快速成型技術(shù)在Stand ford A型主動(dòng)脈夾層治療中的應(yīng)用

楊　迅，嚴(yán)中亞，申運(yùn)華

◇技術(shù)與方法◇

快速成型技術(shù)在Stand ford A型主動(dòng)脈夾層治療中的應(yīng)用

楊迅，嚴(yán)中亞，申運(yùn)華

探討快速成型技術(shù)在Standford A型主動(dòng)脈夾層治療中應(yīng)用的可行性。對(duì)5例Standford A型主動(dòng)脈夾層患者行主動(dòng)脈CTA掃描，通過(guò)MIMICS 16.0軟件進(jìn)行三維重建，快速成型制作出與實(shí)體1∶1大小的主動(dòng)脈夾層模型，根據(jù)模型充分了解患者主動(dòng)脈病變情況，為主動(dòng)脈夾層患者制定“個(gè)體化”的治療方案，并在模型上模擬手術(shù)，在實(shí)際操作中取得了較好的手術(shù)效果，患者術(shù)后無(wú)任何并發(fā)癥，均痊愈出院?？焖俪尚湍Ｐ褪筍tandford A型患者的術(shù)前準(zhǔn)備更充分，能夠提高主動(dòng)脈夾層手術(shù)效率與精準(zhǔn)度，并能在腔內(nèi)治療中指導(dǎo)支架近端的精準(zhǔn)錨定。

主動(dòng)脈；動(dòng)脈瘤；夾層；主動(dòng)脈疾??；3D打??；快速成型技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-4-19 11：04：48 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/34.1065.R.20160419.1104.064.html

近年來(lái)，主動(dòng)脈夾層（aortic dissection，AD）的發(fā)病率呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，AD起病急驟，進(jìn)展迅速，臨床表現(xiàn)復(fù)雜，是國(guó)際上公認(rèn)的“災(zāi)難性疾病”［1］。由于主動(dòng)脈解剖形態(tài)多變，分支血管眾多，疾病本身亦存在復(fù)雜性因素，因此治療上存在諸多困難［2］。對(duì)最為危重的Standford A型主動(dòng)脈夾層來(lái)說(shuō)，其病變范圍廣，目前唯一有效的方法仍是手術(shù)治療，其手術(shù)方案的選擇十分依賴于主動(dòng)脈夾層的解剖學(xué)形態(tài)。通過(guò)快速成型技術(shù)能夠精準(zhǔn)復(fù)制主動(dòng)脈夾層，可直視下全方位、各角度了解病變的解剖學(xué)特點(diǎn)。該研究在5例Standford A型主動(dòng)脈夾層患者中應(yīng)用快速成型技術(shù)于術(shù)前制備主動(dòng)脈弓模型，輔助其治療，臨床效果良好。

1　材料與方法

1.1病例資料 5例Standford A型主動(dòng)脈夾層患者，男3例，女2例；年齡32～51（45±7.7）歲，4例因“突發(fā)胸背部疼痛”入院，均合并高血壓，1例因“心慌胸悶十年”入院。全組行64排CT血管造影（CTA）。診斷為主動(dòng)脈夾層A型。4例合并高血壓，心臟彩超示該組患者均合并中、重度主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全。

1.2主動(dòng)脈夾層患者三維模型的建立及打印 將CTA數(shù)據(jù)保存為DICOM格式，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)三維圖像處理軟件MIMICS 16.0，設(shè)置灰度閾值，區(qū)分出各組織，通過(guò)軟件自帶編輯工具分割出主動(dòng)脈，進(jìn)行主動(dòng)脈三維重建，提取范圍從升主動(dòng)脈到雙側(cè)股動(dòng)脈，模型表面光滑修飾。通過(guò)上述方法分別三維重建出真腔、假腔。然后利用Boolean運(yùn)算，以主動(dòng)脈模型減去真腔及假腔模型，就得到了中空的主動(dòng)脈夾層模型，進(jìn)行模型表面修飾后，主動(dòng)脈壁加厚至1.5 mm，就得到了中空的主動(dòng)脈夾層模型，以STL格式導(dǎo)出模型。將三維重建出的主動(dòng)脈夾層模型導(dǎo)入到快速成型機(jī)（SL600，吳江中瑞機(jī)電科技有限公司）中，采用熔融沉積技術(shù)，在一定的參數(shù)下，對(duì)ABS粉末（一種熱塑性工程塑料）進(jìn)行燒結(jié)成型，制作出與實(shí)體1∶1大小的主動(dòng)脈夾層三維模型。

1.3模型評(píng)估 3D模型輔助評(píng)估要點(diǎn)：①觀察主動(dòng)脈形態(tài)及夾層累及范圍，模型上直接測(cè)量所需數(shù)據(jù)，結(jié)合CTA及超聲心動(dòng)圖，制定合適手術(shù)方案；②在模型直接測(cè)得主動(dòng)脈直徑、長(zhǎng)度，選擇合適人工血管，分別測(cè)量頭臂干，左頸總動(dòng)脈，左鎖骨下動(dòng)脈直徑，頭臂干與左頸總動(dòng)脈間距，左頸總動(dòng)脈與左鎖骨下動(dòng)脈間距離，準(zhǔn)備相匹配的弓內(nèi)覆膜支架；③主體支架入路選擇，股動(dòng)脈粗細(xì)程度，夾層累及程度，支架能否順利進(jìn)入；④確定支架近端釋放位置支架能否順利展開(kāi)，是否影響主動(dòng)脈分支血管，如腎動(dòng)脈、腹腔干等血管血供。評(píng)估方式：全方位觀察及測(cè)量主動(dòng)脈及夾層的解剖形態(tài)，就模型與北京裕恒佳工程師共同分析，個(gè)體化定做合適支架，明確使用支架類型、長(zhǎng)短。達(dá)到個(gè)體化治療主動(dòng)脈夾層的目的。

1.4手術(shù)方法 術(shù)前根據(jù)模型個(gè)體化評(píng)估患者主動(dòng)脈解剖特點(diǎn)，術(shù)中逐步完成術(shù)前制定手術(shù)步驟，5例患者手術(shù)均分兩期完成，一期手術(shù)（圖1B、1C）行開(kāi)胸治療。首先根據(jù)主動(dòng)脈竇部擴(kuò)張及主動(dòng)脈瓣情況決定行Bentall術(shù)、David術(shù)或Wheat術(shù)等。將術(shù)前根據(jù)模型準(zhǔn)備的單分支覆膜支架植入主動(dòng)脈弓內(nèi)。分別向左頸總動(dòng)脈、無(wú)名動(dòng)脈內(nèi)置入覆膜小支架并固定，在腔內(nèi)支撐血管的相應(yīng)位置開(kāi)兩圓孔，與覆膜小支架開(kāi)口行端側(cè)吻合。單分支覆膜支架近端與已吻合于主動(dòng)脈根部的直人工血管行端端吻合。二期（圖2B、2C）行腹主動(dòng)脈腔內(nèi)隔絕術(shù)，術(shù)前準(zhǔn)備合適支架，在DSA下經(jīng)股動(dòng)脈植入支架隔絕主動(dòng)脈內(nèi)膜破口。

圖1　術(shù)前快速成型模型A：患者術(shù)前　VR成像，無(wú)法顯示血管內(nèi)部破口；B：根據(jù)術(shù)前CTA圖像快速成型制作的與實(shí)體1∶1大小模型，可以顯示主動(dòng)脈解剖形態(tài)，測(cè)量分支血管在主動(dòng)脈開(kāi)口處直徑、相互之間的距離；C：模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看到主動(dòng)脈內(nèi)部解剖形態(tài)

圖2　第二次術(shù)前快速成型模型A：第二次術(shù)前VR成型；B：根據(jù)第二次術(shù)前　CTA圖像快速成型制作與實(shí)體1∶1大小的模型；C：模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以清楚看到主動(dòng)脈腔內(nèi)解剖形態(tài)，破口位置

2　結(jié)果

2.1快速成型模型 模型能夠精準(zhǔn)顯示主動(dòng)脈的扭曲方向、扭曲程度以及主動(dòng)脈直徑，主動(dòng)脈弓上三分支血管，腎動(dòng)脈、腹腔干、腸系膜動(dòng)脈等分支血管在主動(dòng)脈開(kāi)口處直徑、空間位置以及相互之間的距離。為了能清楚的觀察到主動(dòng)脈內(nèi)部，將主動(dòng)脈沿縱軸切成了兩半，可以清楚的看到主動(dòng)脈內(nèi)部夾層真假腔間的關(guān)系、真假腔大小、夾層破口位置、破口大小、破口與主動(dòng)脈分支血管之間的位置關(guān)系（圖3）。

圖3　模型細(xì)節(jié)A：縱軸左邊；B：縱軸右邊；箭頭所指處為主動(dòng)脈夾層破口

2.2手術(shù)結(jié)果 一期開(kāi)胸手術(shù)中動(dòng)脈插管4例為頭臂干，1例為右腋動(dòng)脈，插管順利，心肺轉(zhuǎn)流滿意。主動(dòng)脈切口選擇沿升主動(dòng)脈中線縱行切開(kāi)至無(wú)名動(dòng)脈開(kāi)口1.4～2 cm處，主動(dòng)脈內(nèi)部暴露充分。對(duì)4例患者行Bentall術(shù)，1例行David術(shù)。術(shù)前準(zhǔn)備術(shù)中支架弓內(nèi)釋放順利，與血管壁貼合滿意，未對(duì)弓上三分支血流造成影響。手術(shù)均順利完成，平均體外循環(huán)時(shí)間（170.6±19.2）min，心肌阻斷時(shí)間（95.0 ±9.4）min，停循環(huán)時(shí)間（33.4±8.7）min。術(shù)后24 h引流量（564.0±175.2）ml。二期腔內(nèi)治療中選擇透膜支架，3例入路選擇右側(cè)股動(dòng)脈，1例選擇左側(cè)股動(dòng)脈，1例雙側(cè)股動(dòng)脈均較細(xì)，經(jīng)右側(cè)髂外動(dòng)脈插管，切口位置稍靠上有效縮短切口。術(shù)前準(zhǔn)備腔內(nèi)治療主體支架均順利輸送。支架貼合滿意，近端均無(wú)內(nèi)漏。透膜支架覆蓋腹腔干，腸系膜動(dòng)脈，腎動(dòng)脈等分支血管，但對(duì)各分支血管血供無(wú)明顯影響。隔絕術(shù)后造影顯示：近端支架錨定充分，各破口隔絕成功，假腔內(nèi)血流流速較術(shù)前明顯減慢，真腔較術(shù)前明顯增大，僅少許血流通過(guò)支架透膜進(jìn)入假腔，真腔明顯擴(kuò)大，患者術(shù)后無(wú)任何并發(fā)癥，均痊愈出院。術(shù)后2個(gè)月復(fù)查CTA顯示，升主動(dòng)脈人工血管血流通暢，假腔內(nèi)血栓形成，各器官血供正常，未出現(xiàn)功能衰竭（圖4）。

圖4　兩次術(shù)后快速成型模型A：術(shù)后2個(gè)月復(fù)查CTA三維重建；B：根據(jù)復(fù)查CTA圖片快速成型制作與實(shí)體1∶1大小的模型；C：重建模型內(nèi)部解剖

3　討論

主動(dòng)脈的發(fā)育和解剖部位有獨(dú)特性。行經(jīng)胸腹并深埋于各組織臟器之間，分支血管眾多且多為重要組織、臟器供血，為手術(shù)高危險(xiǎn)區(qū)域。當(dāng)發(fā)生主動(dòng)脈夾層時(shí)，主動(dòng)脈走形又常發(fā)生變化，為其治療增加了難度。對(duì)于復(fù)雜解剖或者存在變異的主動(dòng)脈夾層，CT掃描三維重建成像很難有效呈現(xiàn)其復(fù)雜的解剖情況［3］。同時(shí)，CT重建模型由影像科醫(yī)師完成，缺乏與外科醫(yī)師交流，并且發(fā)送到外科醫(yī)師手中的重建影像仍屬二維信息，無(wú)法滿足外科醫(yī)師對(duì)主動(dòng)脈全方位觀察分析的需求，外科醫(yī)師可能會(huì)得出片面的結(jié)論，直接影響主動(dòng)脈夾層的診斷及治療方案的選擇，進(jìn)而影響患者預(yù)后。

快速成型技術(shù)也稱3D打印技術(shù)，是近年來(lái)興起的一種新型數(shù)字化成型技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于骨科［4］、口腔頜面外科［5］以及血管外科［6］。可用于制備生物醫(yī)用材料、建立器官模型以及構(gòu)造組織工程支架［7-9］，甚至可用于制備人體組織及活體器官［10-11］。前期研究［12］證實(shí)可通過(guò)快速成型技術(shù)制備與人體主動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)基本一致的主動(dòng)脈模型，極大提高對(duì)主動(dòng)脈夾層空間解剖結(jié)構(gòu)的理解，術(shù)中將快速成型模型與實(shí)際主動(dòng)脈的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，兩者基本一致。由手術(shù)醫(yī)師在模型直接測(cè)量手術(shù)需要的每一個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)，從而制定更加個(gè)體化、精準(zhǔn)化的手術(shù)方案。同時(shí)也可以將打印出的模型展示給患者及家屬，直觀的告知家屬患者病情的特殊性及手術(shù)如何進(jìn)行，增加患者及家屬對(duì)病情和手術(shù)的理解程度，增強(qiáng)患者對(duì)手術(shù)的信心。

對(duì)standford A型主動(dòng)脈夾層的治療有多種術(shù)式［13-14］，無(wú)論采用哪種術(shù)式治療主動(dòng)脈夾層，都十分依賴于主動(dòng)脈夾層的解剖學(xué)形態(tài)。本研究用MIMICS 16.0軟件對(duì)主動(dòng)脈夾層患者的CTA圖像進(jìn)行三維重建，快速成型制備與實(shí)體主動(dòng)脈夾層1∶1大小的主動(dòng)脈夾層模型。與傳統(tǒng)胸腹主動(dòng)脈置換術(shù)相比，可提前在三維模型模擬手術(shù)，明確手術(shù)步驟，減少吻合口及不必要的手術(shù)操作，從而縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中用血以及降低并發(fā)癥和病死率。而在腔內(nèi)治療中對(duì)支架長(zhǎng)短、內(nèi)徑及近端錨定區(qū)的選擇均有特殊要求。有了三維立體模型，術(shù)者可以在模型上尋找最佳的錨定區(qū)域，選擇合適的支架型號(hào)，甚至可以個(gè)體化制作適用于患者的支架，減少支架數(shù)量，減輕患者負(fù)擔(dān)，在正式實(shí)施手術(shù)時(shí)會(huì)更加得心應(yīng)手，減少造影劑使用劑量及造影時(shí)間，降低支架放置失敗的幾率。在本組患者的治療中，通過(guò)術(shù)前對(duì)快速成型模型的分析，確定了手術(shù)步驟，使得術(shù)前準(zhǔn)備更充分，提高了主動(dòng)脈夾層手術(shù)效率與精準(zhǔn)度，并能在腔內(nèi)治療中指導(dǎo)了支架近端的精準(zhǔn)錨定，取得了良好的療效，證明了快速成型技術(shù)輔助Standford A型主動(dòng)脈夾層診治是可行的。這與Biglino et al［15］的研究持共同觀點(diǎn)。但本組患者所選病例少，隨訪時(shí)間短，仍屬初步嘗試，存在一定局限性。

通過(guò)MIMICS 16.0軟件進(jìn)行三維重建，是基于CT掃描圖像完成，受限于CT圖像精度，且主動(dòng)脈直徑隨血流動(dòng)力學(xué)變化在不斷變化，CT圖像只能記錄某一時(shí)象直徑，基于CT圖像建模打印出來(lái)的模型只能反映這一時(shí)象主動(dòng)脈直徑。受限于快速成型機(jī)性能以及打印材料特性，打印后模型容易塌陷變形，所以打印時(shí)將模型血管厚度增加到1.5 mm，成型良好。獲得的模型也有較高的平滑性和精度，和術(shù)中的解剖部位獲得精準(zhǔn)對(duì)比，但造成了模型與實(shí)體血管壁厚度的差異。

綜上所述，對(duì)主動(dòng)脈夾層尤其是合并畸形的主動(dòng)脈夾層的治療應(yīng)該強(qiáng)調(diào)個(gè)體化原則。快速成型技術(shù)將過(guò)去“憑空想象”的主動(dòng)脈夾層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴偈挚傻谩钡闹庇^實(shí)物，在主動(dòng)脈夾層診斷、評(píng)估、手術(shù)方案的設(shè)計(jì)等方面始終貫穿個(gè)體化的原則和思想，為主動(dòng)脈夾層的治療提供了新思路。

［1］ Conzelmann LO，Weigang E，Mehlhorn U，et al.Mortality in pa-tients with acute aortic dissection type A：analysis of pre-and intraoperative risk factors from the German Registry for Acute Aortic Dissection Type A（GERAADA）［J］.Eur J Cardiothorac Surg，2015，48（4）：1-9.

［2］ Malkawi A H，Hinchliffe R J，Yates M，etal.Morphology of aortic arch pathology：implications for endovascular repair［J］.JEndovasc Ther，2010，17（4）：474-9.

［3］ 王利偉，殷信道，王紹娟，等.多層螺旋CT三維重建技術(shù)診斷急性主動(dòng)脈夾層的價(jià)值［J］.實(shí)用放射學(xué)雜志，2012，28（6）：856-9.

［4］ Fedorovich N E，Alblas J，Hennink W E，et al.Organ printing：the future of bone regeneration？［J］.Trends Biotechnol，2011，29（12）：601-6.

［5］ Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al.Prosthetically guided maxillofacial surgery：evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made bone plate in oncology patients aftermandibular reconstrucion［J］.Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-85.

［6］ You JH，Kang SG，Kim B M.A novelmeasurement technique for the design of fenestrated stent grafts：comparison with three-dimensional aortamodels［J］.Exp Clin Cardiol，2013，18（1）：48-52.

［7］ Zopf D A，Hollister S J，Nelson M E，et al.Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional printer［J］.N Engl JMed， 2013，368（21）：2043-5.

［8］ Visconti R P，Kasyanov V，Gentile C，et al.Towards organ printing：engineering an intra-organ branched vascular tree［J］.Expert Opin Biol Ther，2010，10（3）：409-20.

［9］ Gaetani R，Doevendans P A，Metz C H G，et al.Cardiac tissue engineering using tissue printing technology and human cardiac progenitor cells［J］.Biomaterials，2012，33（6）：1782-90.

［10］Derby B.Printing and prototyping of tissues and scaffolds［J］.Science，2012，338（6109）：921-6.

［11］Murphy S V，Atala A.3D bioprinting of tissues and organs［J］. Nat Biotechnol，2014，32（8）：773-85.

［12］陳鵬飛，嚴(yán)中亞，申運(yùn)華，等.快速成型技術(shù)制備仿生主動(dòng)脈弓模型的研究［J］.中華實(shí)驗(yàn)外科雜志，2015，32（2）：269-70.

［13］Yan Z Y，Shen Y H，Yan G，et al.A combined branched stent grafting technique to reconstruct totalaortic arch in the treatmentof Stanford A aortic dissection［J］.Ann Thorac Surg，2013，96（5）：1888-90.

［14］王曉天，胡何節(jié)，鄧福生，等.腔內(nèi)隔絕術(shù)在胸主動(dòng)脈夾層及主動(dòng)脈瘤中的應(yīng)用［J］.安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，48（9）：1127-9.

［15］Biglino G，Verschueren P，Zegels R，et al.Rapid prototyping compliant arterial phantoms for in vitro studies and device testing［J］.JCardiovasc Magn Reson，2013，15（2）：1-7.

App lication of rapid proto-typing technology in the treatment of Stand ford type a aortic dissection

Yang Xun，Yan Zhongya，Shen Yunhua
（Dept of Cardiac Surgery，Anhui Provincial Hospital Affiliated to Anhui Medical University，Hefei 230001）

To explore the feasibility of rapid proto-typing（RP）technology in the treatment of Standford type A aortic dissection.5 patients with Standford type A aortic dissection received computed tomography angiography（CTA）of their aortas.The CTA images were then processed by 3D reconstruction with MIMICS16.0 in order to create aortic dissectionmodels through RP technology based on real patient aorta size with a ratio of1∶1.According to thesemodels，the surgeonswere able to fully understand the aortic diseases of patients，thus establish individualized treatment strategies for each patient.Besides，the surgeons simulated operations on the models，which helped them achieve better results in real surgery.These patients experienced no post-operative complications and were discharged from hospitalwith recovery.In conclusion，RP technology can provide adequate preoperotive preparations for patientswith Standford type A aortic dissection，improve operation efficiency and accuracy in aortic dissection and guide precise proximal anchoring of stents during intracavitary therapy.

aorta；aneurysm；dissection；aortic diseases；3D printing；rapid prototyping technology

R 654.2

A

1000-1492（2016）05-0748-04

2016-01-18接收

安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：1301042198）

安徽醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院心臟外科，合肥 230001

楊 迅，男，碩士研究生；

嚴(yán)中亞，男，教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，責(zé)任作者，E-mail：yan20047@163.com