3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)性心臟病中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是以三維幾何模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過增加材料、逐層打印的方法來制造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)最初只應(yīng)用于航空航天、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的成熟，目前在生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。臨床上3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于骨科和口腔科，心血管系統(tǒng)解剖更為復(fù)雜，其在心血管疾病中的應(yīng)用剛剛起步。3D打印技術(shù)能精準(zhǔn)復(fù)制心臟模型，可在直視下全方位、各角度了解病變的解剖學(xué)特點(diǎn)。我們在術(shù)前為4例復(fù)雜心臟、大血管疾病患者打印心臟3D模型，通過對病變形態(tài)和位置的直觀判斷，設(shè)計(jì)手術(shù)方案，提高了復(fù)雜心臟手術(shù)的成功率。

1 對象與方法

1.1 病例資料

納入4例復(fù)雜心臟、大血管疾病患者。其中1例患者為65歲女性，心肌梗死后室間隔穿孔、心尖部室壁瘤形成；1例患者為78歲男性，心肌梗死后室間隔穿孔；1例患者為44歲男性，升主動脈瘤；1例患者為20歲女性，法洛四聯(lián)癥，升主動脈-肺總動脈分流術(shù)后。4例患者均行256層心臟增強(qiáng)CT掃描。

1.2 心臟三維模型的建立及打印

將心臟增強(qiáng)CT掃描數(shù)據(jù)保存為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)格式，導(dǎo)入三維圖像處理軟件Mimics，優(yōu)化圖像，減少呼吸、心跳產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)CT成像原理確定心臟造影劑、心肌及脂肪的閥值范圍并標(biāo)示。利用編輯功能分割出心臟、大血管，并精細(xì)分割心腔內(nèi)結(jié)構(gòu)如流出道、瓣膜、腱索和乳頭肌等復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)。導(dǎo)出3D打印機(jī)可以識別的STL格式文件并輸入3D 打印機(jī)，利用尼龍12進(jìn)行成型，制作出與實(shí)體1∶1大小的心臟三維模型。

2 結(jié)果

2.1 3D打印模型

上述4例3D打印模型均能準(zhǔn)確地顯示患者心臟、大血管病變，與超聲心動圖及CT圖像相符。第1例患者室間隔中段近心尖段可見迂曲、隧道樣穿孔，左室前壁及心尖部心肌梗死伴室壁瘤形成。第2例患者室間隔基底部心肌梗死伴局部室間隔穿孔。第3例患者升主動脈見瘤樣擴(kuò)張，大小約為4×3×2 cm。第4例患者符合先天性心臟病、法洛四聯(lián)癥、主肺動脈分流術(shù)后改變，可見患者升主動脈擴(kuò)張，雙側(cè)肺動脈主干明顯狹窄。見圖1～4。

注：A為心臟增強(qiáng)CT圖像；B為胸骨旁切面超聲心動圖圖像；C為室間隔穿孔及心尖部室壁瘤的心臟三維重建圖像；D為室間隔穿孔及室壁瘤3D打印模型；箭頭所指為室間隔穿孔部位

注：A為胸骨旁切面超聲心動圖圖像；B為室間隔穿孔三維重建圖像；C為室間隔穿孔的心臟三維重建圖像；D為室間隔穿孔3D打印模型；箭頭所指為室間隔穿孔部位

注：A為升主動脈瘤增強(qiáng)CT圖像；B為升主動脈瘤三維重建圖像；C為升主動脈瘤3D打印模型；箭頭所指為升主動脈瘤體

注：A為法洛四聯(lián)癥的心臟三維重建圖像；B為法洛四聯(lián)癥的心臟3D打印模型；箭頭所指部位為纖細(xì)肺動脈

2.2 手術(shù)結(jié)果

根據(jù)3D打印結(jié)果，考慮第1例患者室間隔穿孔迂曲，封堵困難，遂行體外循環(huán)下室間隔穿孔修補(bǔ)+室壁瘤切除術(shù)。術(shù)中見心尖部室壁瘤，大小約為5×5 cm，室間隔心尖部可見一處3 mm缺損。帶墊片褥式間斷縫合，縫閉室間隔穿孔。毛氈條夾閉室壁瘤。見圖5。

根據(jù)3D打印結(jié)果，考慮第2例患者室間隔穿孔行封堵術(shù)成功率較高。術(shù)中在食管超聲引導(dǎo)下，于房室溝下部心室側(cè)以4-0 prolene線縫一荷包，針頭穿刺后置入導(dǎo)絲，食管超聲引導(dǎo)下導(dǎo)絲自右心室經(jīng)室間隔穿孔進(jìn)入左心室面。導(dǎo)絲引導(dǎo)下置入鞘管，釋放封堵傘。食管超聲示封堵器位置可，少量殘余分流。見圖6。

根據(jù)3D打印結(jié)果為第3例患者定制了封堵器，術(shù)中打開心包后見患者升主動脈瘤樣擴(kuò)張，大小約為4×3×2 cm，于瘤壁縫一荷包，食管超聲引導(dǎo)下將封堵器釋放，食管超聲示封堵器位置可，未見殘余分流。見圖7。

注：A、B為室壁瘤大體觀箭頭所指為室壁瘤；C為室間隔穿孔術(shù)中所見，箭頭所指為室間隔穿孔處；D為室間隔穿孔術(shù)中食管超聲圖像

注：A為術(shù)中選擇穿刺點(diǎn)位置；B為室間隔穿孔術(shù)中食管超聲圖像，箭頭所指為室間隔穿孔處；C為室間隔穿孔封堵后術(shù)中食管超聲圖像，箭頭所指為封堵器形態(tài)

注：A為封堵器形態(tài)；B為升主動脈瘤封堵后術(shù)中食管超聲圖像，箭頭所指為封堵器形態(tài)；C為升主動脈瘤封堵術(shù)后CT三維重建圖像，箭頭所指為封堵后的升主動脈瘤

根據(jù)3D打印結(jié)果，考慮第4例患者肺動脈纖細(xì)，肺動脈瓣嚴(yán)重狹窄，遂手工縫制帶肺動脈瓣人工血管，將其吻合于右室流出道及左右肺動脈分叉前主肺動脈，同時術(shù)中縫閉原主動脈-肺動脈分流管道，修補(bǔ)室間隔缺損。見圖8。

注：A為術(shù)中縫制帶肺動脈瓣人工血管，箭頭所指為縫制的肺動脈瓣；B為帶瓣血管吻合后大體觀圖，箭頭所指為吻合后的帶瓣血管

3 討論

3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)90年代，由美國Zcorp公司開始了第一臺3D打印機(jī)的研發(fā)。3D打印享有“第三次工業(yè)革命”的盛名，目前正逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。通過影像學(xué)DICOM數(shù)據(jù)的三維重建，選取適合的材料進(jìn)行3D打印，可以將計(jì)算機(jī)構(gòu)建的數(shù)字化模型進(jìn)行實(shí)體化制作，得到病灶部位的等大模型。

在目前臨床上收集、保存心臟標(biāo)本十分困難的情況下，將心臟標(biāo)本通過3D打印的方法制作成完全一樣的心臟模型，可以供更多的臨床醫(yī)師學(xué)習(xí)。同時，3D打印制作出的個體化心臟模型，可以讓患者及家屬直觀地看到患者的疾病情況，從而達(dá)到良好的醫(yī)患溝通效果。

心臟的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)建其空間結(jié)構(gòu)需要很強(qiáng)的思維能力。目前CT、磁共振成像、超聲等檢查只能提供二維視圖，有時會導(dǎo)致醫(yī)師對心臟病變的判斷發(fā)生偏差，造成術(shù)中實(shí)際情況與術(shù)前判斷不符。3D打印能1∶1重建心臟模型，更直觀、形象地展示心血管解剖結(jié)構(gòu)，為確定患者的治療方案、評估手術(shù)難度等提供臨床依據(jù)。術(shù)者還可在模型上進(jìn)行模擬操作，提前預(yù)測手術(shù)效果。龐英等[2]采用3D打印技術(shù)為1例下腔型房間隔缺損患者打印心臟模型，并嘗試使用動脈導(dǎo)管未閉封堵器，最終手術(shù)成功，避免了行開胸手術(shù)和介入手術(shù)。劉坤等[3]采用3D打印技術(shù)為1例主動脈瓣重度狹窄并輕度關(guān)閉不全患者打印左心室和主動脈模型，指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置入術(shù)。目前，3D打印已應(yīng)用在以下結(jié)構(gòu)性心臟病中：房間隔缺損、室間隔缺損、復(fù)雜先天性心臟病、主動脈假性動脈瘤、主動脈夾層、左心室室壁瘤、瓣膜置換術(shù)后瓣周漏等[4-8]。

3D打印技術(shù)目前仍存在局限性，如精度受制于影像學(xué)檢查水平、原材料有限、成本較高、缺乏醫(yī)療器械法規(guī)及監(jiān)管體系等[1]。不同于骨科已經(jīng)能為患者打印個性化骨塊并植入體內(nèi)，3D打印技術(shù)在心血管領(lǐng)域中的應(yīng)用還僅僅局限于醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃以及模型制作等方面[9]。心血管領(lǐng)域的植入設(shè)備相對復(fù)雜，如心臟瓣膜要有良好的血流動力學(xué)性能，經(jīng)導(dǎo)管植入設(shè)備需可以壓縮，這導(dǎo)致3D打印技術(shù)在心血管領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大限制。

生物材料打印是3D打印技術(shù)日后的發(fā)展方向。用于3D打印的生物材料必須具備良好的組織相容性、可降解性以及組織活性等特點(diǎn)。目前能應(yīng)用于3D打印的生物材料不多，亟待更多新型可降解生物材料的研發(fā)。Hockaday等[10]利用含藻酸鹽的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝膠成功打印了3種大小的主動脈瓣膜，并且在支架內(nèi)埋植了豬主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞，培養(yǎng)21 d后間質(zhì)細(xì)胞存活率接近100%。Duan等[11]利用丙烯酸甲酯交聯(lián)透明質(zhì)酸和丙烯酸甲酯交聯(lián)明膠建立混合水凝膠支架，埋植人主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞后，成功打印三尖瓣瓣膜。未來有望利用3D打印技術(shù)，為患者定制特異性瓣膜、左心耳封堵器、血管分叉型支架和先天性心臟病封堵器等，并通過導(dǎo)管技術(shù)植入體內(nèi)。

總之，3D打印技術(shù)可以用于心臟外科術(shù)前診斷、手術(shù)模擬和疾病治療，為患者定制個性化、精確化的手術(shù)方案，從而減少手術(shù)時間，提高復(fù)雜手術(shù)的成功率。相信3D打印技術(shù)最終可以實(shí)現(xiàn)組織器官打印，提高心血管疾病的診療效果，為更多心血管疾病患者服務(wù)。