3D打印在心臟病診療中的應(yīng)用

王文昌（樂普（北京）醫(yī)療器械股份有限公司，北京 102200）

3D打印在心臟病診療中的應(yīng)用

王文昌
（樂普（北京）醫(yī)療器械股份有限公司，北京 102200）

近年來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展非常迅速，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為3D打印是制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展新趨勢(shì)，也將成為第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，有些國(guó)家將3D打印技術(shù)作為戰(zhàn)略規(guī)劃。無(wú)論是臨床還是基礎(chǔ)研究，3D打印技術(shù)都已成為不可或缺的醫(yī)學(xué)技術(shù)。在心血管疾病領(lǐng)域，尤其是心臟病的臨床診斷、治療方面，這一技術(shù)具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)3D打印技術(shù)在心臟病診療中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

3D打印技術(shù) 心臟病 診療

3D打?。╰hree-dimensional printing ，3DP）也稱為“快速成型技術(shù)”，伴隨計(jì)算機(jī)與電子信息技術(shù)的普及和推廣，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，3D打印技術(shù)也得到了空前的發(fā)展。3D打印技術(shù)開始只是應(yīng)用在汽車、飛機(jī)以及計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)和制造中，但是隨著該技術(shù)日益成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣起到非常重要的作用。

1　3D的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印概念起源于19世紀(jì)的美國(guó)，其原身是一種照相雕塑以及地貌成型的技術(shù)，在上個(gè)世紀(jì)80年代時(shí)已經(jīng)具有雛形。至今，3D打印技術(shù)的工藝方法多達(dá)數(shù)十種，當(dāng)前應(yīng)用的較多的有：熔融沉積制造、光固化立體印刷、選擇性激光燒結(jié)以及三維噴印等，打印的材料更為廣泛，有樹脂類、石蠟、陶瓷、金屬甚至復(fù)合材料，甚至在生產(chǎn)過程中可以根據(jù)自身的需要作出材料優(yōu)化選擇。英國(guó)著名期刊《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》在2012年的頭版文章中曾指出，3D打印技術(shù)正在一步步的推動(dòng)著世界第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)，這一技術(shù)的發(fā)展將會(huì)給制造行業(yè)的不同領(lǐng)域帶來(lái)難以估量的收益。

2　3D制造人體器官模型

在上世紀(jì)90年代，有科學(xué)家使用CT技術(shù)掃描的人體數(shù)據(jù)制造出了人體的顱骨模型，并且展現(xiàn)顱骨內(nèi)部的詳細(xì)構(gòu)造。在此之后，隨著CT、MRI技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及三維圖形軟件的不斷更新發(fā)展，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用也逐漸增多，到現(xiàn)在，通過該技術(shù)能夠精確的打印出人體的器官模型。

Subburai等研究者們利用3D打印技術(shù)成功制造成人耳模型；Koch等人利用3D打印技術(shù)制作出人類的皮膚組織，甚至Zein等學(xué)者打印出半透明的人體肝臟模型，大小與人體內(nèi)的肝臟大小非常接近，還能夠?qū)Ω闻K中的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行染色，清晰的顯示出其內(nèi)部構(gòu)造。對(duì)于肝臟移植手術(shù)有著很好的指導(dǎo)意義，提高手術(shù)的成功率。此外，3D打印技術(shù)當(dāng)前在神經(jīng)科、骨外科、血管外科中以及呼吸系統(tǒng)疾病的治療中也有廣泛應(yīng)用，尤其是在結(jié)構(gòu)性心臟病的診療過程中具有很好的指導(dǎo)價(jià)值。隨著醫(yī)療水平的發(fā)展和3D打印技術(shù)的成熟其作用還將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

3　3D打印在心臟病診療中的優(yōu)勢(shì)

先天性心臟病（以下簡(jiǎn)稱先心?。┦窃谔簳r(shí)期心臟血管發(fā)育出現(xiàn)異常而導(dǎo)致的心血管畸形，是常見的小兒先天性畸形。雖然當(dāng)前的醫(yī)學(xué)手段可以通過介入治療與心外科治療，患者的治愈率也較高，但是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示復(fù)雜性先心病的發(fā)病率趨勢(shì)正在不斷上升，先心病的防治工作形勢(shì)仍然非常嚴(yán)峻。以往，通過解剖尸體獲取心臟進(jìn)行臨床研究是了解先心病的重要方法，使用石蠟或者樹脂等材料制作模型了解病癥。但是由于需要在尸檢標(biāo)本上進(jìn)行，費(fèi)用高昂，且容易導(dǎo)致標(biāo)本的損壞，具有很大的短板。

更為重要的是固定劑的使用讓心腔塌陷或者出現(xiàn)變形，難以辨別出結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。超聲影像學(xué)的發(fā)展很好地改善了這一局面，通過三維重建的方式在計(jì)算機(jī)中展示心血管的三維結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)外科手術(shù)以及介入治療的進(jìn)行，但是仍然不能提供完整解剖信息。尤其是在面對(duì)復(fù)雜性先心病時(shí)，醫(yī)生很可能只得到片面的結(jié)論，影響到復(fù)雜先心病的診療方案選擇。

通過計(jì)算機(jī)軟件的處理，根據(jù)MRI以及超聲心動(dòng)圖所提供的二維碼數(shù)據(jù)，使用3 D打印技術(shù)能夠打印出各種物理模型。使用Z Printer450能夠生成彩色模型，對(duì)心臟結(jié)構(gòu)使用不同的顏色區(qū)分，凸顯出異常結(jié)構(gòu)，甚至能夠制作出透明3D模型，與真實(shí)的人體組織非常接近。醫(yī)生能夠通過3D模型直觀地分析心臟結(jié)構(gòu)，提高其對(duì)復(fù)雜先心病結(jié)構(gòu)的診斷和治療水平，并可以在術(shù)前進(jìn)行模擬操作以及器械的選擇，提高診斷和治療的精準(zhǔn)度。

4　3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)性心臟病診療中的應(yīng)用實(shí)例

4.1復(fù)雜先天性心臟病

當(dāng)前，在3D打印技術(shù)幫助下能夠幫助準(zhǔn)確診療的復(fù)雜先天性心臟病患者數(shù)量也越來(lái)越多。Riesenkampff等學(xué)者使用CT技術(shù)和MRI技術(shù)對(duì)11例患有復(fù)雜先心病的患者實(shí)施掃描，獲取到他們的二維心臟掃描數(shù)據(jù)，然后使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維重建的工作，隨后使用3D打印技術(shù)將患者的心臟模型打印出來(lái)，從而獲得心臟內(nèi)外結(jié)構(gòu)空間關(guān)系非常精確的信息。每一位患者打印出來(lái)的模型都有所不同，醫(yī)生可以根據(jù)各自的情況在手術(shù)前制定個(gè)性化的治療方案。

最后，Riesenkampff等決定對(duì)5例復(fù)雜先心病患者實(shí)施雙心室修復(fù)術(shù)，對(duì)3例患者行姑息手術(shù)，另外3例患者因?yàn)椴荒軐?shí)施手術(shù)最終放棄。在手術(shù)中將利用3D打印技術(shù)制作的模型與患者的實(shí)際心臟進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之間的相似度非常高，證明了3D打印技術(shù)制作模型對(duì)于復(fù)雜先心病的結(jié)構(gòu)解剖以及幫助選擇優(yōu)質(zhì)的手術(shù)方式具有重要意義。

4.2室間隔缺損

對(duì)于室間隔缺損的相關(guān)研究也有，Kim等人對(duì)一例患有先心病的30歲患者進(jìn)行研究，經(jīng)過食管超聲心電圖的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，患者的室間隔中部存在一定的缺損現(xiàn)象。隨后研究者根據(jù)患者的儀器掃描數(shù)據(jù)將心臟模型打印出來(lái)，清晰的展示出室間隔缺損情況以及周邊組織與解剖結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系。依據(jù)患者的心臟模型，醫(yī)生在手術(shù)前使用規(guī)格為12mm的Amplatzer封堵器實(shí)施模擬封堵，在模擬的過程中發(fā)現(xiàn)該步驟對(duì)主動(dòng)脈瓣、二尖瓣以及三尖瓣等均不會(huì)造成影響，同時(shí)在模型中使用不同型號(hào)的導(dǎo)管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終確定使用JR-4導(dǎo)管經(jīng)過患者右側(cè)頸內(nèi)靜脈實(shí)施穿刺，建立動(dòng)靜脈軌道并且經(jīng)過軌道送入鞘管，放置12mm的 Amplatzer肌部室缺封堵器，手術(shù)獲得成功。

4.3 多發(fā)房間隔缺損伴房間隔膨凸瘤

Kim等人使用TEE發(fā)現(xiàn)一例50歲的女性患者存在多發(fā)房間隔缺損、房間隔膨凸瘤形成且伴隨著大量的左向右分流，通過導(dǎo)管超聲儀的檢測(cè)進(jìn)一步證實(shí)上述診斷，使用CTA檢測(cè)發(fā)現(xiàn)房間隔中部膨凸瘤的面積約27mm×24mm。進(jìn)一步使用3D打印技術(shù)將患者的心臟模型打印出來(lái)，能夠非常清晰的檢查患者右心房的的房間隔膨凸瘤的情況，卵圓孔沒有閉合以及多發(fā)房間隔缺損的形態(tài)、數(shù)量、大小及其空間結(jié)構(gòu)的文位置關(guān)系。在手術(shù)之前，醫(yī)生進(jìn)行封堵模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)能夠?qū)⒅苓叺亩喟l(fā)房間隔缺損覆蓋，同時(shí)與三尖瓣之間存在一定的距離，使用JR-4導(dǎo)管容易穿過中央部房間隔缺損部分，最終按照預(yù)定下來(lái)的方案成功在患者心臟置入1枚35mm的Amplatzer Cribriform封堵器。

4.4肺動(dòng)脈閉鎖

肺動(dòng)脈閉鎖是較為常見的復(fù)雜先天性臟病之一，多伴有室間隔缺損狀況。通過實(shí)施矯正手術(shù)建立右心室與肺動(dòng)脈之間的通道能夠有效的治療。通常術(shù)前需要掌握患者主要體肺動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)血管的狀況以及其和主動(dòng)脈、原始肺動(dòng)脈之間的空間結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，3D打印技術(shù)對(duì)于解決這一問題具有非常大的優(yōu)勢(shì)。為了驗(yàn)證3D打印技術(shù)在處理肺動(dòng)脈閉鎖中的有效性，Ngan等人使用3D打印技術(shù)制作患者的心臟模型，輔助實(shí)施肺動(dòng)脈閉鎖手術(shù)后的主要體肺動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)血管情況以及心血管造影和手術(shù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終發(fā)現(xiàn)其準(zhǔn)確率高達(dá)96%和93%，證明3D打印技術(shù)制作的心臟模型顯示出的主要體肺動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)血管情況的精確度非常高，對(duì)于患者實(shí)施肺動(dòng)脈閉鎖手術(shù)具有很重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

5　結(jié)語(yǔ)

總而言之，3D打印技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，當(dāng)前在心臟病診療中的應(yīng)用也越來(lái)越多，對(duì)于指導(dǎo)醫(yī)生對(duì)復(fù)雜先天性心臟病患者手術(shù)方式的選擇具有重要意義。就目前來(lái)說(shuō)，報(bào)道的使用3D技術(shù)對(duì)先天性心臟病實(shí)施治療的病例僅僅只是少數(shù)，相對(duì)缺乏大規(guī)模的臨床統(tǒng)計(jì)與研究。除此之外，使用3D打印技術(shù)所得到的心血管模型的準(zhǔn)確性和有效性主要受到CTA以及MRI等儀器采集到的圖形數(shù)據(jù)的精確性和有效性的影響。所以，在實(shí)際的操作過程中，醫(yī)生應(yīng)當(dāng)盡量將掃描范圍覆蓋到患者心臟的全部病灶，對(duì)于可能造成圖像偽影的各種因素應(yīng)當(dāng)特別引起注意。最后，3D打印技術(shù)很有可能成為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診斷中的影像學(xué)和實(shí)際解剖之間的橋梁，對(duì)于患有先天性心臟病的患者，外科醫(yī)生可以使用3D打印的物理模型進(jìn)行術(shù)前分析以及模型實(shí)驗(yàn)操作，選擇最優(yōu)的手術(shù)方式和器械，對(duì)手術(shù)成功率進(jìn)行評(píng)估，最終提高心臟病的整體治療水平。

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