潘文博 蔡智慧 石军荣 张惠 李雅钗 谢丹 刘春晖 白莎莎 杜晓欣

3D (three dimensions)打印技术是一种通过计算机辅助设计(computer aided design,CAD)读取数据，然后在通过数据转换，形成自动逐层构造三维模型的新兴技术，是一种可以快速成型的技术。3D打印技术以常规通用的二维图像例如CT、超声、MRI等为基础数据，通过专业的三维重建技术人员经过特殊的处理及格式的转换，应用一些可粘合的材料，例如塑料、粉末状金属，通过将离散数据多层堆积最终成型的方法，经过这一系列步骤而得到3D实体模型。总之快速、直观、准确的数字化立体模型图像，离不开的专业的计算机辅助设计技术、数字化控制技术和新兴的材料技术等高新技术以及专业训练人员的多重配合，操作得到的，从而直接、快速、精确地制作出实体模型。3D打印技术最早是在工业技术领域开始应用[1]，随着技术的不断成熟发展，它正在迅速传播到包括医疗保健在内的许多领域，并展现出了巨大的优势[2]。卵巢肿瘤是常见的妇科肿瘤，可发生于任何年龄。对于卵巢癌患者有效的治疗原则是以手术为主，化疗为辅的综合治疗，早期行全面分期手术，晚期则行肿瘤细胞减灭术，术后辅以铂类为基础的联合化疗。由于盆腔解剖结构极其复杂，卵巢又位于盆腔的位置较深，早期卵巢癌不易被发现，而且晚期卵巢癌肿瘤包块较大、易累及重要脏器以及肿瘤广泛的转移、粘连等情况导致手术难度大，风险高。为提高患者的预后，卵巢癌手术不仅要求医生尽可能将病变组织完整切除，还要避免术中对重要神经、血管及周围脏器造成损伤，因而临床上一直在探索定位准确、手术精度高的辅助手段及治疗方式。3D打印是一种快速成型的技术，具有精准化、个体化等技术优势，近年来发展迅猛，目前已经广泛应用于生物医学行业。

1 3D打印技术

3D 打印技术虽然最开始是应用于工业生产，但随着技术的不断进步与发展，正广泛应用在医学教育和外科手术等领域。3D打印技术之所以在医学领域愈发受到欢迎，是因为它现在已经具有通过特殊软件根据生硬的二维医学影像资料来打印生动复杂的实体器官和主要血管、淋巴等典型的几何形状，从而直接、快速、精确地制作出实体模型，完成实体器官、主要血管、淋巴等复杂立体图形重现的能力。

3D打印技术在医疗领域主要有以下几方面应用，包括：(1)外科手术的辅助：通过对二维影像的处理，打印出个体化、精准化的3D实体模型，显示手术部位的解剖细节从而制定出详细又准确的手术计划[3]；有潜力制造可以在特定治疗、手术前根据患者需求而生产的加药装置[4]；(2)个性化医疗器械的打印：通过个性化医疗器械的应用，增加与患者的匹配度，提高手术质量，从而增加手术的安全性；(3)组织工程领域：通过3D打印创建的特定结构实现器官功能的恢复[5]；(4)基础科研：通过对解剖的精确重现，可以更好地理解可能影响的潜在疾病管理；(5)医学教育：通过模型再现，促进居民对医学的了解，促进初级外科医生对外科手术程序的理解；(6)患者咨询：可以增强患者及其家属对计划干预的了解以及对预期结果和相关风险的了解[6]，3D 打印技术通过打印出实体模型，达到解剖模型的视觉与触觉的结合反馈，可以实现从二维图像的虚拟世界到三维实体模型的真实世界的转变，同时由于模型的可移动性，可确保在任何一个所需要的环境(包括患者的床边)都可立即使用。3D 打印模型突破了平面2D的局限，加之3D打印模型的颜色、透明度和柔软度等参数更加丰富，能够更直观地呈现解剖结构，因此 3D 打印技术尤其是在骨科、口腔科、整形外科、肝胆外科、泌尿外科、心外科[7-12]等中得到了广泛的应用，但在目前在妇科肿瘤手术中应用研究较少。

2 3D打印技术在卵巢癌手术中的应用

2.1 术前规划 卵巢肿瘤是全身各脏器中原发肿瘤类型最多的器官，可在任何年龄发生，是常见的妇科肿瘤。卵巢肿瘤的组织成分具有复杂性，所以不同类型卵巢肿瘤在组织学结构以及生物学行为等方面都存在着较大的差异。卵巢上皮性肿瘤是最常见的卵巢肿瘤，占原发性卵巢肿瘤的50%～70%，占卵巢恶性肿瘤的85%～90%[13]。由于病例缺乏有效的筛查方法，故早期不易察觉。同时病例又缺乏有效的治疗方法，故其致死率位于妇科恶性肿瘤的第一位。2015年中国癌症统计数据显示，我国每年新发卵巢癌病例5.21万人，死亡2.25万人[13]。

对于卵巢癌的治疗规范，国内外的指南均将最大程度的肿瘤细胞减灭术及术后辅以规范化疗作为晚期卵巢癌治疗的首选和推荐方法。但由于卵巢位于盆腔的位置较深，同时晚期卵巢癌肿瘤包块较大、累及重要脏器、肿瘤广泛转移粘连等情况使卵巢癌手术变得非常困难，所以卵巢癌的全面分期手术或者满意的肿瘤细胞减灭术需要更加精细的术前讨论、规划和仔细的执行。既往卵巢癌手术前的规划主要依据二维图像，例如：CT、MRI，B超等，需要术者在自己脑海里形成3D模型，具有一定的局限性，不能清楚的了解肿瘤的具体解剖结构，在手术操作中具有一定的风险性。3D打印技术应用增强CT及MRI等完成3D数字模型的重现，通过放大、缩小、旋转模型等更加清楚了解肿瘤的位置；通过透明度的调整、毗邻器官的增加或者删减功能可全方位了解肿瘤与周围脏器的关系；通过模型的重现更加清楚的掌握肿瘤与大血管的关系以及肿大淋巴结情况[14]。在全方位掌握患者解剖特异性及肿瘤具体情况的条件下制定出个性化的手术方案[15]，提高手术成功率。

过去手术医生在术前通常只能通过单纯的影像学图像，在大脑中自己形成三维图像预演整个手术过程，预演的是否成功以及与实际手术过程中的差别大小可能与手术大夫的临床经验与手术次数直接相关。同时每个大夫由于临床经验的不同，其预想的程度可能有一定程度差别，这可能会影响到手术团队在操作中的配合度。在3D打印模型的帮助下术者可提前行体外模拟手术，通过多次的体外手术的模拟训练，可以让手术医生提前了解手术过程中的潜在困难，预测手术操作的风险，在真正手术过程中可以做到简化操作、有条不紊，从而缩短手术时间、减少患者的术中出血量，提高术者自信。同时为与相关科室的术前沟通及术中会诊做好准备。一项多中心研究评价了 3D 打印实体模型的优点以及其实用性。报告指出该模型能准确地反映了解剖结构，有助于术前计划和减少手术时间[16]。

2.2 术中应用 卵巢癌患者初次治疗的原则是手术为主，辅助化疗、放疗等综合治疗。对于早期的卵巢癌患者，应行全面分期手术，对于晚期患者，则应尽量完成最大限度的肿瘤细胞减灭术。肿瘤细胞减灭术与中位生存期呈正相关，同时是影响患者预后的一个独立的危险因素。满意的肿瘤细胞减灭术可以降低患者肿瘤负荷到最小，还可以提高患者对放化疗的敏感性、改善免疫应答机制及减轻症状等。所以满意的肿瘤细胞减灭术，尤其是无肉眼残留(R0)，已经成为卵巢癌手术治疗的目标。

三维可视化技术可以将我们从生硬的二维世界带入生动的三维立体世界，3D打印技术的出现是三维可视化技术的进一步延伸与发展，通过视觉与触觉相结合的反馈，实现从虚拟的三维立体图像向三维实体的物理模型的跨越式转变，通过收集患者的CT等影像学检查数据，经过一系列专业步骤，打印出特定的3D模型，使得外科医生可以从多个角度清晰立体的观察到个体血管的变异情况、肿瘤横向及纵向浸润情况、判断肿瘤是否侵犯血管、肿瘤的可切除性以及周围解剖结构。同时外科医生可基于3D打印模型进行术前模拟手术，根据具体情况设计出不同手术的入路和可切除的肿瘤方式，更加准确、直观的显示盆腔血管解剖和变异分支的起源、数目，大小，分子形状及走形等，直观的观察患者的解剖情况，选择最佳的个体化的手术方案，指导卵巢癌手术的精确操作，减少因个体解剖差异带来的手术失误[17]，既避免了重要脏器及重要神经血管的损伤，也可以更加准确、干净的清除病灶，更好的完成满意的肿瘤减灭术。杨壁然等[18]选取80例妇科肿瘤性病变行盆腔手术的患者，随机分为三维重建组及对照组，比较手术时间、术中出血量、术中热缺血时间、术中输血量以及术后引流量及出血时间，2组差异均有统计学意义。

2.3 预后影响 卵巢癌初次治疗的手术范围及残留病灶的大小是患者预后的独立影响因素。淋巴结转移是晚期卵巢癌的主要转移方式，所以淋巴结切除数目及淋巴结转移阳性也是患者预后的独立危险因素[19,20]。肿瘤细胞减灭术与中位生存期呈正相关，同时是影响患者预后的一个独立的危险因素。术者的术前规划以及讨论均需要依靠影像学检查，而目前我们所依据的影像学只能是单纯的二维图像，由于其单调及生硬性，对于疾病的诊断以及病情的判断可能会有所影响，手术过程中，术者也只能通过二维图像在头脑中自行构建三维模型，这便要求丰富的临床操作经验，同时在一定程度上影响手术时间及手术的流畅程度，以至于会增加并发症的发病率。

3D打印的应用通过将二维图像逐层分析转化为虚拟的三维图像，再到最终转化成触觉、视觉一体的3D打印模型，以获得更好的诊断。手术医生还可以通过3D打印实体模型进行体外手术模拟，通过视觉与触觉的结合，对手术部位的血管、淋巴走形及周围脏器的解剖结构有更加深入的了解，提前了解手术的困难及风险，提高手术的流畅度，为减少手术时间，减少术中出血量，减少周围脏器损伤，提高手术质量打下了坚实的基础，从而减少并发症的出现。

2.4 医患沟通 随着社会的发展以及网络的进步，患者就医时心存疑虑，医生行医如履薄冰，导致医患双方的信任出现严重的缺失。我国的医患矛盾相当突出，医患关系日趋紧张。向医务工作人员施暴的恶性事件在全国各地经常发生。据央视新闻2015年调查显示：59.8%的医务人员受过语言暴力，13.1%的受过身体伤害，仅有0.05%的医患冲突是因医疗事故和差错，绝大多数因医患沟通不畅导致[21]。由此可知，良好的医患沟通在构建和谐的医患关系中起着关键性作用。由于医疗卫生服务行业的特殊性，其针对疾病或者诊治过程中名词的专业性以及技术性，使得医务工作人员在对患者病情讲解以及诊疗手段等方面沟通无形增加了困难，同时由于患者以及其家属相关医学专业知识的匮乏，在接收信息时难以接受与理解，同时对医疗工作的高风险、高强度、高技术认识不足，对医疗结果的期望值过高[22]。患方一旦认为没有达到自以为的理想效果，纠纷难以避免。

如何提高医疗服务的质量，减少医患纠纷，增加医患之间的信任度以及加强医患沟通的有效性已经成为临床工作中必不可少的部分。而术前与患者及家属的交代与讨论是落实医疗质量核心制度中的重要环节，也是提高医疗质量、避免纠纷的不容小觑的环节。由于卵巢位于盆腔较深的部位，解剖结构非常复杂，手术风险会相对比较高，所以术前患者及家属更有必要详细完整的了解手术过程以及术中可能会出现的风险，故良好的医患沟通显得尤为重要。在医生与患者及家属交代病情时，为了交代准确，有时会需要专业的医学词汇来解释，但患者家属的医学水平非常有限，故很难达到一致，有时为了能够使其家属可以清楚了解也会通过一些通俗易懂的例子来进行讲解，但往往与理想的效果相差甚远。

3D打印技术可以通过将原有黑白的二维图像经过一系列步骤转化成不同的动静脉血管以及周围解剖结构可以用不同的颜色标记的3D实体模型。将此类3D实体模型直接展示给患者及家属，同时讲解患者目前病情、手术操作的大致情况以及术后可能出现的一系列的并发症等，使得患者及家属对目前病情有更进一步的了解，同时可以协助慎重地对手术方式及手术范围等做出理想的选择。Abudayyeh等[23]通过3D打印技术进行术前疾病模型的打印，使患者及家属了解其手术方式，接受可能存在的手术风险，同时取得患者及家属对医疗行为的理解与认可，从而很大程度上减少了医患纠纷的发生。这说明应用3D打印模型的使用在医患沟通方面能够起到很好地良好的效果[24]，医患沟通的顺利进行也在一定程度上为营造良好的医疗环境做出一定的贡献，同时医患沟通效率提高，家属明确知晓手术风险，全力支持手术方案，术者精神压力减小，也为在一定程度上增加医者对自身技能以及自身行业的自信心。

患者的信任程度是用来评估医患关系质量的重要标准之一，同时对患者健康状态也具有十分重要的影响。随着患者对医务工作者信任的不断提高，患者会更加积极主动的配合治疗方案，增加与医务工作者的沟通，同时患者本身对战胜疾病的信心也会相应增加，对待自己的健康状况更加乐观，从而其健康状态以及生活质量也会随之提高。故通过3D打印技术构建的医患沟通服务平台为患者提供了丰富的疾病诊疗信息，能明显提升患者对医疗服务的信任度，对于改善医患关系、促进患者健康均有显著的作用[25-29]。

2.5 教学应用 妇产科是实践性非常强的一门课程，但当前教学中我们仍旧以课本为主，课本内容尽管丰富，但多为枯燥乏味的文字内容，学生们很难掌握复杂的解剖结构，以致学生们的学习热情不够，学习效果欠佳。众所周知医学生的临床实习是其由学生团体转变为临床大夫的一个非常重要的过渡时期，同时也是逐步提高实践能力以及不断培养临床思维的关键的过渡时期，所以该如何使医学生在实习过程中更好、更快的适应学科的临床环境；如何使学生更完美的将所学的理论知识与现有的临床实践相结合；如何在实习或规培学习过程中提高其学习兴趣以及不断巩固相关的临床知识储备想的至关重要。然而对于如此关键的教学环节，在加之妇产科的相对复杂性，当前局限的教学方法显得更为枯燥，如此使得老师教学，学生学习成为一项较为困难与艰巨的任务。

尸体标本教学又因为尸体来源的限制、保存条件严格、甲醛溶液的潜在危害性及可能面临的伦理学和法律相关问题,往往难以满足教学的实际需要。目前传统的临床实习以及规培学习通常是通过高年资大夫讲课、教学查房、病历书写或参与科室病例讨论等形式进行，这在很大程度上考察了学生对于本科室重点或难点疾病的了解程度，需要学生们有较多的相关知识积累。当然，临床教学的过程中，不可避免的需要结合相关二维图像教材，例如：解剖图谱、教科书等文字教材；病理组织切片、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、彩色 多普勒超声(US)等，这对于刚刚接触临床的学生而言，需要详细的了解到疾病周围的解剖关系，同时形成相对较为立体的图像相对而言较为困难，课本文字内容又较为枯燥，病理内容机制较为复杂，影像学资料相对较为片面无法形成较为立体的模型，以至于不能进行立体化、全方位的教学，在一定程度上束缚学生的主管能动性，打消学生的学习积极性。

3D打印技术的出现，为妇产科的教学提供了一个全新的思路，3D打印模型可以使同学们全方位、多角度了解患者的解剖结构，同时通过视觉与触觉的双重结合，学生能更加深刻的了解到人体结构的大致特点，在一定程度上可以使学生们清晰的掌握盆腔解剖结构，掌握临床知识，从而提升学生们的学习积极性以及教学质量，也可以提高学生们理论联系实践的能力以及临床思维能力[30]。同时对于一些年轻大夫而言，日常手术过程当中，由于术中手术视野的限制以及日常手术操作机会的缺失，不能很好的掌握住手术的操作要领以及操作技巧，3D打印技术的出现也可以使他们更加直观的观察到患者解剖特征，术前不断学习，强化印象，同时体外模拟手术也可以增加他们参与手术的自信心，从而提高真正手术过程中的学习效果。因此将3D打印技术应用于医学生的临床教学、妇产肿瘤的学习以及年轻医师的培训工作当中，可以将妇科疑难手术教学可视化和三维立体化，有助于新型妇产医学人才的培养。重视同时学会探索三维可视化及3D打印技术在妇产科学中的应用，利用其优势，用最短的时间掌握最透彻的知识体系内容。

3 3D打印技术的不足及未来展望

近年来，3D打印技术凭借其高还原性、安全性和可重复性等优点在国内外各个学科中的应用越来越多，但该技术在某些方面仍存在着问题和挑战。3D打印耗时比较长，打印一个模具一般需要5 h以上，同时收集病例数据资料，对数据资料进行分析，建立计算机模型也需要一定时间[31]。3D打印费用比较高，包括人工费、材料费、成像费用等[32]。由于3D打印最初用于工程学而非医学，故缺乏相应的专业人员，在一定程度上限制了该技术的发展[33]。关于3D打印技术制造所需条件以及打印实体模型所需要的智能材料性能虽然有了初步的发展，但目前随着3D技术的不断发展，人们对其精细度有了更高的要求，仍缺乏复杂智能材料构件有效制造方法，需要进一步研究，但我们坚信3D打印技术凭着高精确度、个体化等独特优势，其临床效果会越来越明显。随着3D打印价格合理化，专业技术人员的不断增加，其在临床领域大范围应用也会起到很好的作用。同时随着3D打印技术的进一步发展、完善，3D打印技术在治疗妇科肿瘤方面的应用将会实现新的突破。

4 4D打印技术

3D打印技术是在计算机的辅助操作下，通过喷射、挤压、熔融以及光固化等进行制作，最终得到触觉与视觉相统一的三维实物。但我们所打印出来的3D实体模型只能表示某一时刻的患者体内状态，但具体随着时间的推移会发生何种变化，我们无从知晓。近年来，随着技术人员对新型智能材料、数据到实体的操作过程及其机体刺激机制的不断研究发展，可以对人体内外环境变化进行反应的4D打印技术在医学领域的应用受到关注不断增加。

4D打印技术可以减少3D打印模型的静态局限性。其关键在于新型智能材料及其相应的机体刺激因素。4D打印是在3D打印的基础上赋予时间轴上的形变，例如可以充分模拟人体组织愈合与再生的动态系统。给原有的3D打印技术注入了新的生命活力。2013年在美国TED大会上麻省理工学院的Tibbits[34]向与会者首次展示了4D打印技术。通过研究发现，4D打印一项革命性的实用工具，其所用的经典材料是温敏性的形状记忆材料。4D打印技术通过使用温敏性形状记忆材料等智能材料，在3D打印技术的仿生学基础上实现动态的复杂构成组件的自由变形，也正是由此，4D打印技术才可更加精确的模拟人体组织的愈合以及逐步恢复再生的过程。4D打印可应用于药物的传送、生物支架、组织的自愈、器官的打印、人工血管等等[35-39]。

4D打印是多学科互相合作、发展而生成的一门交叉融合技术，如计算机学、材料学以及生物学等等，所以其发展也会在一定程度上受到相关学科发展的影响与制约。当然无论3D打印技术，还是4D打印技术都算是医学方面的革命性工具，但其在妇科肿瘤手术方面的应用仍存在着极大的挑战。