肝脏可打印？手术部位有了直接参照物？4月22日，在肝脏三维重建及可视化仿真手术应用研究和临床转化应用基础上，珠江医院肝胆一科方驰华数字医学团队采用3D打印技术成功打印出巨大复杂肝癌患者的肝脏仿真立体模型，指导更快更准确地完成复杂肝脏肿瘤切除手术，在国内尚属首例。

肝脏长“西瓜”，摘除遇难关

    35岁的患者吴先生反复腹泻4年余，曾多次于当地医院就诊，诊断为“胃肠炎”，后到省城多家大医院诊断为“右肝巨块型占位”，肿瘤巨大（10.6*11.7*12.4），形似一个小西瓜，肝中静脉，门脉右支受压，伴肝硬化、脾大、肝内多发再生结节。因患者肝右叶巨块型肝癌与肝内血管关系密切，常规影像学方法不能提供血管变异诊断信息，无法评估大范围肝切除术后发生肝功能衰竭的风险，手术难度很大。
    为进一步精确诊断和术前评估，珠江医院肝胆一科方驰华教授带领团队将患者CT原始数据导入腹部医学图像三维可视化系统（MI-3DVS）进行三维可视化研究。基于MI-3DVS的三维可视化诊断分析发现，患者腹腔动脉系统变异，门静脉系统变异，肝脏肿瘤大且不规则，切多少留多少？怎样最大限度不损伤肝脏血管？怎样保证剩余肝脏的血供、降低患者术后肝功能衰竭的发生风险？一连串的难题摆在面前。

肝脏3D打印实现现场实物参照

    传统肝胆外科手术术前疾病的诊断和手术方案的制定依靠的是CT和MRI等影像学资料。肝胆外科医师需具备良好的阅片基础和临床经验才能精确进行疾病的定性和定位诊断，并据此制定手术规划。外科医师对患者腹部脏器立体解剖结构的认识依靠人脑的三维重建，正确与否受个人经验的影响，且无法实时呈现和永久保留在整个治疗团队面前，重建的结果不确定性，给手术带来一定的盲目性和误导性。
    计算机三维重建和可视化仿真手术技术对人体结构的三维立体重现取得了极大的进步，可以通过三维视频和图像的观察提高疾病的诊治能力，省略了人脑三维重建的过程，并且纠正了可能出现的错误。但医务人员必须通过电脑观察三维图片和视频，仍然离不开电脑。而如今的3D打印技术，使得肝胆胰脏器和相应的病变部位可以1:1比例的“实物”形式呈现在医生和患者及家属面前，医生可以术前精确评估病变范围与临近脏器组织的三维空间关系，制定详细的手术规划，设计手术入路，极大的提高了手术的精准性，最大限度的降低手术风险和并发症。
    “利用3D打印技术实现肝脏疾病的术前定位诊断，制定手术规划的想法由来已久，但受限于彩色打印材料的限制和打印成本的昂贵，临床上难以普及应用”，珠江医院方驰华教授表示。早在2010年，方驰华教授团队就进行了肝脏3D打印，进行肝脏的个体化分段及肝内解剖平面的研究。当时3D打印的彩色碳素粉末材料质地脆，打印的肝内血管三级分支易折断，而单一色彩的塑料材料无法区分肝内众多的血管类型，无法打印透明的的肝脏包膜。虽然对于肝内血管解剖结构的研究帮助极大，但难以临床应用。随着各种彩色打印材料的丰富，肝脏内血管可以不同颜色加以区分，肝脏实质和包膜可采用如Tango或Vero透明材料打印，以及打印时间的缩短和成本的下降，3D打印技术实现了临床应用的可能。但采用三维可视化技术联合肝脏3D打印辅助复杂的肝切除术，目前国外报道较少，国内未见类似报道。
    珠江医院肝胆一科数字医学临床研究中心与南方医科大学人体解剖学教研室数字医学研究所3D打印中心合作，建立了联合研究团队，进一步将3D打印技术应用到肝胆外科疾病的临床诊治，实现数字医学技术的快速临床转化应用。为实现患者肿瘤实体三维物理模型辅助术前诊断和术中指导手术，方驰华教授团队将MI-3DVS重建的患者肝脏3D图像STL文件导入到快速成型软件ZEditTM3.21 (3D systems，美国)中，采用Spectrum ZTM 510 (3D systems，美国)打印机进行打印1:1 3D物理模型，再进行打印后处理，完成了患者肝脏3D打印模型制作。通过3D打印的患者肝脏模型，医生能够直观、真实、多维度了解肝动脉、门静脉、肝静脉变异，评估肿瘤与门静脉右前支、Ⅳ段分支，右后支的空间关系，评估肿瘤与肝右静脉、肝中静脉的空间关系，了解右肝蒂解剖特点，评估解剖第一肝门，选择性半肝血流阻断的可行性。

看“瓜”下刀让手术更精准快捷

    3D打印技术实现了从“人脑三维影像”、“电脑三维影像” 到“真实三维解剖实物”的跨越式转变。进行3D腹腔镜肝切除时，方驰华教授将患者的3D打印肝脏模型带入手术室与术中实时手术进行比对，调整3D打印模型并置于最佳解剖位置，为手术关键步骤提供直观的实时导航，对关键部位快速识别和定位。尤其是对于患者的门静脉Ⅳ段分支，通过精确定位病灶、血管并确定手术切除平面，实时引导重要脉管的分离和肿瘤病灶的切除，保护门静脉Ⅳ段分支，实现完整切除病灶、保证切缘阴性和避免重要解剖结构的副损伤，完成缩小右半肝切除，从而提高手术精准性，实现根治性切除，有效降低手术风险。方驰华教授表示，吴先生的病情复杂，肿瘤巨大，肝硬化，肝脏血管、门静脉多处变异，如常规手术需切除70-80%的肝脏，而肝硬化病人肝脏切除手术最少必须保留50%肝脏组织，少于50%必将发生术后肝脏衰竭，危及生命甚至导致死亡。常规手术无法达到手术效果，3D打印数字医学技术来帮忙。方驰华教授采用3D打印肝脏立体模型指导手术精确切除病肝，术中将患者肝脏切除部分减少到42.8%，成功切除肿瘤并保留57.2%肝组织，对患者术后正常恢复起到非常重要的作用。手术进行了5个多小时，顺利结束，术中出血很少，吴先生目前状况良好。
    南方医科大学珠江医院肝胆一科为广东省医学会数字医学分会主委单位，也是广东省内和南方医科大学的数字医学临床研究中心。从事肝胆外科疾病的数字化医学诊断和外科治疗研究10余年，获得了十一五和十二五两项国家“863”项目和20余项国家及省部级科研项目、2000万余元的科研基金资助。中心在国内率先采用三维可视化技术进行肝胆外科疾病的数字化诊断，可视化仿真手术辅助术前规划和术中导航，极大的提高了肝胆外科疾病的诊治水平，研究成果达到国际先进水平，获得广东省科技奖一等奖和中国产学研创新成果奖。
    方驰华教授介绍，“3D打印技术医学应用前景良好，不仅人体器官的3D模型现用于术前规划和手术间接导航，而且已经有3D打印的器官组织如下颌骨、器官支架、颅骨，脊柱、骨盆等，均已经进入临床；未来将会实现活体组织和器官的3D打印，有助于人类疾病的深入研究。 3D打印模型同时还可以应用于术前讨论以及对年轻医生进行培训，同时方便患者及家属可以详细直观地了解病情，正确认识手术风险，从而形成良好的医患沟通，减少纠纷可能”。

附资料：
    3D打印在医学的应用广泛，包括组织和器官制造、假体定制、植入物和解剖模具制作，以及药学领域研究如药物剂量、载体和药物毒理学及新药研制。3D打印模型有助于医师提高疾病诊断准确率、复杂外科术前规划的精确评估，以及改善医学生和住院医师理解疾病。

3D打印概念

     3D打印（Three-dimensional printing），也叫“增材制造”（Additive manufacturing），根据美国材料与试验协会（ASTM）2009 年成立的3D打印技术子委员会F42公布的定义，3D打印是指一种与传统的材料去除加工方法相反的、基于三维数字模型的、通常是采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺[1, 2]。主要的3D打印技术包括光固化立体印刷（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、选择性激光烧结（SLS）和三维喷印（3DP）等[3, 4]。

肝脏3D打印方法

     肝脏3D物理模型打印基本步骤：二维图像（CT/MRI）薄层DICOM数据获取，数字化准备、3D打印和3D打印后续工作[5-7]。
    1）2D图像DICOM数据获取：通过多排螺旋CT（MDCT）增强扫描或MRI增强扫描获取薄层CT（1.0~1.5 mm）DICOM多期数据。
    2）数字化准备阶段：采用三维重建软件（如MI-3DVS，中国； Mevis，德国；或MIMICS，Materialise，比利时）对DICOM数据进行数字化分割、配并进行3D重建，获取肝脏、肝脏肿瘤，以及脉管结构三维可视化模型，并以STL格式文件保存，用于3D打印。STL格式文件获取后，采用Magics软件（Materialise公司）处理，目的：（1）评估源于CT/MRI图像分期精确时间或交互位置脉管和胆管的精确性，以便获得不叠加的几何图形；（2）并进行肝脏实质的血管和胆管结构中空化；（3）基于外科预切除平面，将肝脏“蒙版”进行拆分为移植物和保留元件。
    3）3D打印肝脏物理模型：将3D图像模型STL格式文件采用软件建模后，导入到3D打印机（如Connex 350 3D printer，Stratasys ；或3D printer，AGILISTA-3100，Keyence Co. ；Spectrum ZTM 510 3D printer，Z Corporation ）进行打印肝脏3D物理模型。
    4）3D打印后处理:3D打印肝脏模型后处理，涉及到支撑材料和肝脏脉管的再处理。比如 Connex 350 3D打印后处理需清除支撑材料，脉管采用水枪注射彩色染料染色优化处理，并对肝脏表面进行涂层等优化处理，可获得透明肝脏及可视化的胆管和血管结构；如 Spectrum ZTM 510 3D打印肝脏脉管完成后，除去实体模型表面粉末后，采用固化胶水Zbond 90（3D systems，美国）对模型表面进行渗透固化；将肝实质外壳模具实体模型与肝管道实体模型进行装配，形成铸型模具，将液体状的透明蜡注入模具，待固化后，去除肝脏外壳即可获得透明肝脏3D物理模型。

3D打印在肝脏外科领域的应用现状

    采用肝脏3D打印辅助肝脏切除术，即对术中超声未能发现的肝脏微小直肠多发转移瘤进行了精准肝脏切除术，并获得了阴性切缘，说明肝脏3D打印模型指导实时肝切除术是非常有帮助的。国外采用肝脏血管3D成像原理进行打印3D肝脏，用于术中指导对肝内胆管癌患者进行大块肝切除术，说明基于患者CT的3D图像进行打印的3D模型可清晰显示肝脏血管结构，并认为在不久的将来，采用3D打印技术进行术前虚拟肝切除术将会有明显改观。 国外专家进行了3D打印肝脏物理模型在活体肝移植中的应用研究，分别对肝脏移植术的3个供体肝脏和3个受体肝脏进行半透明3D打印，并用于术前规划、术中指导实时手术。顺利完成手术，并可减少手术并发症。专家认为在活体肝移植中，准确评估肝脏体积和准确划定切除平面非常重要，如果高估了供肝者体积，将可能导致术后发生“小肝综合征”；而肝切除术中偏离预切除平面，可能导致切除的移植物小于预期要移植的，或损伤供肝者剩余肝脏组织将可能增加其术后并发症。但肝脏并不透明，特别肝脏内部血管和胆管也并不可见，而3D打印的透明肝脏模型使上述问题在手术中迎刃而解。   

3D打印材料 

    3D打印材料可以是塑料、金属、陶瓷、粉末、液体，也可以是活的细胞[9]。肝脏实质可采用如Tango或Vero透明材料，或果冻蜡；肝静脉结构采用Tango黑色或Vero蓝色，其他脉管可采用Tango或Vero透明材料混合；也可采用ZP 150粉末打印等。

3D打印存在问题 

    （1）CT/MRI扫描的2D图像质量影响3D打印物理模型的质量,高质量的2D图像才可获取高精度、高保真的3D打印物理模型。（2）打印材料的类型、质地、材料特性，影响3D打印肝脏的透明度、组织弹性和稳定性[6]。（3）费用昂贵及打印耗时。国外专家认为打印一个约为实际大小的70%肝脏，需花费约18 h和5万日元，如果打印一个同实际大小一样的肝脏需耗时36 h和11万日元，打印后还需2-3 d的后续手工操作处理才能完成肝脏模型的制作。肝脏3D打印的耗时、高费用，也可能是限制其在肝脏外科中不能常规应用，而只是适合部分选择病人，也不适合于急诊病人。专家指出打印一个肝脏3D模型大约需要25-40 h。国内专家曾采用果冻蜡等制作肝脏3D铸型模型约耗时25 h才完成。