3D打印技術(shù)在先天性心臟病診斷和介入治療中的研究進展

李墨琦 金 梅

3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)(additive manufacturing, AM)，是指基于數(shù)字模型，根據(jù)離散、堆積的原理，將可黏合材料分層加工、疊加成型來構(gòu)造實物模型的技術(shù)[1]。由于其能夠精確的反映解剖結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于骨科，頜面外科，口腔科[2-3]。自1988年,Laschinger等[4]首次應(yīng)用心臟核磁數(shù)據(jù)制作先天性心臟病(congenital heart disease, CHD)患者的3D心臟模型開始，3D打印技術(shù)就越來越多的應(yīng)用于心血管領(lǐng)域，特別是在CHD診斷和介入治療中逐步應(yīng)用并取得了一定效果。

1.3D打印技術(shù)在先天性心臟病診斷中的應(yīng)用

目前，CHD的診斷主要以2D成像為主，包括超聲心動圖，胸X線片，CT，心臟磁共振及心血管造影。隨著技術(shù)的進步，以超聲心動圖、CT和MRI為數(shù)據(jù)源的3D打印技術(shù)在CHD臨床診斷工作中得到了一定的開展。Olivieri等[5]以9例室間隔缺損(ventricular septal defect, VSD)的三維超聲心動圖為數(shù)據(jù)來源，進行3D打印制作模型，將3D打印模型的VSD大小與二維超聲心動圖測量的VSD大小做對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒有顯著差異，并且3D打印模型的精度<1mm。為了得到更精準(zhǔn)的3D圖像，也可進行多種數(shù)據(jù)源融合成像，為介入手術(shù)提供更可靠更全面的解剖學(xué)信息。

2.3D虛擬成像的臨床應(yīng)用

3D打印步驟包括：①獲取心臟MRI、CT或超聲心動圖的原始數(shù)據(jù)圖像；②使用軟件對原始圖像數(shù)據(jù)進行選取和處理，最終生成STL格式文件；③將STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機制作3D打印模型。軟件處理后的3D虛擬模型也可以直觀的展示心臟結(jié)構(gòu)，F(xiàn)arooqi等[6]運用Mimics軟件對6例右心室雙出口患者的核磁成像數(shù)據(jù)進行處理，生成STL文件后分別用Meshlab和3-matic軟件進行閱覽和測量，輔助術(shù)者了解心臟解剖結(jié)構(gòu)，制定手術(shù)計劃。Dydynski等[7]以CT為數(shù)據(jù)源對5例右心室雙出口的患者心臟進行了3D重建，明確了大血管關(guān)系及室間隔缺損的位置毗鄰，并按照3D虛擬模型的解剖形態(tài)優(yōu)化了手術(shù)方案。

3.3D打印技術(shù)在先天性心臟病介入治療中的應(yīng)用

(1)3D打印技術(shù)在VSD介入治療中的應(yīng)用 VSD的封堵一直是VSD封堵治療中的難點。由于心室收縮運動和肌小梁的遮擋，肌部VSD開口難以滿意暴露；并且通常呈左室面觀為大缺損，右心室面觀為小缺損或多個小孔的“奶酪”型缺損，需要行逆向法安放封堵器；膜周部VSD的封堵更容易出現(xiàn)術(shù)中出血、心臟穿孔、術(shù)后心律失常等并發(fā)癥，對技術(shù)要求較高。應(yīng)用3D打印技術(shù)制作肌部VSD的心臟模型可以用來模擬手術(shù)過程，降低并發(fā)癥的發(fā)生率。2008年Kim等[6]報道一例以CT血管造影為數(shù)據(jù)源，運用3D打印技術(shù)制作模型輔助封堵14mm×12mm的中下間隔肌部VSD。Kim等根據(jù)缺損模型確定12mm的Amplazer封堵器不會影響主動脈瓣、二尖瓣和三尖瓣的功能，并且模擬了不同型號導(dǎo)管經(jīng)上腔靜脈、下腔靜脈和主動脈通過VSD的軌線建立方案。最終決定采用JR-4導(dǎo)管通過主動脈逆行建立軌線，再經(jīng)右側(cè)頸內(nèi)靜脈進行封堵器的安放。通過模型確定的通過VSD的最佳方案保證最大程度利用JR-4導(dǎo)管兩個彎度，同時使遞送過程中導(dǎo)管折曲角度最小，減小了導(dǎo)管遞送的難度。2017年Bhatla等[7]對一例7歲復(fù)雜先心病進行研究，患兒先后進行過多次手術(shù)及封堵，殘余心尖部肌部VSD用2種不同型號封堵器試封堵失敗，殘余分流仍然存在。超聲檢查顯示存在一個心尖部肌部VSD，為了能更直觀的了解患者VSD的空間結(jié)構(gòu)，術(shù)者以CT血管造影為數(shù)據(jù)源，用3D打印技術(shù)構(gòu)建包括封堵器在內(nèi)的心臟室間隔結(jié)構(gòu)模型，模型顯示心尖部為一結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多個肌部VSD。術(shù)者用模型輔助制定手術(shù)方案，避開由封堵器、室間隔和心尖左側(cè)壁形成的管道型殘余漏并且分別放置4個Amplatzer II型血管封堵器和1個Amplatzer 肌部室缺封堵器進行肌部室缺的封堵，術(shù)后僅有細小殘余分流，患者肺血明顯減少。

Bhatla等[7]也報道了一例通過3D打印模型明確缺損情況后改為外科手術(shù)治療的病例?；颊?歲6個月，心尖部及前間隔肌部多發(fā)室缺，封堵難度較大，術(shù)前以CT為數(shù)據(jù)源制作3D打印模型后發(fā)現(xiàn)缺損周圍肌小梁較多不適宜介入治療，最終改變方案行外科手術(shù)治療。

(2)3D打印技術(shù)在房間隔缺損(atrial septal defect, ASD)介入治療中的應(yīng)用 封堵器的精確釋放是介入手術(shù)成功的關(guān)鍵。2008年Kim等[6]在3D打印技術(shù)的幫助下，對1例50歲27mm×24mm房間隔膨脹瘤伴多孔型房缺和卵圓孔未閉的女性患者進行了封堵手術(shù)。Kim等對患者行CT血管造影并制作3D打印模型，模型直觀的展示了房間隔膨脹瘤及多孔型房缺的數(shù)量、大小及位置關(guān)系，模擬封堵后顯示采用35mm的Amplatzer Cribriform封堵器通過位于中央的房缺進行封堵可以達到良好的封堵效果。

3D打印模型不僅可以幫助術(shù)前封堵方案的制定，而且可以更直觀的展示術(shù)后封堵器的位置及其與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，有助于術(shù)者評估封堵效果，預(yù)測患者遠期預(yù)后。2016年Bartal等[8]對1例患有16mm繼發(fā)孔型ASD的48歲男性進行了內(nèi)科介入封堵手術(shù)，術(shù)中決定采用17 mm Amplatzer封堵器進行封堵，封堵器安放后行心腔內(nèi)超聲顯示封堵傘釋放良好，但左房傘與主動脈壁及左房頂部相接觸?？紤]封堵器左房傘展開后為31mm，可能會對ASD周圍的結(jié)構(gòu)造成影響，所以術(shù)后第二天行增強CT檢查，并用其數(shù)據(jù)制作患者術(shù)后心室舒張末期3D打印模型，模擬封堵器置入情況，證實封堵器位置形態(tài)良好。

目前，國內(nèi)也相繼出現(xiàn)3D打印應(yīng)用于特殊類型ASD介入治療中的報道。楊帆等[9]應(yīng)用3D打印技術(shù)制作了1例下腔型ASD患者的心臟模型， 模擬封堵后發(fā)現(xiàn) ASD封堵器封堵效果欠佳，最終采用了動脈導(dǎo)管封堵器使手術(shù)獲得了成功。2016年羅鴻幸等[10]對2例非?？拷鲃用}及上腔靜脈的ASD進行了封堵，為了確保手術(shù)順利進行，術(shù)前通過心臟雙源CT數(shù)據(jù)進行軟件處理，在3D打印制作的心臟模型上模擬手術(shù)，確定封堵傘的尺寸，封堵成功且傘形態(tài)位置良好。多孔型ASD由于缺損位置、間距、大小的差異性很大，給介入手術(shù)方案的制定帶來了很大的困難，存在封堵后殘余分流，多個封堵器封堵穩(wěn)定性不佳、內(nèi)皮化困難等問題。2017年邱旭等[11]篩選21例多孔型ASD，依據(jù)其超聲心動圖和CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造心臟模型，進行體外封堵測試確定介入治療方案，最終封堵術(shù)后效果良好。這些病例報道均根據(jù)患者心臟解剖結(jié)構(gòu)制定個體化手術(shù)方案，拓寬了指南推薦的介入適應(yīng)癥，為介入手術(shù)的精準(zhǔn)化提供了新的思路。

(3)3D打印技術(shù)在主動脈縮窄介入治療中的應(yīng)用 主動脈縮窄的介入治療技術(shù)難度大，容易發(fā)生支架移位、栓塞等并發(fā)癥[12]。2016年Nalini等[13]成功對1例19歲的主動脈弓縮窄并假性動脈瘤的患兒行二次主動脈弓支架置入手術(shù)?；颊?2歲時行主動脈弓縮窄支架置入術(shù)，7年后再次發(fā)生縮窄，行心導(dǎo)管檢查示主動脈于支架中部環(huán)形斷裂處縮窄，左鎖骨下動脈分叉處可見一假性動脈瘤。若對患者行二次支架置入手術(shù)則覆膜支架在覆蓋假性動脈瘤的同時也有覆蓋左鎖骨下動脈開口的風(fēng)險。Nalini等通過在3D打印模型上模擬手術(shù)，證實了覆膜支架會同時覆蓋左鎖骨下動脈開口并重新制定了手術(shù)方案， 即置入支架后利用左側(cè)橈動脈通道將導(dǎo)絲堅硬的末端在覆膜支架上穿孔，再運用一系列球囊血管成形術(shù)將支架上的孔洞擴大，通暢左鎖骨下動脈。術(shù)后血管造影顯示主動脈弓支架無明顯位移和殘余狹窄，升主動脈與降主動脈無明顯壓差，患者于第二天出院。3D打印技術(shù)幫助術(shù)者預(yù)測了手術(shù)過程中發(fā)生的問題。術(shù)者及時調(diào)整手術(shù)方案，使介入手術(shù)更加安全，通過縮短手術(shù)時間降低了術(shù)中放射線和造影劑的用量。

(4)3D打印在特殊病例封堵中的應(yīng)用 主動脈竇瘤是一種先天性心血管畸形，占CHD的1.2%～1.6%。由于主動脈竇瘤血管壁彈力纖維和(或)肌性組織的缺失，在主動脈壓力驟然升高時，竇瘤可破裂引發(fā)一系列血流動力學(xué)改變[14]。2014年，楊延坤等[15]報道了1例3D打印輔助下封堵主動脈竇瘤破裂的病例。患者為21歲女性，曾開胸行VSD修補術(shù)，此次要求介入治療。為了解破口的位置、大小及空間解剖結(jié)構(gòu)，術(shù)前利用患者CTA檢查數(shù)據(jù)制作心臟模型并進行試封堵。手術(shù)過程順利，術(shù)后封堵器位置良好，無明顯主動脈瓣返流。3D打印技術(shù)直觀的顯示了主動脈竇瘤的位置及大小，指導(dǎo)了手術(shù)的操作及器材的選擇。

目前普遍認(rèn)為法洛四聯(lián)癥矯治術(shù)時進行的跨環(huán)補片(transannular patch，TAP)是導(dǎo)致肺動脈瓣反流的重要原因，同時由于TAP使右心室流出道增寬、形態(tài)不規(guī)則，通常不適合進行經(jīng)皮肺動脈瓣置換術(shù)(percutaneous pulmonary valve implantation, PPVI)。2016年P(guān)hillips等人[16]對8例TAP術(shù)后右心室流出道擴大不適合行PPVI的患者進行鑲嵌治療。術(shù)前以MRI及CT為數(shù)據(jù)源制作心臟模型，制定手術(shù)方案。右心室流出道內(nèi)徑為24～26mm時，在瓣膜置入位置放置一個預(yù)支架；當(dāng)最狹窄處內(nèi)徑>26mm時需要在預(yù)支架旁同時放置1個或多個覆膜支架，再對覆膜支架進行封堵。8例手術(shù)均獲得成功，術(shù)后僅有微量瓣周殘余分流，為制定PPVI手術(shù)方案提供了參考。同一年，Valverde等[17]首次報道了一例法洛四聯(lián)癥矯治術(shù)后因右心室流出道及右心室擴大行“雙支架”PPVI的病例?；颊哂倚氖伊鞒龅罏?6mm，通過在3D打印技術(shù)制作的模型上模擬手術(shù)，決定對患者行“雙支架”PPVI，即放置長度為48mm的 XL-Andtrastent支架和長度為24mm的 Palmaz-Genesis支架，將Melody 瓣膜置入Andtrastent支架，再用長為16mm的Amplatzer Vascular Plug II封堵器對Palmaz-Genesis支架進行封堵，術(shù)后血管造影顯示支架間及封堵器周圍無殘余分流，造影和經(jīng)食管超聲顯示置入瓣膜功能良好。3D打印不僅有助于制定個性化手術(shù)方案，而且拓寬了手術(shù)指征。

(5)局限 雖然3D打印可以提高介入手術(shù)效果，但也存在一些局限。3D打印需要對原始影像學(xué)數(shù)據(jù)進行選擇與提取等多級處理，每一步后處理都會使最終得到的模型與原始數(shù)據(jù)的差別增大，降低3D打印的精度[18]，從而影響術(shù)者對心臟細小解剖結(jié)構(gòu)的把握；其次，對患者心臟進行模型重建及3D打印，需要考慮到心臟的動態(tài)改變，以更好的對患者心臟進行評估；此外，3D打印技術(shù)還依賴于計算機后處理技術(shù)的應(yīng)用，從事后處理技術(shù)的醫(yī)生不僅要對心血管解剖及疾病有足夠的認(rèn)識，還要熟練地應(yīng)用相關(guān)計算機處理軟件。3D打印耗時長，打印成本高，對材料的要求也較高，在心血管領(lǐng)域的應(yīng)用仍需進一步的研究。

4.小結(jié)和展望

利用3D打印技術(shù)，術(shù)者可以利用模型精確定位心血管畸形的解剖位置及毗鄰，選擇合適的封堵器械，模擬手術(shù)過程，優(yōu)化手術(shù)方案，降低手術(shù)風(fēng)險，有望取得個體化的精準(zhǔn)治療。此外，3D打印技術(shù)的應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向仿造人體器官及組織，但此類研究仍處于初期。2015年，Mahmood等[19]通過經(jīng)食管心臟超聲得到人二尖瓣影像學(xué)數(shù)據(jù)，再利用3D打印技術(shù)分別制作出正常二尖瓣、二尖瓣關(guān)閉不全、二尖瓣狹窄在收縮期的實體模型，對瓣膜修復(fù)手術(shù)及人工瓣膜的制作提供了參考。Fukunishi等[20]依據(jù)綿羊下腔靜脈的影像學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作了一段靜電紡絲芯棒，將靜電紡絲纖維圍繞芯棒制成的人工下腔靜脈移植到綿羊體內(nèi)，術(shù)后移植血管通暢，無血管瘤形成。雖然3D打印技術(shù)在CHD中的應(yīng)用尚屬起步階段，但隨著影像學(xué)的進步和材料學(xué)的發(fā)展，今后有望制造出置入人體的心臟血管、瓣膜等結(jié)構(gòu)，這將對先天性心臟疾病的治療及手術(shù)器材的研發(fā)帶來新的突破。