3D打印技術(shù)在Stanford B型主動脈夾層診治中的應(yīng)用進(jìn)展

趙晶斌 張小鵬 蘇成洋 周 棟

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院血管外科，蘭州 730000

主動脈夾層（aortic dissection, AD）是指各種原因造成的主動脈內(nèi)膜破裂，血液自破口進(jìn)入到血管內(nèi)膜和中膜之間，并撕裂蔓延形成假腔的一類疾病[1]，也是一種兇險的心血管疾病，病情發(fā)展快且死亡率高，在治療上困難且復(fù)雜。國外相關(guān)的統(tǒng)計資料顯示，主動脈夾層的發(fā)病率高達(dá)0.001%～0.0029%[2]，以中老年居多，男性高于女性，且呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。1970年，美國Stanford大學(xué)的Daily PO等[3]提出將主動脈夾層分為Stanford A型和Stanford B型。我國學(xué)者孫立忠采用孫氏分型法[4]將Stanford B型主動脈夾層細(xì)化分型：BC（Complex復(fù)雜）型和BS（Simple簡單）型。自從Dake MD等[5]在1994年首次報道應(yīng)用胸主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)（thoracic endovascular aortic repair, TEVAR）治療B型主動脈夾層以來，已成為目前治療B型主動脈夾層的主要手術(shù)方式。對于近端錨定區(qū)長度不足的BC型主動脈夾層患者，當(dāng)前重建左鎖骨下動脈（Left subclavian artery, LSA）的手術(shù)方式主要包括以下幾種：⑴雜交手術(shù)；⑵煙囪技術(shù)；⑶分支支架技術(shù)；⑷三明治技術(shù)；⑸開窗技術(shù)，包括原位開窗和體外開窗技術(shù)。3D（3-dimensional, 3D）打印技術(shù)也稱為快速成型技術(shù)（rapid prototyping, RP），主要是以CT（computed tomography, CT） 和 MRI（magnetic resonance imaging, MRI）掃描獲得的數(shù)據(jù)或計算機(jī)輔助設(shè)計的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過將各種材料逐層打印的方式來制造物體的技術(shù)[6]；3D打印的常規(guī)步驟包括圖像獲取、數(shù)據(jù)設(shè)計、材料選擇、細(xì)胞選擇、生物打印與應(yīng)用[7]?，F(xiàn)將3D打印技術(shù)在Stanford B型主動脈夾層診治中應(yīng)用綜述如下。

1 3D打印技術(shù)的分類

1.1 熔融沉積成型

熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)[8-9]也稱為擠出成型，其工藝特點(diǎn)是原材料為ABS工程塑料、PLA聚乳酸等線性材料，該成型工藝尺寸的精度較高，可達(dá)0.1 mm，成型后的模型表面光滑、質(zhì)量較好、易于裝配，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件；并且在打印過程具有清潔、干凈、無毒無害，和原材料利用率高、費(fèi)用較低，還有在產(chǎn)生過程中產(chǎn)生的垃圾較少。其缺點(diǎn)是精度相對較低，成型懸空結(jié)構(gòu)時需要大量支撐材料，難以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，成形速度相對較慢，不適合構(gòu)建大型部件。

1.2 激光光固化

激光光固化(stereolithography apparatus, SLA)工藝也稱光造型或立體光刻[10-11]，是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。其特點(diǎn)是成型精度和光潔度較高，固化速度快，適合制作精密的部件或模型；缺點(diǎn)是模型成型的尺寸偏小，制作過程中可有少量低毒物質(zhì)揮發(fā)，并且其材料比較脆，對后期處理上有影像，還有設(shè)備及運(yùn)行成本較高，對操作人員要求較高。

1.3 投影式三維打印

投影式三維打?。╠igital light processing, DLP）工藝的原理是利用直接照燈成型技術(shù)（DLPR）把光敏樹脂固化成型，與SLA基本相似。DLP每次可固化成型一個打印平面的光敏樹脂，而SLA是利用高能激光，每次固化成型一個光點(diǎn)，因此DLP打印比SLA打印的速度快很多[12]，使得打印模型的時間大大的縮短，減少了等待的時間。

1.4 投影式三維打印

造擇性激光粉末燒結(jié)(se1ected laser sintering, SLS)[13-15]，其采用C02激光器作為能源，將包括尼龍粉、塑料粉和金屬粉的各種粉未原材料進(jìn)行燒結(jié)。SLS技術(shù)既能歸入快速成型的范疇，也能歸入快速制造的范疇，因?yàn)镾LS技術(shù)可以直接快速的制造最終產(chǎn)品，這是其最大的特點(diǎn)。

1.5 電子束熔化成型

電子束熔化成型(electron-beam melting, EBM)[16]，其原理是采用高能高速的電子束去轟擊金屬粉末，使得粉末原材料熔化成型，最大特點(diǎn)是成型過程是在真空環(huán)境狀態(tài)下進(jìn)行，不受外界的環(huán)境干擾，使得成型件清潔度高，組織非常致密，有很好的力學(xué)性能，因此臨床上采用的可植入體內(nèi)的3D打印金屬假體就是用此技術(shù)加工的。

2 精準(zhǔn)醫(yī)療及其優(yōu)點(diǎn)

精準(zhǔn)醫(yī)療（precision medical）是近些年來發(fā)展起來的一種新型醫(yī)學(xué)概念與醫(yī)療模式，即在當(dāng)代醫(yī)療資源共享背景下的數(shù)字化時代，為了實(shí)現(xiàn)個體化治療的目的，就必須以患者為圓心，在恰當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)，制定精準(zhǔn)、及時的治療方案。因患者對現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)有著微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化的需求，這也成為了未來醫(yī)療技術(shù)發(fā)展的使命[17]。3D打印技術(shù)具有個性化、針對性和遠(yuǎn)程性的特點(diǎn)，這也是精準(zhǔn)醫(yī)療的具體表現(xiàn)形式之一[18]；因精準(zhǔn)醫(yī)療具有精準(zhǔn)化、個性化、定制化等優(yōu)勢[17]，要實(shí)現(xiàn)具體的精準(zhǔn)醫(yī)療，應(yīng)做到多學(xué)科融合、信息整合和新技術(shù)的開發(fā)運(yùn)用，還必須有可靠的醫(yī)療投入[19]。

3D打印技術(shù)存在著一定的局限性[18]：⑴3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)是影像學(xué)的水平，通過影像學(xué)參數(shù)的設(shè)置以提高對微小結(jié)構(gòu)打印的精準(zhǔn)度；⑵從事計算機(jī)后處理技術(shù)臨床醫(yī)師不僅需要豐富的基礎(chǔ)解剖知識，且需要對疾病有全面的認(rèn)識，還需要熟練掌握計算機(jī)軟件的操作；⑶3D打印對原材料的要求較高，且目前能夠運(yùn)用在心血管模型的原材料有限，因此在材料學(xué)方面的研發(fā)同樣重要；⑷由于3D打印成本較高，會增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；⑸目前3D打印的心肌及大血管壁在細(xì)節(jié)方面尚欠佳，且處于起步階段[20]。

3 3D打印技術(shù)在Stanford B型主動脈夾層診療中的應(yīng)用

3D打印以其在數(shù)字、分層、堆積、直接、快速制造的獨(dú)特優(yōu)越性[21]，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，尤其為心血管疾病的精準(zhǔn)醫(yī)療帶來了新的希望[17]。

Schmauss D等[22]術(shù)前運(yùn)用3D打印技術(shù)顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)越性，通過打印出的3D模型不但能清晰的觀察到精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)及病變部位，且術(shù)前可進(jìn)行手術(shù)的模擬，在具體手術(shù)實(shí)施時可提供巨大幫助。在B型主動脈夾層的診療中，運(yùn)用患者術(shù)前CT血管造影（computed tomography angiography, CTA）或磁共振血管造影（magnetic resonance angiography, MRA）的DICOM格式的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行等比例的3D模型打??；3D打印技術(shù)的發(fā)展，不僅為體外開窗技術(shù)的術(shù)前測量提供了一個直觀和有形的3D模型，而且其優(yōu)于屏幕上重建的三維圖像[23]；通過CTA或MRA等影像學(xué)數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以了解患者不同掃描層面的病變情況，根據(jù)三維重建影像，綜合運(yùn)用自己多年積累的解剖學(xué)知識，通過在大腦中的空間想象，構(gòu)建出一個立體的“三維模型”，這也是一個對二維斷層影像進(jìn)行三維重建的再加工重建的過程，十分依賴于醫(yī)師基礎(chǔ)解剖知識和空間想象能力，而對那些存在變異或復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，即便擁有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師都很難想象出其空間結(jié)構(gòu)；而通過3D打印模型可以清楚的觀察到主動脈內(nèi)部夾層真假腔間的關(guān)系，真假腔大小，夾層破口位置及大小，破口與主動脈各分支血管之間的位置關(guān)系，對解剖關(guān)系進(jìn)一步熟悉，在術(shù)前能更加準(zhǔn)確對B型主動脈夾層進(jìn)行細(xì)化分型，更能精確的制定手術(shù)方案，以降低術(shù)中手術(shù)方案的變更率；也可以通過3D打印模型在術(shù)前更直觀的指導(dǎo)選擇TEVAR主動脈覆膜支架的型號、支架開窗的位置、支架釋放位置。3D打印給外科醫(yī)生帶來的不僅是病變的真實(shí)展現(xiàn)，而且在手術(shù)方式的選擇和術(shù)中指導(dǎo)上帶來了福音；其不僅在提高手術(shù)效率方面，還在給患者帶來了最大化的治療效果和最小化的傷害方面都有一定的積極意義[19]。

目前國內(nèi)已有中心報道利用3D打印技術(shù)輔助進(jìn)行體外開窗的案例，解決B型伴有近端不良錨定區(qū)的主動脈夾層時需要封閉左鎖骨下動脈的問題[24-25]。該手術(shù)的難點(diǎn)在于開窗孔位置的選擇，單純憑借CTA提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行體外開窗，會出現(xiàn)測量不精確，繼而在對位上出現(xiàn)一系列問題，導(dǎo)致手術(shù)的失敗，為了解決對位不準(zhǔn)的問題，以前進(jìn)行的體外開窗手術(shù)往往開窗孔徑比左鎖骨下動脈開口直徑大很多，導(dǎo)致術(shù)中及術(shù)后出現(xiàn)內(nèi)漏等一系列問題，這也是TEVAR左鎖骨下體外開窗技術(shù)難以開展的最大障礙。

有了3D打印模型的輔助，使得開窗技術(shù)可以更加完美實(shí)施，尤其是體外開窗技術(shù)，極大的擴(kuò)展了B型主動脈夾層腔內(nèi)治療的適應(yīng)癥，包括在行雜交手術(shù)時造成的頸部開放性切口，術(shù)后有出現(xiàn)脂肪液化或者切口感染的可能性，且術(shù)后疤痕較大，影響美觀，以及在減少手術(shù)和麻醉時間，使高齡患者能耐受手術(shù)的可能等各方面問題；也在治療的同時兼顧患者微創(chuàng)、美觀方面的需求，則凸顯了3D打印模型的直觀、立體、可視、可觸方面的優(yōu)越性，達(dá)到精準(zhǔn)醫(yī)療的目的。然而，有研究發(fā)現(xiàn)，3D打印模型與術(shù)前CTA測量各血管直徑的結(jié)果相比，有超出標(biāo)準(zhǔn)差1 mm的差異，表明仍需要進(jìn)一步提高3D模型打印的精確度[26-27]。

3D模型打印所需的時間也限制了其對病例是有所選擇的，使其不適用于急診手術(shù)的患者。通過等比例打印的3D模型，在臨床醫(yī)師診療過程中扮演著越來越重要的角色，有助于臨床醫(yī)師和患者家屬之間的溝通，指導(dǎo)術(shù)前制定更加具體、個體化的手術(shù)方案，可以在體外模擬手術(shù)過程，減少醫(yī)師手術(shù)時間、輻射劑量[28]，還可以最大限度的降低內(nèi)漏的發(fā)生率和逆撕為A型夾層的發(fā)生風(fēng)險，提高手術(shù)成功率，更加符合精準(zhǔn)治療的需求。

4 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)生教學(xué)及初級醫(yī)師培養(yǎng)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)生教學(xué)及初級醫(yī)師培養(yǎng)中扮演著越來越重要的角色。3D打印技術(shù)的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)的解剖學(xué)習(xí)環(huán)境污染、解剖結(jié)構(gòu)變異、具體結(jié)果顯示不清等問題，能夠很好的還原解剖，同時對于各種變異也可以根據(jù)需要進(jìn)行打印。英國阿爾斯特大學(xué)Joerg Wulf等[29]通過SkyScan 1172顯微CT掃描儀，進(jìn)行人小骨樣本（錘骨、砧骨、鐙骨）的微觀成像，利用3D打印技術(shù)制作出放大20倍的小骨解剖模型用于臨床解剖教學(xué)，幫助學(xué)生更加直觀的理解復(fù)雜的解剖，取得了很好的效果。Mcmenamin PG等[30]利用3D打印技術(shù)建立了各種解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)資源，并指出了過去尸體解剖中的各種不足和3D打印解剖模型的技術(shù)優(yōu)勢，即個性化的解剖復(fù)制、根據(jù)需要選擇大小規(guī)模、全世界通用，從而避免了一些文化和道德問題，很好的實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源共享。

同時3D打印模型可以作為各種臨床操作及手術(shù)技術(shù)的訓(xùn)練工具，在醫(yī)學(xué)的臨床教學(xué)和訓(xùn)練中發(fā)揮作用。Bagariaa V等[31]指出3D打印模型能夠成為年輕醫(yī)師學(xué)習(xí)復(fù)雜手術(shù)的重要工具，同時各種類型的模型能夠提供給學(xué)生一個更好的理解疾病解剖和分類的機(jī)會。第二軍醫(yī)大學(xué)的袁良喜等[32]通過應(yīng)用3D打印的主動脈病理模型及3D打印的血管腔內(nèi)移植物模擬主動脈的腔內(nèi)手術(shù)，將血管外科學(xué)習(xí)的住院醫(yī)師分為實(shí)驗(yàn)組和對照組進(jìn)行教學(xué)研究，實(shí)驗(yàn)組為3D打印輔助教學(xué)組，對照組進(jìn)行傳統(tǒng)方法教學(xué)，發(fā)現(xiàn)3D打印輔助教學(xué)組的學(xué)生在對血管系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)、主動脈疾病特征以及對腔內(nèi)手術(shù)器具和過程的了解，對學(xué)習(xí)的主動性和自信心方面等均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組；基于3D打印解剖模型的直觀性，在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有利于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生、醫(yī)師形成良好的思維方式，提高了教學(xué)質(zhì)量，然而，3D打印模型通常比較脆弱，不太適合在大班教學(xué)課堂上進(jìn)行實(shí)際操作練習(xí)?？梢哉f3D打印模型為臨床的教學(xué)和訓(xùn)練提供了一種全新的模式。