3d打印技术在泌尿外科的应用进展

1、3D 打印技术在泌尿外科的应用进展 王志向 王林辉 解放军第 458 医院泌尿外科 第二军医大学长征医院泌尿外科 摘 要： 近些年, 原本应用于工业领域的 3D 打印技术由于其低成本和个体化设计的优势, 在医疗领域也取得了重要进展。3D 打印模型在临床中可应用于术前评估决策、手术培训及医疗设备研发等。目前已经有许多关于 3D 打印技术或者 3D 打印材料等在泌尿外科领域应用的报道。3D 打印技术在未来的泌尿外科中会发挥越来越重要的作用。因此, 本文综述了国内外有关 3D 打印技术在泌尿外科的应用进展, 并在此基础上展望 3D 打印技术在泌尿外科领域的应用前景。关键词： 3D 打印; 泌尿外科; 解剖模型; 医疗设备; 作者简介：王志向, 博士, 主治医师.E-mail:收稿日期：2016-01-15Application of three-dimensional printing in urology: recent progressWANG Zhi-xiang WANG Lin-hui Department of Urology, No.458 Hospital of PLA; De

2、partment of Urology, Changzheng Hospital, Second Military Medical University; Abstract： Three-dimensional (3D) printing, a technology used for decades in the industrial field, gains a lot of attention in the medical field for its potential benefits of manufacturing low-cost and personalized surgical devices. 3D printing models can be applied in preoperative planning, surgical training and medical equipment development. Many research have reported that 3D printing technology and 3D printing mater

3、ials can be used in the field of urology, suggesting that 3D printing may be a useful and cost-effective tool in the field of urology in the future. Herein, in this paper, we reviewed the current applications of 3D printing in urology and outlooked the application prospect of 3D printing technology in the field of urology.Keyword： three-dimensional printing; urology; anatomy models; medical devices; Received： 2016-01-1530 多年前就有人提出通过层层叠加的方法来打印出三维物体1。近 10 年, 随着 3D 打印技术的进步, 用于 3D 打印的材料迅速发展, 三维影像信息采

4、集和三维立体重建技术也取得了长足的进步。3D 打印技术结合医疗现实的需要, 进行技术的整合, 在临床及基础研究中颇具优势, 取得了很大进展2。传统工业生产需要订制模具和生产线, 耗费巨大;而纯手工制作虽无需特定的生产线和模具, 但无法批量生产, 3D 打印技术兼顾两者的优点, 既成本相对较低, 又能够形成一定规模的量产, 并保证质量的统一性。并且随着医学影像学的发展, 三维信息采集越来越方便, 实现个性化定制的难度大大降低, 所需人力、物力和时间也大为减少, 特别适合器械、设备的初期研发和效果评估阶段, 也特别适合临床有针对性地个性化定制医疗装置。本文主要对 3D 打印技术在泌尿外科的应用作一综述, 并进行展望。1 3D 打印的实施步骤及医学图像采集特点和医学相关的 3D 打印技术通常涉及到医学影像图像的采集、数据的处理等。其主要过程分为五步:医学影像学检查获得的初期数据、进行数据的编辑整理、进行三维重建、转化为 STL 文件、数据输入 3D 打印机进行 3D 打印3。当然也可以直接通过计算机软件设计出产品的数据文件进行 3D 打印。目前, 临床上已经报道的用于 3D 打印技术的图像信

5、息采集主要有以下几种:CT4、MRI5、B 超6-7。这些图像采集方法各有各自的优缺点:目前最新的多螺旋 CT 技术可以做到薄层扫描, 可以方便地获取目标区域的横断面、矢状面、冠状面的图像信息, 再通过数据处理, 三维重建转换成 3D 打印所需的数据格式。在医学相关的 3D 打印技术领域, CT 采集图像目前是和患者相关应用得最广泛的图像采集方法。但 CT 成像由于只能区分不同 CT 值, 虽然通过造影剂等可以突出相应的部位, 但在显示某些特殊组织部位时仍存在辨别不清等缺点。MRI 技术由于可以选择的波谱较多, 在软组织病变上具有明显的优势。因此临床上采集 MRI 图像进行三维重建也是较为常见, 但由于 MRI 图像分辨率较低, 因此采集后的数据进行 3D 打印效果往往不够精细。B 超可以方便地在各个切面进行转换, 可以多个角度进行目标区域图像的采集。但由于采集过程中人为因素影响较大, 因此在后期图像数据合成存在一定困难。但三维 B 超技术的出现为采集三维图像数据提供了便利。2 3D 打印技术的进展打印技术的发展主要体现在打印材质的多样化, 各种特性填充材料迅速发展以及冲洗技术的成熟。

6、对于目标打印物的材质, 塑料是应用到 3D 打印领域最广泛的, 但目前随着 3D 打印技术的发展, 打印的材质已经远远不局限于塑料。常用的其他材料包括塑料、玻璃、树脂、硅胶、各种光敏材料, 甚至还有各种金属:钢、不锈钢、钛、金属液滴等都已经应用到 3D 打印中。而且部分材质还可以设计出不同颜色, 不同透明度, 不同的硬度和质感等以配合打印目标物的要求。随着技术的进步, 近几年出现了一些更新型的打印材料:如软材质、纳米材料、半导体纳米材料、水凝胶、药品8等都已经在 3D 打印中应用。甚至有学者完成以细胞9作为“喷墨滴”, 明胶作为基质, 用细胞进行 3D 打印组织, 还能够保持细胞的良好活力的报道10。3 3D 技术在泌尿外科中的应用3D 打印技术作为一种方法, 可以在所有临床诊疗过程中关于组织器官解剖、组织器官功能替代、个体化医疗器械的开发、制造、置入、新的医疗设备等研究均可进行融合。目前 3D 打印技术已经可以应用于解剖模型打印、组织工程组织重建、定制药片等8,11-13。而 3D 打印技术在泌尿外科的应用主要在以下几个方面:解剖模型、医疗器械研发、组织工程及相关基础研究。3.1 3

7、D 打印解剖模型解剖模型的 3D 打印是通过收集患者特定部位组织和器官的影像学信息, 将数据进行处理后进行 3D 打印, 打印物能达到和目标组织器官一致的三维立体效果。目前此项技术主要用于术前医患沟通、手术规划、临床教学等。3.1.1 术前医患沟通患者通常由于医疗知识有限, 无法对连续的二维图像产生立体的印象, 而依靠3D 打印模型可以很直观地展示病变部位、大小以及相关组织解剖毗邻的关系等等, 这样便于患者理解, 更有利于医患沟通。Bernhard 等14通过术前 3D 打印个体化的肾脏肿瘤模型用于与患者沟通, 结果发现通过配合 3D 打印模型的有效讲解, 患者对肾脏生理、解剖、肿瘤及手术相关知识的理解得到明显提升14。Silberstein 等15认为通过术前 3D 打印肾脏肿瘤的模型可以让术者更好地了解手术部位的情况, 包括肿瘤的深度, 大小以及与周围器官组织的关系等等, 同时也能让患者更好理解肾脏部分切除术。王东文等16研究也认为在术前打印肾脏肿瘤模型进行医患沟通, 可以有效提升患者及家属对疾病和手术的认识, 便于医患沟通。3.1.2 手术规划肾癌领域:2014 年, Silbe

8、rstein 等17对 5 例肾脏肿瘤患者在术前通过收集患者影像学数据进行 3D 打印。触手可及的三维模型远远要比连续的二维影像更直观。他们认为 3D 模型如果能够在术前进行“模拟手术”, 理论上可以对复杂高难度手术进行针对性练习, 以达到减少手术并发症, 改善患者预后的目的。国内多位学者也在肾癌相关领域进行了初步的研究, 葛宏伟等18于 2014 年开展了 3D 打印技术在肾肿瘤手术规划中的应用研究, 他们也认为 3D 打印有助于医生进行手术规划及与患者沟通病情。刘溪等19研究了 3D 打印联合术中超声定位内生型肾肿瘤在腹腔镜下保留肾单位手术中的应用, 认为 3D 打印模型可以指导术中切除范围, 在手术规划中起到一定帮助。前列腺癌领域:Shin 等5收集了 5 例前列腺患者的 MRI 图像进行 3D 打印, 以期了解患者前列腺包膜、性神经及与病变区域的关系, 以帮助制定保留性神经手术方案。他们认为 3D 打印的前列腺肿瘤模型可以较好地反应出肿瘤和前列腺外后方性神经之间的关系, 对保留性神经的前列腺根治术能起到很好的提示作用5。王燕等20研究了 3D 打印技术辅助认知融合在前列腺穿刺活

9、检术中的应用, 认为可以提高穿刺阳性率。泌尿系结石领域:魏晓松等21通过术前打印出肾脏及周围解剖模型, 反应出结石大小、形状及与第 12 肋的关系, 认为在经皮肾穿刺的术前规划和医患沟通中起到了积极作用。汤润等22对经皮肾镜碎石患者术前进行 3D 打印, 他们认为3D 打印出的肾脏真实还原了患者肾脏及结石的解剖细节, 为医师提供了立体直观的观察器官解剖的方式, 对于手术规划和教学模拟穿刺有积极意义。其他的应用报道还包括:骶丛神经穿刺和重复肾肾部分切除等。顾寅珺等23通过术前 3D 打印出个性化的穿刺导航模板, 辅助进行骶神经调控术的精确穿刺, 结果发现可以明显减少穿刺的次数、缩短穿刺时间、提高术中调控测试的效率。胡立伟等24报道了 1 例 3D 打印模型在重复肾手术中的应用, 他们认为此方法对手术方案制定、术中预判等有重要的意义。3.1.3 临床教学3D 打印模型的立体性结合临床病例的生动性, 被认为是良好的教学方式。Cheung 等25在 2014 年报道了通过 3D 打印技术进行肾盂成形术的教学, 取得了预期效果。3D 打印模型进行临床教学被证实是一种效果良好的教学手段26。3.2 3D 打印在泌尿外科医疗器械研发中的应用3D 打印和其他技术融合后衍生出很多产品, 其中利用 3D 打印技术进行外科医疗器械的研发就是重要的一项。由于 3D 打印技术相对廉价并可个性化定制的优势, 3D 打印技术在医疗器械的个性化定制、产品初期评估、生产等方面均具有优势。在泌尿外科领域, 3D 打印技术已经报道应用于腹腔镜 Trocar、输尿管支架管27和肾脏模型28的器械研发。Priester 等29利用 3D 打印技术制作一个切片装置达到可对前列腺癌磁共振图像和病理切片进行精确对合的目的。Del Junco 等30通过电脑软件自行设计并 3D 打印出与传统输尿管支架管进行流体动力学无差别的输尿管支架管, 并认为 3D 打印的输尿管支架管由于材质和个体化设计, 以后能在功能上比传统支架管更具优势。Park 等31通过 3D 打印设计出了抗返流的输尿管支架管。通

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