医学3D打印在肝脏系统及其疾病中的应用及展望

孙诚，于长路（通信作者），贾科峰，王森，宋德钊

天津市第三中心医院放射科 （天津 300170）

3D打印技术（three dimensional printing）也被称作叠加制造工艺（additive manufacturing），是一种使用三维模型数据（stereolithography, STL files）通过逐层打印的方式制造3D模型的技术。3D打印技术可大规模定制、减少浪费，并且其设计不受拘束，具有制造复杂结构及快速成型的能力[1]。从20世纪80年代末该项技术诞生开始，短短数十年间3D打印技术在各个领域均取得了飞速的发展。特别是在生物科学领域，3D打印技术可以准确地制作出生物组织和器官的高保真实体模型[2]。目前，3D打印主要应用在骨科、整形外科及口腔科中[3-5]。但是，由于尚存在制作时间较长、造价过高及分辨力较差等诸多不足[4，6]，3D打印在一些相对复杂且具有精细解剖结构的系统中的应用尚处于起步和探索阶段。现对3D打印在肝脏及肝脏疾病方面的应用进行综述。

1 3D打印在制作肝脏模型中的应用

我们搜索国内外数据库并从中获取资料，对既往研究中肝脏3D模型的用途、制作时间、花费及3D后处理软件、打印机、打印材料进行对比，见表1。

由表1可知，3D打印肝脏模型，特别是按照原肝1:1大小打印，需要花费50～100 h，甚至更长时间。对于急诊患者来说，打印时间过长是他们无法使用3D模型进行术前规划的主要原因[2]。如能根据临床需要，仅打印肝脏内部血管或是某一部分肝脏，则打印时间相对较短。

3D打印的材料目前已趋于成熟，在文献[2]和文献[7]中均提到材料费并非肝脏3D模型费用高昂的主要原因，而Perica和Sun[18]认为3D打印的费用很大程度上取决于打印材料和打印尺寸。此外，由于肝脏3D模型的应用相对较少，制作工艺复杂，要制作出令观察者满意的模型需要图形处理和3D打印方面的专业人员参与，导致人工成本较高。Javan和Zeman[19]在打印模型之前请了专业图形设计人员对3D图形进行修正，仅这一过程就花费了500美元。而Yao等[20]认为除去材料，3D打印软件和硬件花费最高，发展中国家的临床医师很难承受3D打印的费用。

2 3D打印在肝脏及肝脏疾病中的应用

2.1 3D打印在肝脏肿瘤切除术中的应用

肝癌是最常见的肝脏原发性肿瘤[6]，在成人中发病率为4.9/10万。患有肝硬化的患者肝癌发病率较高，这类患者的肝脏储备功能较差，行外科肝段、肝叶切除术的难度较大。因此，外科手术前进行术前规划、明确肿瘤和周围血管结构的关系、估算残肝体积对于术中控制出血量、术后避免出现肝功能衰竭等严重并发症是至关重要的。Kuroda等[6]在为2例肝癌患者行肝切除术时，术中借助3D模型确定肿瘤和血管之间的关系，最终手术顺利进行。Xiang等[12]报道了在为1例肝右叶巨块型肝癌患者进行术前规划时，使用肝脏3D打印模型观察血管结构，发现该患者存在门静脉变异，IV段门静脉从门静脉右前支发出，但该变异在术前CT血管造影（CT angiography，CTA）和MRI检查中均未注意到。因此，手术方式由右半肝切除术变为窄缘右半肝切除术，保留了患者的门静脉右前支和IV段的门静脉分支。黄从云等[9]在为6例肝癌、3例肝血管瘤及3例肝内外胆管结石患者行肝脏切除术前，使用3D打印制作患者肝脏模型，随后在模型指导下顺利完成手术。王峻峰等[10]报道为1例肝癌患者打印3D肝脏模型，并在3D打印肝脏肿瘤及血管模型的引导下行肝脏中叶部分切除术，手术过程顺利，手术时间180 min，术中出血300 ml，手术切除肝脏中叶肿瘤及周边2 cm 肝脏组织，保留肝脏右前叶及右后叶的重要血管和胆管。

另据统计，结直肠癌5年内远端转移率约为16%[21]，由其引发的肝转移癌占到了所有远端转移的30%[22]，结直肠癌肝转移也是肝切除术的适应证。肝脏3D打印模型可以为肝转移癌切除术提供术前规划。Witowski等[2]报道了在1例经腹腔镜结直肠癌切除术后复发肝转移癌的患者中使用3D肝脏模型进行术前规划，并顺利行腹腔镜右半肝切除术，术中出血150 ml，手术时间270 min，术后患者恢复良好无并发症，组织病理学评估转移癌R0切除，即切缘未发现癌细胞。Oshiro等[7]报道了在1例乙状结肠癌术后1年复发肝转移癌的患者中使用3D打印制作了仅有肝脏外围轮廓、血管和肿瘤的3D模型，并在术前使用该模型制定手术计划、模拟手术过程，术中比较实际手术过程和原先在3D模型上制定的计划，最终手术顺利完成，患者术后恢复良好，切缘组织学检测呈阴性。Igami等[8]报道了2例结直肠癌并发肝转移癌行肝切除术的患者，因术前给予化疗，肝转移癌灶中之一变小导致超声未见，术前使用3D模型进行手术规划，术中参考3D模型进行肝切除，术后经组织学证实切缘呈阴性，术前规划取得成功。

表1 肝脏3D模型对比

2.2 3D打印在肝脏移植中的应用

由于肝源的稀缺增加了患者对活体肝移植（living donor livert ransplantation，LDLT）的需求[23]。LDLT手术中如何确保供肝者和受者的安全是至关重要的。术前使用3D打印确认血管和胆道解剖可以提供更好的手术规划，避免为那些不适合行LDLT 的供肝者或受者行手术，从而减少并发症的发生。Zein等[14]为6例行活体肝移植的患者（3位供肝者，3位受者）打印了肝脏3D模型，经过术前，术中，术后对比证实，肝脏3D模型不论从解剖学还是几何学形态上都十分接近真实肝脏，平均尺寸误差小于4 mm，血管直径误差小于1.3 mm，可以应用于术前规划和教育教学。Soejima等[15]报道了1例11个月大的患有胆道闭锁行肝移植术的女婴，因供体肝（女婴父亲的肝左外叶）与受体体重（女婴自身体重）之比(graft-to-recipient weight ratio，GRWR)过大，术前使用3D模型进行模拟修剪供体肝。Baimakhanov等[23]为1例丙肝肝硬化合并肝癌患者行肝移植术，术前3D打印供体肝脏（右半肝），同时打印用于重建肝静脉支流的患者门静脉Y形移植物，这不但可以帮助手术医师制定合适的手术方案，还可以让年轻的医师更好的理解移植术中复杂的吻合情况。

2.3 3D打印在医学教育中的应用

Javan等[24]认为复杂的3D模型可以用于医学教学中展示正常的解剖和病理结构。对于正在学习肝脏解剖的医学生或是刚刚接触手术的外科医师，很难从解剖学图谱上对肝脏的分段和肝脏脉管系统的走行理解透彻。Kong等[16]打印了肝脏3D模型作为肝脏分段解剖学教学的辅助工具。为了证实教学效果，研究者分别打印了不含肝实质（仅血管）、含透明肝实质及有肝脏分段隔板和肝脏血管的3个3D模型，并将它们和传统解剖学图谱进行对比。最后得出结论，含分段隔板和肝脏血管的肝脏3D模型是最适合作为讲解肝脏分段的辅助工具。Watson[17]制作出患者个体化的3D肝静脉、门静脉模型，用来在给年轻医师和医学生讲解手术技术。

2.4 其他应用

除了上述主要应用，我们在文献查阅中发现了3D打印在肝脏和肝脏疾病中还有一些特殊应用。Dhir等[25]打印3D胆道模型模拟经皮超声胆道穿刺引流术。Takao等[26]制作出因各种原因（肝移植或其他外科操作）所致门静脉狭窄的空腔模型，用于门静脉狭窄血管内治疗的术前模拟并评估模型的精度和准度。Javan和Zeman[19]制作出带肝脓肿和肿瘤的肝脏模型，并且模拟了经颈静脉门体分流术（TIPS）和经皮胆囊造瘘置管术等介入操作。

3 3D打印在肝脏系统中应用的展望

随着3D打印技术的不断成熟和完善，其在肝脏领域方面的应用蓬勃发展，传统的医学诊疗模式正逐渐向数字化方向靠近。但就目前而言，3D打印仍然是一项需要花费大量时间和金钱的技术。尤其是在肝脏系统中，肝脏的不规则轮廓、复杂的内部脉管构成和肝段肝裂等解剖结构均是影响打印时间、成本和精度的重要因素。因此，在所查阅的文献中，肝脏3D模型还主要是用于外科肝脏切除术前、肝移植术前的手术规划，而且只见于一些个案报道[12]。目前，缺乏随机对照试验来确定3D打印肝脏模型在解剖教学、模拟手术、改善患者满意度及提高临床疗效方面的效果。此外，介入放射学也是适合肝脏3D模型应用的领域之一，然而目前尚没有这方面的报道。虽然存在诸多缺点，但肝脏3D模型作为数字化精准医疗的代表，已经逐步应用于各个临床领域并取得了一些进展。我们相信，随着技术及材料的进一步发展和成熟，3D打印肝脏模型势必将在临床应用上取得更大的突破。