3D 打印是近年快速发展的一项新技术，依据计算机辅助设计图样逐层完成实体模型的制造，原理跟喷墨打印机类似，材料从喷嘴喷出，层层叠覆，最终形成一个三维物体。最初 3D 打印是应用在工业模具制造和个性化产品设计生产，随着医学影像技术和材料工程的不断发展，此项技术逐步应用到医疗实践中。
相对于单纯的影像学诊断，3D 打印技术的优点是允许医生直接在打印出来的实物模型上诊断并制定治疗方案，还可根据需要设计并制作患者特异性模具或器官。目前，3D 打印技术已应用到颌面外科、口腔科的临床工作有了较为成功的尝试，但在包括躯干内脏系统还不多，泌尿系统器官变化多样，复制较为挑战，因此泌尿外科中应用鲜有报道。
本研究为探索 3D 打印技术在泌尿外科中的应用前景，于 2013 年 6 月至 2014 年 1 月期间采用 3D 打印技术为早期肾肿瘤患者制作了 3D 模型，并对 3D 打印技术在肾肿瘤手术规划、技能训练潜力和医患沟通等方面的应用进行了初步论证。
3D 模型制作
研究对象选取的为肾脏肿瘤 T1N0M0 病例，且具备临床腹腔镜下肾部分切除手术指征。
1. CT 平扫+强化
采用 64 排螺旋 CT 对所有患者进行平扫、增强检查。患者空腹，扫描前饮水 200 ml 以充盈肠道，减少气体伪影并降低对比剂对肾脏的损害。扫描范围：肾上极至耻骨联合，由头侧向足侧扫描。扫描参数：层厚和层距均为 5 mm，管电压 120kV，管电流 320 mA。
先行全尿路平扫，然后采用高压注射器从肘前静脉注入非离子型对比剂，总量 80～100 ml，注射速度 2.0～2.5 ml/s。分别于注射对比剂后 25～30 s（皮质期）、60 s（髓质期）、15 min（排泄期）采集横断位图像。扫描结束后进行薄层重建，重建层厚 1.25 mm、间隔 1.25 mm，将容积薄层数据传入工作站。
2. 影像后处理
提取患者 CT 增强检查的 DICOM 格式文件，使用医学影像算法平台和三维医学影像数据处理平台 3DMed 对数据进行后处理，人工去除肾脏周围脂肪组织，保留并重建肾动脉、肾静脉、集合系统和输尿管。区分正常肾脏和肿瘤组织，并对肾脏模型进行纵切、横切等不同断面重建，以显示肿瘤部位及其与周围结构的关系。然后进行降噪、平滑以及精细填充，最后输出标准化的 3D 打印 STL 格式文件。
3. 打印 3D 模型：使用 LaserCore5300®3D 打印机 (北京隆源快速成型有限公司)，按照 0.2 mm 层厚对肾脏模型进行打印。打印材料为热塑性塑料。打印完成后，对肾脏、肾内集合系统、肾动静脉、输尿管及肿瘤进行人工着色。肾脏为粉红色，肾集合系统及输尿管为黄色，肾动脉为红色，肾静脉为蓝色，肾肿瘤为玫瑰红色。
3D 打印模型的效度验证
1. 针对医生的开放性调查问卷
问卷包含 5 个问题：①总体评价；②形态逼真度；③对集合系统及血管细节呈现；④肿瘤大小、周围组织的关系显示；⑤作为术前规划工具及技能训练的有用性。评分按效果从低到高依次为 1～10 分。向泌尿外科专家（腹腔镜下肾部分切除手术＞30 例）介绍 3D 打印基本情况、打印肾脏模型的流程，并由其填写问卷，对采用 3D 打印模型进行术前规划的有用性、逼真度和真实感进行评价。术后测量实际肿瘤的最大径，与 3D 打印模型进行比较。
术后，术者填写问卷 1 对 3D 打印模型的逼真性及用作手术规划的效果进行评价。
2. 设计针对患者、非医学专业人员的问卷
对术前谈话进行评估。术者使用 3D 打印模型与患者或指定家属交待病情，使其了解肿瘤的性质、位置、特点以及手术方式、手术可能出现的并发症等。谈话结束后，患者及或家属填写问卷。
研究入选病例共 10 例，CT 检查示肿瘤最大直径 2.3-5.8 cm，平均 4.0 cm。肿瘤位于左肾 3 例, 右肾 7 例。位于肾上极 5 例，肾下极 3 例，肾门部 2 例。T1a 期 4 例，T1b 期 6 例。术前检查均未发现淋巴结及远处转移。术前诊断为肾癌 8 例, 肾血管平滑肌脂肪瘤 2 例。成功打印出 10 例患者的肾脏模型。
10 例模型均能够清楚显示肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾脏集合系统及输尿管结构。对 2 例肾肿瘤肾脏模型进行了不同切面打印，以便判断肿瘤浸润范围及与周围肾组织的关系。利用 3D 打印肾脏模型综合 CT 检查结果进行术前规划，决定对 10 例患者均行腹腔镜下肾部分切除术。10 例手术均顺利完成，无输血病例。
所有患者术后血肌酐检查均在正常范围内。1 例术后出现肾周血肿，无腹膜损伤、尿瘘发生。病理诊断与术前一致，恶性肿瘤患者术后病理检查均无切缘阳性。术者认为，3D 打印模型精确显示了患者肾肿瘤的大小及肿瘤周围组织和血管情况，有利于术前预知手术切除范围、应该规避的血管及手术的难点，特别是在处理肾门部的肿瘤时，根据 3D 打印模型进行术前规划对手术的帮助更大。
通过与术中测量实际肿瘤最大径进行对比，3D 打印模型对肿瘤显示的误差为（3.4±1.3）mm。使用 3D 打印肾脏模型对其讲解病情和术前沟通，患者均对此交流方式满意度较高。对 4 项指标的满意度平均分为 9 分及以上。
讨论与拓展
现代外科手术已经进入微创时代。然而，与之相应的手术规划却依然停留在「看图说话」时代——外科医生利用 CT、MRI 或 B 超所显示的二维影像，通过自己的空间思维或计算机三维重建来判断病变的具体位置、进行手术规划，并在随后的手术中证实自己的判断。3D 打印技术的应用有望改变这一过程，通过 3D 打印的实体模型将以虚拟重建为基础的手术规划转变为直接在实体模型上进行手术规划。
目前，3D 打印辅助手术规划已经成功应用于颌面口腔外科、骨科的手术中，其中包括临床中一些高难度手术的手术训练。这主要因为人体骨性结构与周围组织的密度对比明显，影像后处理相对较简单，而且打印材料也较容易获取。但是其他外科专业，如泌尿外科和肝胆外科，研究的主要诸如肾脏和肝脏等。这些器官组织质地柔软，并且内部充满管道，无论在影像后处理方面，还是在 3D 打印材料方面都不成熟。
目前，这方面的研究主要集中在对器官外形的精确呈现及打印精度上，使用的材料多是硬质的热塑性塑料和光固化树脂。Ikegami 总结了近年来 3D 打印在肝移植方面的应用研究，认为 3D 打印技术能够精确呈现肝脏的体积数据、显示肝脏内部的解剖结构，可以用于肝移植的术前评估，尤其对小儿肝脏移植的术前规划非常有帮助。此外，将 3D 打印应用于脑肿瘤和心脏瓣膜置换手术的手术规划也有报道。
本研究中，3D 打印模型能够精确显示患者肾肿瘤大小及肿瘤周围组织和血管情况，有利于规划手术切除范围、预知应该规避的血管及手术的难点。特别是在处理肾门部的肿瘤时，采用 3D 打印模型对手术的帮助更大。在不同切面打印的肾肿瘤模型中，可以较为清楚地观察到肿瘤浸润深度、肿瘤与肾盂腔、肾脏动静脉的关系。
本研究中，3D 打印模型与肿瘤实际最大径进行了对比，最大径相差 3.4±1.3 mm，肿瘤最大径均较 3D 打印模型稍大，可能原因是肿瘤切除后没有周围肾实质的束缚后有所伸展。尽管此误差不算小，对于保留肾单位手术的要求精度尚有差距，然而这个误差在调查的医生中没有被特殊强调。本研究的另一部分，通过患者的个性化肾脏模型与其进行病情讲解和术前沟通，患者或家属对手术方式及风险有了更深刻的认识，并表示出对这种交流方式表述满意，评价很高。
该研究尽管是 3D 打印应用到泌尿外科中的初探，但是意义深远，有可能促使传统的手术规划模式发生变革，即从现有的「现实—虚拟」模式转变为「现实—虚拟—现实」模式。在「现实—虚拟—现实」模式中，医生通过 CT、MRI 或 B 超获取患者病变部位的影像资料，接着通过影像后处理技术对患者的病变部位进行全方位重建，最终以 3D 打印技术得到病变部位的实体模型。
医生可以在模型上进行手术规划、手术模拟和手术教学，无疑顺应了当前外科的发展现状。而 3D 打印技术在这方面的应用，将为手术训练和外科教学提供了一个新的方向，即可以提供个性化病例模型，允许医生直接在模型上进行手术。
通过接触不同难度的「正常变异」和疾病器官模型，不但可以用于低年资外科医生的手术训练工具，还可以为高难度的手术提供术前规划、手术预演和术中导航等。这些模型还可以用于医患交流，实物讲解避免误会及更加清晰解释疾病和手术方式，可明显提高医患交流的效果。
当然，本研究还有一些不足之处。尽管总体评价较高，但是调查中也有所显示。如，模型在显示血管和肾内集合系统方面评分仅为 6 分，说明模型对肾脏解剖细节的显示还有待提高。研究发现模型的误差有 3.4 mm，反映模型的精细程度还不足以满足准确手术的要求。
为了取得更好的手术效果，如缩短热缺血时间，有必要对肾脏内的血管结构和肿瘤血管进行精确度给予进一步升级。另外，尚未能够直接打印出彩色模型，图片上的不同部位着色是后期人工着色，存在一定的主观性。研究中应用的打印材料质地较硬，无法模拟肾脏的柔软结构。针对以上这些问题，还需要在以下方面加强研究。
首先要开发适合于 3D 打印的影像后处理程序，使其不但能够简便地重建肾脏的精细解剖结构，而且还能直接在影像后处理的同时对肾脏的不同结构进行着色。其次，探索适合于软性组织打印的材料，以打印出与人体组织相似质地的模型，能够让外科医生直接在模型上进行手术规划和预演。
在此基础上，设计随机对照试验来验证 3D 打印应用于手术规划中的效果是非常有必要的。3D 打印技术在医学中的应用得到很多关注，其在手术规划和手术训练方面的应用具有优势，未来的 3D 打印技术有望制作出能够高度模拟人体器官形态和质地的模型，允许医生直接在模型上进行模拟手术，使医生可以在术前充分训练的基础上更加有把握地进行手术，这对提高手术效率、降低手术风险、保障患者安全具有重要作用。
作者续：
本文的内容结合了去年和前年的研究报告，然而虽然经过短短一年时间，3D 打印技术在外科领域又有了迅速地进展。从 3Dmed 软件上比较粗糙的图画、自行人工着色，已经有更好的软件和硬件来实现影像处理、3D 建模、不同材质打印和着色等技术，使得新型模型更加逼真和可操作。
随着 3D 打印技术的不断提升以及医生的不断介入，相信不用多久，上述希冀就可能实现。本研究中的图像后处理的 STL 数据目前处理后的图像，各个结构被模块化显示并打印可用于 UPJO 腹腔镜手术 3D 打印模型。
