基于影像的3D打印解剖模型用于肝胆胰手术术前规划：单中心初步研究、成本分析与系统综述

引言

肝胰胆（HPB）解剖高度复杂且多变，存在显著的血管和胆道分支变异，这给肝脏、胰腺和胆道系统切除术的规划带来挑战 [1–3]。细致的术前规划对于实现切缘阴性同时保留重要的血管流入/流出和功能性实质至关重要 [4–6]。传统规划依赖于二维（2D）成像计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和血管造影 [2, 7]，以及三维心理映射 [8, 9]、术中超声（IOUS）[8]、吲哚菁绿荧光（ICG）[10–13]和虚拟三维（3D）模型 [14]。后处理平台、人工智能（AI）和影像组学改变了影像学概览，提高了多平面重建（MPR）和自动分割的可及性，从而改善了术前规划的质量以及与外科医生、肿瘤科医生、病理科医生和临床医生进行的多学科讨论 [15–19]。

近年来，患者特异性3D打印模型已应用于众多外科专科，如骨科手术、神经外科、心血管外科、胸外科以及小儿颅面外科和颅底外科 [20–24]。在腹部外科领域，3D打印模型已在肝脏和胰腺肿瘤中进行探索，但其在重大HPB切除术中的系统性应用仍然有限 [2]。

早期病例研究表明，与标准规划相比，3D模型可提高对解剖结构的理解，并可能缩短手术时间、减少失血量并改善切除边缘 [24–28]。这在老年患者中可能是尤为关键的优势，因为老年患者往往手术风险增加，可能受益于更精确和个体化的术前规划 [29–31]。此外，3D打印具有明确的教育价值 [32, 33]。

在此背景下，本研究旨在评估3D打印解剖模型在复杂HPB手术术前规划中的应用。

主要终点是评估模型的解剖保真度及其对手术决策和术中过程的影响。次要终点旨在分析院内3D打印过程的成本以评估可行性，并通过一项学生调查来检验此类模型的教育影响，该调查评估获得3D模型是否能提高对HPB解剖的理解。

除前瞻性单中心分析外，我们还进行了一项系统文献综述，以全面评估3D打印模型在HPB手术中应用、影响和临床相关性的当前证据。

材料与方法

患者选择

我们在意大利Pineta Grande医院HPB外科开展了关于3D模型用于HPB手术规划的前瞻性观察性研究。患者在多学科评估后于2024年9月至2025年2月期间被招募。

纳入标准旨在识别解剖复杂性高的病例，即3D打印模型可在手术中提供明确获益者。符合条件的患者具有以下一项或多项特征：肿块直径>3 cm；怀疑血管受累（例如，与主要肝血管或肠系膜血管接触）；怀疑胆道树受累；侵犯邻近器官（十二指肠、结肠、胃）；或有区域淋巴结转移的影像学证据。不适合根治性手术的患者（不可切除疾病或体能状态差）、根据美国麻醉医师学会（ASA）评分[34]存在显著未控制合并症的患者、或有远处转移的患者被排除。共筛选了38例患者，其中3例符合标准并被选中进行3D打印建模。

所有患者术前均知情同意将其影像数据用于制作解剖模型。

进行数据收集以评估术中及术后结局。术后并发症根据Clavien-Dindo分类[35]报告。

影像采集

所有患者均接受了四期CT扫描，按照意大利医学与介入放射学会（SIRM）关于肝胆胰（HPB）区域研究的采集方案[36]，采用标准方案采集。

经自动高压注射器以3 ml/s的速率注射非离子型对比剂。

优化3D模型构建的标准要求扫描仪至少具有64个探测器。扫描数据为120 kVp、100–470 mA、层厚0.5–2 mm。

与此前的人工智能和影像组学研究[37–39]一样，图像被导出为DICOM文件并上传至一个允许手动或半自动分割的开源平台（3D Slicer；Surgical Planning Lab，Brigham and Women’s Hospital，Boston，MA，USA）。

术前检查及3D重建、打印和组装

建模的关键感兴趣结构包括肝脏、胰腺、肿瘤病灶、肝静脉和门静脉、动脉、胆管、下腔静脉、主动脉以及根据需要纳入的邻近器官。放射科医师和外科医师在影像切片上协作识别目标结构。

使用3D重建平台（MIC MEDICAL-NOTE S.R.L.）从影像数据生成详细的三维解剖重建，并进行额外的手动细化以确保解剖准确性和保真度。每个器官和病灶均被分割为单独的标签。

CT主要用于骨性结构和动脉解剖，而MRI有助于勾画胆管和软组织边缘；两种模态的分割结果被融合以创建综合模型。分割后，生成并细化每个结构的三维表面网格（为打印效率进行平滑和降采样）。数字模型以STL文件格式导出。

打印前，使用切片软件（PrusaSlicer 2.5，Prusa Research，布拉格，捷克共和国）对STL文件进行处理[40]。我们将模型缩放至患者真实尺寸（1：1比例），并进行定向以尽量减少支撑材料。模型使用Prusa Mk4S熔融长丝制造3D打印机（Prusa Research）以聚乳酸（PLA）线材打印。为清晰起见，不同颜色的PLA线材被分配给不同的解剖组件：例如，肿瘤以独特颜色打印（如紫色或黄色），血管结构以红色（动脉）和蓝色（静脉）打印，胆管以绿色打印。打印层高为0.2 mm，实性器官填充率约为15%，而细血管则采用更高填充率或实心壁以确保完整性。复杂结构（血管系统、胆道树）作为独立部件打印以便清晰显示，随后按相对于器官的正确空间方位进行组装。

打印完成后，仔细清除各组件上的支撑材料和任何轻微打印瑕疵。完整模型的组装为手工完成。打印部件按照原始解剖结构进行对齐。通过 incorporated into the prints 的小型配准特征和键槽辅助对齐。随后使用不锈钢M3螺钉和氰基丙烯酸酯胶在连接点将各部件固定在一起，并安装在稳定的底座上。最终得到一个真人大小、患者特异性的3D模型，以正确的空间排列展示肿瘤及所有相关解剖结构。

术前规划与解剖保真度评估

每例3D打印模型在手术前均由手术团队进行详细审查。外科医生使用模型模拟计划切除并制定关键步骤策略。对于胰腺肿瘤，模型允许检查肿瘤与肠系膜上动脉（SMA）和肠系膜上静脉（SMV）、门静脉及胆管的邻近关系。模型上识别出的关键解剖变异被标注并整合到手术计划中。团队在模型上排练肿瘤切除，并据此规划血管控制和实质离断线。

在实际手术过程中，主刀医生对3D打印模型的实用性和保真度进行定性评估：每次手术后，外科医生记录模型信息是否导致手术方式相较于仅基于影像的初始计划发生任何改变（如扩大切除、保留某结构或替代性术中操作）。此外，他们还记录模型与术中发现之间的任何差异。肿瘤切缘状态（R0 vs. R1）从病理报告中记录，以评估模型的临床实用性。

教育研究设计

为量化3D打印模型的教育影响，我们在医学生中开展了一项随机对照调查。参与者为已完成基础解剖课程并正在参加2025年5月莫利塞大学HPB外科讲座的四至六年级医学生。参与为自愿和匿名，并获取电子知情同意。调查通过在线平台（Google Forms®，山景城，加利福尼亚州，美国）发放，讲座期间提供链接和二维码。调查设计和报告遵循CHERRIES电子调查指南[3, 41]。

共有56名学生参与，并被随机等数（每组28人）分配到两组：

实验组（第1组），该组有机会在调查前和调查期间观察和处理3D打印的肝脏和胰腺模型；对照组（第2组）仅在观看CT和MRI影像的情况下回答调查问卷。

问卷由16道选择题组成，分为四个部分：（1）受访者人口学信息（医学课程年级）；（2）“解剖学知识”——HPB区域的理论宏观解剖学（5题）；（3）“解剖学实践”——放射解剖学/影像解读（5题，每题附有一张图像，如需要识别标注结构的CT扫描）；（4）“3D解剖学”——空间解剖关系和拓扑理解（5题）。这些领域受到经验证的解剖学能力评分（ACS）框架[42]的启发，该框架从认知（理论）、实践（图像解读）和3D空间方面评估解剖学知识。每题答对得1分，知识性部分最高分为15分（人口学问题不计分），并计算各领域的子评分（每领域0–5分）。

我们为每位参与者计算了总分（0–15分）。比较对照组和实验组之间的平均分。在验证数据正态分布后，使用非配对双尾Student t检验评估平均分差异。各领域特异性评分也以类似方式进行比较。p值< 0.05被认为具有统计学意义。统计分析使用Prism 9（GraphPad Software，美国加利福尼亚州圣迭戈）进行[43]。

检索策略

我们的系统综述纳入了截至2025年7月发表的文章，遵循系统综述和荟萃分析优先报告条目（PRISMA）指南[44]。

我们对PubMed数据库进行了全面检索，以识别报告3D打印技术在HPB手术中临床应用的原始英文文章。检索策略包括3D打印技术相关术语（“3D printing”“additive manufacturing”“anatomic models”）联合肝脏、胆道和胰腺疾病相关术语（“liver”“biliary tract”“pancreas”）以及外科手术相关术语（“surgery”“preoperative planning”“simulation”）。主要聚焦于生物打印、组织工程或教育应用的研究被排除。

初步筛选由两位作者（P.A.、S.S.）基于标题和摘要独立进行。在全文评估前排除重复文献。随后，至少两位盲法审稿人（S.S.和G.I.）使用Rayyan（Rayyan Systems Inc.，卡塔尔多哈）识别和分析可能相关的研究。文章选择中的分歧通过所有作者讨论和共识解决。所有检索到的参考文献导出至EndNote™ 21参考文献管理软件（Clarivate，美国宾夕法尼亚州费城）。最终综述和合格研究的纳入于2025年8月完成。

纳入和排除标准

主要研究目标已根据患者、干预、比较和结局方法[45]制定（表1）。

仅纳入符合特定方法学和语言要求的研究。符合条件的论文为以英文撰写、以年龄≥18岁的人类受试者为研究对象、且可免费获取全文的研究。此外，仅考虑报告3D打印模型在肝胆胰（HPB）外科中临床、解剖或手术应用的原创研究论文。

若研究不符合上述标准，或与综述范围存在方法学不一致，则予以排除。具体而言，我们排除了叙述性综述或系统综述，以及仅描述虚拟或计算机生成3D重建而未使用实体打印模型的研究。主要聚焦于热消融技术或肝移植的文章亦被排除。此外，无法获取完整全文的研究以及涉及动物实验的研究被排除在最终分析之外。

数据提取

报告被分为三个不同的组，即不相关、相关和不确定。两位评审均判定为不相关的研究被排除，而至少一位评审判定为相关或不确定的论文则通过全文评估进行分析。PRISMA流程图记录了整个检索和筛选过程（图1）。

使用标准化数据提取表，所有作者记录每项研究的关键细节，如第一作者、发表年份、来源国家、研究设计、患者总数、疾病类型、研究目的、3D重建的影像学方法、相关发现、3D建模软件/3D打印方法、3D打印材料/生产成本和时间。

在信息缺失的情况下，作者基于可用数据进行计算。

结果

接受手术患者的基线特征

2024年9月至2025年2月期间，38例患有HPB疾病的患者由我们的多学科团队进行评估。38例中有13例（34.21%）被选进行3D虚拟解剖模型构建，而38例中有3例（7.89%）符合纳入标准进行3D打印模型用于手术规划：（1）胰钩突腺癌（因邻近肠系膜上动脉（SMA）[46, 47]而属于交界可切除），（2）壶腹部腺癌，以及（3）巨大肝血管瘤（包绕肝内血管结构）。患者的基线特征及术中、术后结局报告于表2。

模型构建

每个模型的端到端生产时间（从图像处理到成品模型）平均约为32.7小时（h），尽管其中大部分时间是自动化打印（表3）。具体而言，每个病例的分割和三维重建需要约8小时的专项工作，切片和打印准备约1–2小时，打印本身约23–30小时（机器时间），最终组装约3小时的手工工作。这些时长随患者解剖结构的复杂性而变化（更大或更复杂的模型需要更长的分割和打印时间）。虽然打印确实带来了时间投入，但图像处理和打印可以与其他术前准备并行进行（例如，打印在几个夜间完成）。所有模型都及时准备好用于手术规划会议，通常在手术前5–7天。

图2、图3和图4展示了最终的3D打印模型。

我们还估算了病例的生产成本（表4）。如表4所详述，所有三个模型的材料成本总计约为170.78欧元。按每个模型计算，材料（PLA、紧固件等）平均约为55欧元。所使用的3D打印机是一款经济型桌面型号（初始投资约1000欧元），在所有病例中重复使用；其折旧或维护成本在研究期间不显著。打印的电费约为每个模型12欧元。

然而，劳动力成本更难以量化：根据我们的经验，外科研究研究员和工程师作为研究项目的一部分进行分割和组装。如果按标准技术人员费率计算，每个模型约10小时的劳动力相对于典型的医院成本而言仍是一笔不大的费用。

3D打印模型的术中评估

术中，将模型与真实解剖结构进行验证。在临床上，使用3D模型对手术规划和执行产生了实质性影响：外科医生报告称，触觉式1：1比例3D打印模型极大地增强了他们对解剖关系的空间理解。

值得注意的是，模型与术中所见之间没有重大差异——所有肿瘤及其延伸范围，以及血管和胆道解剖结构，均被准确呈现。

微小差异（如组织纤维化粘连的确切程度）为病理本身所固有，并不反映模型本身的不准确性。

所有切除标本的病理学检查证实了肿瘤的影像学尺寸，进一步支持了模型的准确性。在所有三例病例中，均实现了阴性切缘（R0），外科医生部分将其归因于3D模型增强了术前规划。

在患者#1中，模型清晰地展示了肿瘤与肠系膜上动脉（SMA）之间170°的关系。手持模型，团队规划了可能的血管切除/重建（图2）。果然，术中发现肿瘤如预测那样毗邻SMA外膜。一段SMA外膜层被安全剥离并以一期缝线修复，这一操作已在模型上预先演练过。这一准备有助于术中决策更加顺畅，并避免了非计划转为更广泛的血管手术。

在患者#2中，胰腺、远端胆管及周围结构的3D打印模型强化了标准Whipple手术方案（图3）。它并未需要改变手术入路，但外科医生指出，它在主动脉腔静脉间和胰十二指肠区域周围的淋巴结清扫过程中充当了有价值的参考，帮助团队定位患者的特定血管解剖。

在患者#3中，模型突出显示了一条副左肝动脉（起源于胃左动脉），供应肝左外叶段，走行靠近血管瘤（图4）。该变异血管在影像学上可见，但在3D模型上观察得更为清晰，使外科医生能够规划其保留。果然，在肝2段和3段的双段切除术中，该副动脉得以保留。该模型还有助于确定切除平面，以避免不必要地牺牲未受累的肝段。

教学影响

56名医学生完成了解剖学调查（28名对照组，28名实验组）。参与者人口学特征（医学学习年限）在组间均衡；所有均为已完成解剖学课程的高年级医学生。总体测验成绩在使用3D打印模型的组中更高。实验组平均总分为15分中的12.0 ± 1.1，对照组为10.11 ± 1.3（p < 0.001）。这相当于使用3D模型后总体成绩提高了约19%。图5展示了两组的成绩分布，显示实验组成绩右移（大多数实验组学生得分在11–13分范围，而对照组为9–11分）。

在解剖学知识领域，两组表现相似。对照组平均分为4.36 ± 0.83（满分5分），实验组平均分为4.25 ± 0.65（p = 0.583）。这表明提供3D模型并未显著改变解剖学事实性知识的回忆，这在预期之中，因为两组此前学习所获得的基线知识 presumably 相当。

同样，在解剖学实践领域（放射学解剖判读），实验组平均分（3.82 ± 0.61）与对照组平均分（3.93 ± 1.05；p = 0.634）无显著差异。两组在识别CT/MR图像上的结构方面均取得中等程度的成功，实验组呈现略微积极的趋势。这些结果表明，3D模型主要增强了空间理解能力，但在短期内既未削弱也未显著增加一般解剖学知识或影像判读能力。

最显著的差异出现在3D解剖学领域（空间/拓扑理解）。实验组在该领域的得分（平均4.11 ± 0.57，满分5分）显著高于对照组（1.82 ± 1.12，满分5分）。该差异具有高度统计学意义（t = − 9.64，p = < 0.0001）。事实上，几乎所有实验组学生正确回答了大部分3D空间问题，而对照组学生则常常在这些问题上遇到困难。对照组无学生在3D领域获得满分，而实验组有32%的学生获得满分。

系统综述

初步共获得1434篇文章（图1）。根据排除标准，排除了1426项研究。在补充6项手工检索研究后，最终纳入14篇文章[28, 48–60]（表5）：7篇病例报告、1篇病例系列、1项临床观察性研究、1项前瞻性观察性研究、1项前瞻性初步研究、1项队列研究、1项前瞻性比较研究、1项随机对照研究。累计研究人群涵盖218例患者。发表时间范围为2014年至2024年。概述研究筛选过程的PRISMA流程图见图1。

最常涉及的病理包括结直肠癌肝转移（CRLM）[28, 48–51, 54, 59]和肝细胞癌（HCC）[28, 51, 54, 55, 57, 59, 60]，两者合计占所有报告病例的一半以上。其他适应证包括肝内胆管癌（ICC）[60]、肝内胆结石[57, 60]、Klatskin瘤[28, 53, 57]，以及罕见的小儿肝脏病变，如肝母细胞瘤、肝脏错构瘤和胆道横纹肌肉瘤[58]。一篇文章报告了肝转移但未说明原发肿瘤来源[52]，而另一篇描述了一例未进一步行组织学特征的肝癌[56]。在一项单独的研究中，病理涉及肝脏孤立性纤维瘤[54]，而另一篇论文涉及起源于非结直肠原发恶性肿瘤的肝转移[51]。此外，在一个综合系列中，除CRLM、HCC和Klatskin瘤外，报告的病理还包括肝血管瘤、肝腺瘤、局灶性结节性增生（FNH）、胆囊癌、原发性肝肉瘤、肉瘤样转移和肾上腺转移，反映了通过3D打印应用在外科规划中所涉及的肝胆和转移性疾病的广泛谱系[28]。

在纳入的研究中，主要目的显示出相当大的差异，但趋于一个共同目标，即评估3D打印肝脏模型在术前外科规划和术中导航中的作用。几位作者特别强调了模型制作的技术验证和可行性[48–50, 52, 53, 56, 58, 59]，而其他人则试图评估对手术决策和结局的临床影响，包括手术规划修改和并发症减少[28, 51, 54, 57, 60]。

关于成像方案，对比增强CT是最广泛使用的模态[28, 48–50, 53, 54, 56–60]，而MRI，单独或与CT联合，在4项研究中单独使用或与MRI联合使用[28, 51, 52, 55]。

在 findings 方面，几乎所有作者都报告3D打印模型增强了对复杂肝脏解剖的空间理解，并改善了肿瘤-血管关系的术前可视化。在定量方面，Witowski等[54]记录了模型审查后26%的手术规划修改率，而Joo等[51]观察到病变检测准确性的显著增加（从82.7%至99.0%）。同样，Yao等[60]将3D建模确定为术后并发症的独立保护因素，特别是肝内胆结石患者的胆漏。Lopez-Lopez等[28]强调了3D模型在增强患者理解和多学科团队讨论方面的教育和沟通价值。

研究中采用了广泛的软件平台和打印技术。PLUTO系统[48, 49, 59]和3D Slicer[54]反复用于分割和STL文件生成，而开源工具如Horos、Meshmixer、Blender和Ultimaker Cura经常被整合到低成本工作流程中[50, 52, 54]。主要的制造技术是熔融沉积建模（FDM）或熔融长丝制造（FFF）[50, 52, 54, 55, 58]，其次是立体光刻（SLA）[57]和选择性激光烧结（SLS）[58]。

材料选择呈现出显著的异质性。PLA是最广泛使用的聚合物[50, 52, 54, 58]，常与硅胶结合以复制肝实质的质地[52, 54, 58]。其他材料包括刚性丙烯酸树脂[48, 49, 59]、光敏树脂[57]、透明聚氨酯橡胶（TPUR）[28]和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）[51]。3D打印肝脏模型的制作成本范围较广，从低至15美元[55]或120欧元[52]到高保真多材料模型约950–1200欧元[53]。同样，制作时间从6小时[55]到72小时[50]不等，大多数报告指出每个模型的总体工作流程持续时间为1至5天[54]。

讨论

在我们的单中心研究中，我们证明了3D打印患者特异性模型可有效用于复杂肝胆胰（HPB）手术的术前规划，并从临床和教育两个角度评估了其影响。此外，一项广泛的成本分析证实，“院内3D模型制作”在外科科室的财务上是可实现的。

解剖保真度与临床实用性

所制作的3D模型高度准确地再现了患者解剖结构，术中未出现意外或模型不准确的情况[61–63]支持了这一点。这种高保真度归因于精细的影像分割和双模态数据（CT和MRI）的使用，后者提高了可重复性和特征稳定性[16, 64]，以及现代打印机的固有分辨率能力[26, 39, 65–68]。

多项研究报告了3D打印模型的高解剖准确性[33, 69–72]。通过让外科医生看到并触摸患者器官和肿瘤的复制品，这些模型提供了补充传统影像的直观理解。在所有3例中，外科医生发现模型——结合术前CT和/或MRI影像及术中超声（IOUS）——增强了他们对手术野的三维心理构图。

此外，这些模型可影响手术决策。例如，在1例中，模型的存在促使制定了积极的血管修复计划，这可能有助于更安全的切除。在另1例中，模型使得能够保留一条副动脉，说明了患者特异性模型如何促进更保守的、基于解剖信息的手术。

这些定性获益与文献中关于3D模型改变或优化手术策略的报告一致[54, 73, 74]。已有文献记载，3D模型可在相当比例的病例中引导外科医生调整切除范围或入路[54, 73]。我们发现在所有涉及肿瘤的病例中均实现了R0切除（切缘根据模型中可见的肿瘤解剖结构进行调整），这一结果令人鼓舞，尽管我们的样本有限。

我们不能仅基于本系列声称模型改善了肿瘤学结局，但它们确实在实现切缘阴性切除方面提供了信心和清晰度。既往研究提示，在肝脏和胰腺手术中使用3D模型可能降低阳性切缘率、缩短手术时间并减少术中出血量[75–77]。

3D打印模型并未揭示出影像学之外的全新解剖信息，而是将这些信息综合为更易理解的形式[2, 78]。经验丰富的外科医生经过训练能够解读CT和MRI，但某些空间关系（例如环绕肿瘤的血管的确切曲度和邻近程度）无疑通过可触及的3D模型更容易掌握[79–81]。

例如，肠系膜上动脉（SMA）和肠系膜上静脉（SMV）及其与胰头钩突部肿瘤的接触在轴位CT上清晰可见，但3D模型使团队能够认识到受累的环周性质并规划分离。在文献中，屏幕上的3D虚拟重建提供了部分此类理解，但实体模型提供了深度感知和手动模拟手术操作的能力，这可能是非常宝贵的[2]。

我们的研究强调，3D模型是传统影像学的极佳辅助手段。外科医生仍依赖影像学获取诊断细节和初始评估；模型则作为补充工具，可确认发现并提高对手术计划的信心[62, 67]。

在精准医学时代，采集方案的标准化和放射学图像的准确审阅使得多学科讨论更加高效，并有助于选择涉及手术、放疗、局部治疗或化疗的个体化治疗策略[82–84]。

此外，尽管我们的研究并非旨在测量临床结局（手术时间、并发症发生率、患者康复），但改善术前规划的目标是转化为更好的手术结局。文献提示了潜在的改善。Witowski等[54]观察到使用3D肝脏模型规划肝切除术可减少手术时间和失血量。

同样，最近一项病例匹配研究发现，与对照组相比，3D模型引导的肝切除术更有可能实现R0切除并保留更多健康肝实质[85]：这些获益可能与术前对患者解剖和肿瘤范围的更精确了解有关。

此外，根据我们的个案经验，3D模型可视化可能通过阐明术中解剖或使团队能够做出并模拟临时决策来帮助缩短手术时间。

基于人工智能的模型甚至可以整合关于身体成分和解剖细节的最新后处理技术，以肝实质结构或肝功能的关键信息补充术前评估[86, 87]。

一个关键点是减轻手术室团队压力的潜在获益：3D模型可以通过术前简报中的病例展示来增强团队沟通。

一些作者还描述了使用3D模型进行患者教育——在模型上向患者展示其自身的肿瘤和计划切除范围，以提高知情同意度和满意度[88–90]。虽然我们在本研究中未正式测量患者感受，但我们在实践中确实使用模型向患者及家属解释手术。这表明3D打印还有额外的“软性”获益：改善患者参与度，并可能减轻焦虑，因为他们可以直观地看到手术的具体内容。

此外，3D打印模型的应用在微创手术时代尤为重要，微创手术是肝脏和胰腺手术的合适入路[91, 92]，其中触觉反馈有限，而精确的解剖定位至关重要。

学习成果

我们研究中的随机调查部分提供了明确证据，表明3D打印模型显著增强了对复杂解剖结构的学习。能够使用3D模型的学生表现优于未使用的学生，尤其是在理解空间关系方面。

3D解剖领域的巨大改善（平均提高超过2分，p < 0.001）表明教育干预具有很强的效应量。

这一发现与以往的教育研究一致。例如，Ye等[33]的系统综述发现，与传统方法相比，3D打印模型改善了医学受训者的解剖学考试成绩和空间理解能力。同样，Hojo等[93]在一项随机试验中证明，在3D骨盆模型上练习的外科受训者在模拟淋巴结清扫中表现优于未练习者。

我们的研究通过聚焦于肝胆胰（HPB）解剖——一个具有挑战性的领域——并在本科医学教育层面采用随机设计，为这一证据体系增添了新内容。

实验组分数的提高表明，即使短暂接触3D模型也能提供即时的学习益处。我们还观察到，模型接触并未显著改变纯事实性知识问题的表现，这意味着3D模型专门增强了空间认知领域。事实上，这些工具的价值在于传达3D结构和关系，而这些难以用文字或平面图像完全呈现。传统讲座和教科书对于事实性和概念性知识仍然重要，但整合3D打印模型甚至3D数字模型可以填补空间学习的空白[94]。

从课程设置的角度来看，我们的结果支持在复杂解剖教学中整合实体解剖模型，以提高学生的理解能力并可能促进长期记忆保持。

这些发现在外科培训中可能至关重要，尤其是在远程医疗时代[95]：初级外科医生可以在协助或实施手术之前使用模型练习手术入路或识别解剖标志，如以往研究所述[96–99]。

未来的外科教育应越来越多地将3D打印模型甚至患者解剖结构的增强现实叠加层整合为标准工具，以加速学习曲线，尤其是在低、中等手术量中心[100, 101]，同时构建术前高保真模拟器，如神经外科和骨科经验所报道的那样[102–104]。

成本与可行性考量

3D打印在医院广泛应用的障碍之一一直是推定的成本和技术专业知识需求。

我们的详细成本分析表明，基本解剖模型的院内制作可以低成本完成。每件模型约50–60欧元的耗材费用在整体外科诊疗成本背景下微不足道（相比之下，单次先进影像扫描或一件手术器械的成本可能高出许多倍）。即使考虑人员时间，成本仍然是合理的，特别是如果模型仅为选定的复杂病例制作。

在我们的环境中，这得益于由外科医生和生物工程师组成的协作团队。其他中心也报告了类似的工作流程，由外科住院医师或医学插画师负责分割和3D模型准备[105, 106]。

简化这一流程将提高可行性：例如，使用人工智能进行自动分割的进展可能大幅减少生成可打印模型所需的时间。

一些商业服务提供基于上传影像的3D打印模型，但每个模型通常收费数千欧元/美元，导致其作为常规使用工具不具有成本效益[103, 107]。

根据我们的经验，主要的“成本”是时间——具体来说是打印时长。30小时的打印意味着必须提前规划，以便模型在手术前准备就绪。在实践中，通过提前开始打印并持续打印（我们的打印机通宵运行并监测错误），这是可以管理的。随着打印机技术的进步，更快的打印机或多头打印机可以显著缩短打印时间。

因此，虽然需要一些后勤规划，但我们并未发现在实施小型3D打印项目用于手术规划方面存在任何不可逾越的障碍。分割软件的学习曲线适中，但一旦建立流程方案，就可以教授给外科团队中熟悉技术的成员。

存在多种免费或低成本软件选项，许多医院已经拥有3D实验室或为骨科植入物或其他用途进行打印的经验，这些可以扩展到解剖建模[108, 109]。

然而，必须承认并非所有外科中心都具备常规实施此类工具的技术基础设施或财政资源。因此，显而易见的是，复杂外科手术的结果可能不仅取决于外科医生的技术专长，还受到机构资源可用性和先进技术支持可及性的影响[110, 111]。

局限性

我们的研究存在若干局限性

三个临床病例的样本量较小，我们对临床实用性的观察是描述性的。我们没有匹配的对照组患者在不使用3D模型的情况下进行规划，以直接比较手术结果。更大规模的系列研究或对照试验可以更严格地评估使用与不使用模型规划的手术时间、术中失血量或并发症发生率等指标。

其次，我们研究中的生产过程在人员方面是资源密集型的——它依赖于对3D打印有热情的专职人员。并非所有外科中心都能立即获得此类专业知识，这可能阻碍广泛采用。然而，3D打印技术可及性的快速提高和知识共享正在缓解这一问题。

另一个局限性是我们的成本分析未以货币形式计入人员时间（因为这是研究背景）。在现实场景中，外科医生或工作人员花在模型创建上的时间可以被视为一项成本。话虽如此，这可以整合到现有工作流程中（例如，放射科可以将分割作为高级影像服务的一部分）。

结论

3D打印解剖模型已成功应用于一系列复杂肝胆胰（HPB）手术的术前规划，并被证明具有高度准确性和实用性。患者特异性3D模型的可获得性使外科医生能够更好地可视化肿瘤解剖结构及其与关键结构的关系，从而完善手术方案并增强手术室中的信心。

此外，在教育背景下，接触3D打印模型显著增强了医学生对复杂三维解剖结构的理解。

未来需要开展更大队列并采用定量结局指标的研究，以进一步明确3D打印模型对手术结果的影响，并巩固其在外科教学中的作用。