精囊腺和射精管3D 打印模型制作

李泽宇，肖钊明，刘畅，吴坤成，许广威，骆宝华，骆世文，马梓玮，骆建恒，贺善礼，梁海彬，曾伊琳，欧阳钧

南方医科大学人体解剖学教研室，广东省医学生物力学重点实验室，广州 510515

3D 打印（3D printing），也叫快速成型（rapid prototyping，RP）或增材制造（additive manufacturing，AM），是20 世纪80 年代末兴起的一门新技术，发展迅猛，成为当今制造业的热门[1]。3D 打印技术已应用于大段骨修复、人工肝、血管与血管网、血管化脂肪等组织器官移植的临床研究与治疗[2]，但目前还没有关于精囊腺和射精管的3D 打印模型。随着泌尿外科的发展，精囊镜的推广，3D 打印模型可用于临床培训和术前指导。本课题组用纳米级硫酸钡混合填充剂[3]灌注离体的精囊腺和射精管后进行CT 扫描，构建三维重建模型，在3D 快速成型机上成功制作出精囊腺和射精管3D 打印模型。报道如下。

1 材料和方法

1.1 取材

正常成年男性新鲜盆部标本1 具。剥离耻骨联合前面的皮肤及软组织至耻骨下角，切开耻骨联合，离断骶髂关节后打开盆腔，紧贴盆壁和骶骨游离直肠和膀胱将整套盆腔脏器和外生殖器取出，去除直肠，生理盐水冲洗标本。

1.2 精囊腺和射精管3D 打印模型制作

1.2.1 插管和灌注 在尿道球部离断阴茎，保留尿道膜部，留置线以备灌注时结扎。将膀胱和双侧精囊腺、输精管分离，用10 号丝线结扎尿道内口。分别在双侧精囊腺上切开2 mm，将玻璃插管插入精囊腺，用配制好的红色和蓝色10%纳米级硫酸钡混合填充剂分别灌注左右精囊腺，直至尿道有两种颜色的混合填充材料流出，停止灌注并用止血钳夹闭橡胶管，同时结扎尿道膜部。双侧总灌注量约为30 mL。

1.2.2 影像资料获取 采用64 排螺旋CT（Philips，Eindhoven，The Netherland）对标本进行薄层扫描，获取标本的薄层影像数据。扫描参数：扫描电压120 kV，管电流40 mA，探测器层列64 × 0.5 mm，重建间隔0.5 mm，扫描层厚2.0 mm，图像平均像素值为0.55 mm。图像保存为DICOM 格式。

1.2.3 三维模型构建 通过自动导入图像模式，完成图像检测，将 DICOM 格式影像数据导入Mimics14.11，确定图像的空间方位后，选择无损压缩模式，完成数据导入。选取合适的阈值范围，生成精囊腺、射精管和尿道前列腺部二维蒙版，然后进行精囊腺和射精管的三维重建和简单的光滑处理，以STL格式导出并保存（图1A）。

1.2.4 3D 打印 选用24 位彩色高分辨率Spectrum ZTM 510 3D 打印机（3D systems，美国），其打印原理为粉末堆积，逐层打印，可以1：1 制作实体模型[4]。打印材料为高性能复合材料ZP150（由3D 打印设备生产公司提供）。打印步骤如下：（1）给3D 打印设备内的供给平板进行铺粉，添加打印胶水；（2）将处理和设计好的模型STL 文件导入快速成型软件ZEdit TM3.21（3D systems，美国），该软件可按照研究需求将不同组织器官设置成不同的颜色；（3）启动3D 打印成型，在计算机分层信息的控制下，通过打印设备将粉末逐层堆积起来，按1：1 比例制作出实体模型；（4）成型结束后，放入烤箱烘烤定型1～2 h；（5）取出烘烤后的模型，除去模型表面粉末，采用固化胶水ZBOND 90（3D systems，美国）对模型表面进行渗透固化，最终获得3D 打印模型。

1.2.5 数据测量 本研究需要测量精囊腺的长度（从精囊腺管开口到精囊腺外侧的最大距离）、宽度（精囊腺前后的最大距离）、高度（精囊腺上下的最大距离），精囊腺排泄管直径，射精管A 处、C 处和D 处的直径。先使用Mimics 软件对重建好的三维射精管和精囊腺模型进行三维测量（图1A），譬如在模型上选取两个点，将自动测量并显示该线段长度。然后用数显式游标卡尺测量3D 打印模型的以上指标（图1B）。

2 结果

通过医学图像三维重建、计算机辅助设计及3D打印技术，成功制作出精囊腺和射精管的实体模型。模型上可以清晰辨认出精囊腺、射精管以及尿道前列腺部，绿色部分为左侧精囊腺和射精管，紫色部分为右侧精囊腺和射精管，黄色部分为尿道前列腺部。管道自然且连续性好，直观显示管道结构之间的空间位置关系，可视化效果好，构建的模型射精管末端最小直径为0.8 mm。两侧的射精管从起始部开始慢慢靠近，在射精管转折处两侧管紧紧靠拢而后相互远离，行至精阜（图1B）。

分别在Mimics 软件中和3D 打印模型上测量出射精管和精囊腺的相关数据（表1,2），两组数据非常接近（图2）。

表1 精囊腺和射精管三维重建模型的测量数据（mm）Tab.1 The measured data of seminal vesicle and ejaculatory duct on three-dimensional reconstruction model（mm）

表2 精囊腺和射精管3D 打印模型的测量数据（mm）Tab.2 The measured data of seminal vesicle and ejaculatory duct on 3D printed model（mm）

3 讨论

3.1 灌注设计

结扎尿道内口进行灌注，并用止血钳将尿道球部向上提起，以利于填充剂从射精管开口流出后，不断填充尿道前列腺部，自下而上将空气排尽，避免造影时管道中出现较大空洞，影响后期三维重建模型的质量。由于不能直接观察双侧射精管充盈情况，所以先不结扎尿道膜部，根据尿道流出的填充剂颜色判断其灌注情况。待红、蓝色填充剂都流出后，结扎尿道膜部，继续灌注，至输精管有填充剂流出时停止灌注并结扎，使管道充盈饱满。

3.2 灌注压力

灌注压力不宜过大，可以通过观察精囊腺的充盈程度，或用手触摸精囊腺的弹性来判断灌注压力。混合填充剂的收缩率很小，且流动性不好，如果灌注压力过大，精囊腺和射精管会被过度扩张，甚至精囊腺被撑破，或者射精管涨破使填充剂进入精阜内腔，严重影响造影和三维重建的效果。

3.3 精囊腺和射精管3D 打印模型的意义

3D 打印技术在泌尿外科的应用目前仍属空白。了解精囊腺和射精管解剖知识的途径主要是通过查阅教科书、解剖图谱，辨认大体标本等。利用二维的图谱学习解剖，不能清晰显示其空间构筑情况。标本来源稀少，无法满足反复研习的需求。管道铸型技术[5]制作的标本，也存在不能重复利用、只能看不能动的障碍。数字医学技术的诞生，使得二维图像三维化，增强了学子对空间解剖关系的辨识，但无论何种三维模型，都仅仅是虚拟的数字化三维模型，并非实物。3D 打印技术及3D 打印机的发展，可为解剖的教学提供更佳平台，除了能三维全方位地观察模型，还能切实地触摸，在实体模型上实施简要的标记和操作。3D 打印模型是在标本灌注基础上进行的后期制作，其灌注技术与铸型标本制作的灌注技术一致，不同之处是在灌注填充剂中加入一定比例的造影剂，所以制作出的模型与铸型标本相似度很高，该模型可应用于解剖学教学和泌尿外科精囊镜手术培训。