才能理解胶片所包含的信息。这对于无医学背景的患者及家属来说，难度较大。另外，患者对治疗的依从性在LPN术后管理期间必不可少，这需要充分的术前沟通。本研究中，我们打印了10例肾脏模型，模型清楚地显示了肿瘤的位置、大小、与肾血管的关系及与周围组织的关系等信息，理论上可以提高医生术前宣教的效率及效果，使患者更易理解其病情及手术相关信息，从而提高患者的治疗依从性和对医生的信任感，并能减少潜在医疗纠纷风险。本研究从肾脏生理、肾脏肿瘤、手术过程及术后并发症四个方面评价对患者进行术前沟通的效果，结果表明，观察组回答正确题目数较对照组明显增多。因此我们认为3D打印模型用于LPN术前医患沟通，有助于提高患者对疾病及手术的认知程度。

另外，以往医生往往根据患者影像学检查结果粗略评估手术难度和确定大致手术方案，等比例的肾脏实体模型以其高保真的特点，精准还原肾脏解剖结构，理论上可为临床医生更精准地进行手术判断提供支持。本研究中，手术医师均口头表达对3D打印模型逼真程度表示满意，表示根据3D打印模型进行手术规划对手术有明显帮助。本研究术中及术后相关指标统计结果表明，3D打印模型指导手术在降低手术及肾动脉阻断时间方面，效果明显。区别于CT影像中组织间无法分割和强化区分，模型以不同颜色区分不同组织，清晰展示各组织的位置关系和形态，立体表现肿瘤外凸情况、肾血管走行及肿瘤供血动脉位置等，术前术者可以根据肾脏模型对病情进一步评估。3D打印模型可以协助术者进行术前规划，如确定手术切除范围、预知需要规避的风险和拟夹闭肾动脉位置走行、快速定位分支血管等，条件允许时甚至可以对一些高难度病例进行术前练习。术中利用肾脏模型可以指导术者快速游离并夹闭目标动脉，根据肿瘤范围精准切除肾肿瘤，这些对于保留肾功能并保证切缘阴性极其重要。并且通过术后随访患者患肾GFR，根据两组GFR下降值，量化对比出3D打印模型对减少肾功能损伤的重要作用，这可能与更短的热缺血时间和更精准的切除范围相关。然而，3D打印模型在减少术中出血量、降低术后胃肠道恢复及住院时间等方面作用有限。我们考虑这可能与术中夹闭肾脏血管后，肾脏血流灌注减少及腹膜后术式未对胃肠道造成较大影响有关。

本研究的不足之处在于：①纳入患者数较少且为单中心研究；②因研究时间有限，未对肿瘤复发情况做长期随访研究。我们相信，随着3D打印技术的进步及在医学领域的进一步普及，未来会有更多中心加入并完善这项研究。

综上所述，3D打印模型可提高患者对疾病的认知，指导手术操作可降低手术及肾动脉阻断时间，减少肾功能损伤，值得推荐。