計(jì)算機(jī)輔助個(gè)性化3D打印在治療主動(dòng)脈夾層中的應(yīng)用研究

李輝 李娟 王東 劉麗珍 陳李鵬 左越 韓相鋒 王振東 薛虎

主動(dòng)脈夾層是一類嚴(yán)重危及人類生命的疾?。?］。隨著現(xiàn)代診療技術(shù)的提高以及對主動(dòng)脈夾層研究的不斷深入，主動(dòng)脈夾層的診斷率有了顯著的提高，許多患者能夠被及時(shí)診治，一旦確診，患者應(yīng)盡早手術(shù)治療。手術(shù)方式根據(jù)分型可分為孫氏手術(shù)、Bentall手術(shù)以及主動(dòng)脈腔內(nèi)隔絕術(shù)［2-3］。由于主動(dòng)脈夾層破口位置的不固定，往往給手術(shù)方案的制訂帶來困難，隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，早期在骨科及頜面外科多有應(yīng)用［4］，近年來逐漸在血管外科領(lǐng)域得到廣泛推廣，與過去CT平面三維重建相比，更具有直觀性和精準(zhǔn)性。 3D打印模型可以真實(shí)還原病變的血管，全方位觀察病變部位形態(tài)，對手術(shù)方案制定、術(shù)中情況判斷，特別是支架大小的選擇都有不可或缺的作用。本研究回顧性分析臨汾市人民醫(yī)院心臟大血管外科在2017年1月至2018年3月手術(shù)治療的主動(dòng)脈夾層患者資料。所有患者術(shù)前均行主動(dòng)脈3D打印，術(shù)后定期隨訪，綜合評估在3D打印輔助下治療主動(dòng)脈夾層的療效。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2017年1月至2018年3月在臨汾市人民醫(yī)院診斷為主動(dòng)脈夾層患者20例，均行手術(shù)治療，術(shù)前以及術(shù)后均行主動(dòng)脈CT血管造影（computed tomography angiography，CTA）檢查以及三維重建，并對三維重建模型進(jìn)行3D實(shí)體打印。診斷標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］對主動(dòng)脈夾層進(jìn)行診斷。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合參考文獻(xiàn)［5］患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）不符合參考文獻(xiàn)［5］患者 ；（2）自身免疫性疾?。唬?）大動(dòng)脈炎；（4）馬凡綜合征。

1.2 三維建模和3D打印

建模軟件：Mimics 17.0（瑪瑞斯公司，比利時(shí)）， Geomagic Studio 2013（模型優(yōu)化，并建立NURBS曲面，Geomgic公司，美國）。CT圖像獲?。▓D1）和3D模型打印。CT為德國西門子64排螺旋CT。經(jīng)肘靜脈注射對比劑優(yōu)維顯370，注射流速5 ml／s，總量85 ml，掃描層厚0.5 mm，重建層厚0.5 mm，輸出DICOM格式原始數(shù)據(jù)文件。導(dǎo)入建模軟件（Mimics17.0）建立初步三維模型（圖2）， 再使用Geomagic Studio 2013軟件，優(yōu)化模型，并建立NURBS曲面。完成主動(dòng)脈夾層三維模型的建立，并對該模型進(jìn)行3D實(shí)體打?。▓D3）。

1.3 手術(shù)方式

患者進(jìn)入導(dǎo)管室給予肝素8000 U，經(jīng)右側(cè)股動(dòng)脈穿刺，預(yù)留兩把股動(dòng)脈縫合器，插6 F股動(dòng)脈鞘管，過程順利。經(jīng)鞘管送入泥鰍導(dǎo)絲及5 F豬尾導(dǎo)管，X線下可見泥鰍導(dǎo)絲及豬尾導(dǎo)管到達(dá)升主動(dòng)脈根部，越過主動(dòng)脈夾層位置，以15 ml流量，25 ml總量，600 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）壓力注射對比劑顯示動(dòng)脈夾層破口位置，對比劑自主動(dòng)脈破口向夾層內(nèi)分流，退出豬尾導(dǎo)管，送入黃金標(biāo)導(dǎo)管，造影測量主動(dòng)脈直徑，退出泥鰍導(dǎo)絲，沿導(dǎo)管送入加硬導(dǎo)絲，退出黃金標(biāo)導(dǎo)管，自右股動(dòng)脈側(cè)沿導(dǎo)絲送入支架，越過主動(dòng)脈破口部位，根據(jù)造影定位回抽，逐漸釋放人工血管支架，鉚定于主動(dòng)脈內(nèi)，過程順利，再次造影未見分流，封堵良好，支架遠(yuǎn)端主動(dòng)脈真腔擴(kuò)開，假腔閉塞（圖4）。術(shù)后用紗布按壓股動(dòng)脈及橈動(dòng)脈穿刺處15 min，給予彈力繃帶加壓包扎。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。術(shù)前模型測量及術(shù)中主動(dòng)脈造影各項(xiàng)指標(biāo)測量（包括真腔直徑、假腔直徑、病變長度、破口距頭臂干距離）、術(shù)前及術(shù)后真腔不同水平的直徑（近端破口水平、氣管分叉水平、腹腔干水平、腎動(dòng)脈水平）均為計(jì)量資料以（±s）表示。左鎖骨累及為計(jì)數(shù)資料以例（比）表示。計(jì)量資料進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料進(jìn)行卡方檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 患者治療情況

共收集3D打印主動(dòng)脈夾層模型患者20例，其中男14例，女6例，年齡25～58（37.2±8.2）歲，平均37.2歲，發(fā)病時(shí)間（3.54±2.70）d；既往高血壓病史18例（男13例、女5例），糖尿病史8例（男5例、女3例），高脂血癥病史16例（男12例、女4例）。Stanford分型A型7例（7/20），B型13例（13/20）；DeBakey分型Ⅰ型6例（6/20），Ⅱ型1例（1/20），Ⅲ型13例（13/20）。

20例患者中接受孫氏手術(shù)治療患者6例，接受Bentall手術(shù)治療患者1例，接受主動(dòng)脈腔內(nèi)隔絕術(shù)治療患者13例。Stanford A型手術(shù)時(shí)間為520（325～641）min，手術(shù)中出血量為3200（2800～4200）ml，術(shù)后出血量為420（370～650）ml。Stanford B型手術(shù)時(shí)間62（43～110）min，手術(shù)中出血量25（18～52）ml，B型術(shù)后無出血。

2.2 術(shù)前及術(shù)后指標(biāo)

圖1 患者術(shù)前主動(dòng)脈CT血管造影圖像 A.Stanford A型；B.Stanford B型

圖2 主動(dòng)脈夾層三維重建模型圖 A.Stanford A型主動(dòng)脈夾層三維建模模型圖 ；B.Stanford B型主動(dòng)脈夾層三維建模模型圖

圖3 主動(dòng)脈夾層3D打印模型圖 A.Stanford A型主動(dòng)脈夾層3D打印模型圖（病變累及三分叉血管）；B.Stanford B型主動(dòng)脈夾層3D打印模型圖 （病變未累及三分叉血管）

納入的20例患者中共有19例獲得隨訪，1例患者行孫氏手術(shù)治療術(shù)后當(dāng)天死亡，死亡原因?yàn)榈托呐艑?dǎo)致心原性休克。對術(shù)前模型測量及術(shù)中主動(dòng)脈造影各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量（包括真腔直徑、假腔直徑、病變長度、破口距頭臂干距離）比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05，表1）。術(shù)后19例患者共隨訪1、3、6、12個(gè)月，隨訪第1個(gè)月及第12個(gè)月行主動(dòng)脈CTA檢查，其余隨訪行胸部正位X線檢查，患者術(shù)前和術(shù)后以及末次隨訪的真腔直徑測量結(jié)果見表2和圖5?；颊咝g(shù)前近端破口真腔直徑（21.4±1.4）mm，術(shù)后1個(gè)月（24.2±1.3）mm；術(shù)前氣管分叉真腔直徑（21.2±0.8）mm，術(shù)后1個(gè)月（23.9±9.2）mm，兩者比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。腹腔干及腎動(dòng)脈水平真腔術(shù)前及術(shù)后比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）。Stanford A型患者住院時(shí)間為13（11～22）d，Stanford B型患者住院時(shí)間為5（4～9）d。

圖4 完全釋放支架后造影

圖5 患者術(shù)后隨訪主動(dòng)脈CT血管造影圖像 A.主動(dòng)脈弓層面；B.胸降主動(dòng)脈層面

2.3 并發(fā)癥

（1）脂肪液化：Stanford A型孫氏手術(shù)治療患者中2例患者術(shù)后出現(xiàn)切口脂肪液化，給予切口定期換藥，擇期清創(chuàng)縫合后切口愈合良好，痊愈出院。（2）神經(jīng)系統(tǒng)障礙：Stanford A型孫氏手術(shù)治療患者術(shù)后3例出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)障礙、主要表現(xiàn)為意識(shí)淡漠、記憶力減退等，給予營養(yǎng)神經(jīng)、保護(hù)腦細(xì)胞治療，病情有所好轉(zhuǎn)。（3）其他并發(fā)癥：對消化性潰瘍、腸梗阻給予對癥治療，癥狀好轉(zhuǎn)。

表1 20例患者術(shù)前模型測量及術(shù)中主動(dòng)脈造影各項(xiàng)指標(biāo)測量對比

表2 19患者術(shù)前及術(shù)后真腔直徑比較（mm，±s）

表2 19患者術(shù)前及術(shù)后真腔直徑比較（mm，±s）

注：a，與術(shù)前比較，P＜0.05

項(xiàng)目 術(shù)前 術(shù)后1個(gè)月 術(shù)后12個(gè)月近端破口 21.4±1.4 24.2±1.3a 26.1±1.1a氣管分叉 21.2±0.8 23.9±1.2a 25.2±1.5a腹腔干 13.8±2.1 14.1±1.4 14.3±1.1腎動(dòng)脈 11.3±2.3 11.5±1.4 11.4±1.6

3 討論

主動(dòng)脈夾層是一類進(jìn)展迅速的危重疾病，隨著影像學(xué)、超聲醫(yī)學(xué)、血管外科學(xué)的發(fā)展，其診斷率不斷提高［6-8］。根據(jù)破口的位置和累及范圍，主動(dòng)脈夾層可分為DeBakey三型：Ⅰ型，原發(fā)破口位于升主動(dòng)脈或主動(dòng)脈弓，夾層累及大部分或全部胸升主動(dòng)脈、主動(dòng)脈弓；Ⅱ型，原發(fā)破口位于升主動(dòng)脈，夾層累及升主動(dòng)脈，少數(shù)可累及主動(dòng)脈弓；Ⅲ型，原發(fā)破口位于左鎖骨下動(dòng)脈以遠(yuǎn)，夾層范圍局限于胸降主動(dòng)時(shí)為Ⅲa型，向下同時(shí)累及腹主動(dòng)脈為Ⅲb型［9-10］。根據(jù)夾層累及的范圍提出了Stanford分型，將主動(dòng)脈夾層分為A、B兩型［11］：凡是夾層累及升主動(dòng)脈者為Stanford A型，相當(dāng)于DeBakey Ⅰ型和Ⅱ型；夾層僅累及胸降主動(dòng)脈及其遠(yuǎn)端為Stanford B型，當(dāng)于DeBakey Ⅲ型（圖6）［12］。

圖6 主動(dòng)脈夾層分型

隨著計(jì)算機(jī)建模及后期優(yōu)化軟件的研發(fā)和后期功能逐步完善，對于臨床醫(yī)學(xué)有著重要的輔助作用，例如三維建模軟件mimics、模型優(yōu)化軟件Geomagic Studio等。早期計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在骨科及頜面外科有較多的應(yīng)用，由于薄層多排CT的發(fā)展，患者在不增加輻射劑量的前提下可獲得更精細(xì)的CT數(shù)據(jù)，這對于計(jì)算機(jī)建模和后期的3D打印至關(guān)重要。材料學(xué)的發(fā)展對于主動(dòng)脈腔內(nèi)治療提供了巨大的幫助，大量Stanford B型患者僅僅通過介入腔內(nèi)隔絕就能夠得到治療［13-14］。每個(gè)患者破口位置、累及范圍、重要分支血管是否受累都不盡相同，而這對手術(shù)策略的制訂又尤為重要［15-16］。臨床醫(yī)師僅能通過平面二維CT數(shù)據(jù)大致了解病變程度，但對于病變血管進(jìn)行測量、支架型號的選擇、模擬開窗操作等無法完成，而這些對于手術(shù)的成功與否又至關(guān)重要。3D實(shí)體打印病變血管可以完成過去無法完成的操作，例如模擬手術(shù)開窗操作［17］。由于主動(dòng)脈上有很多重要的分支動(dòng)脈，有些患者這部分動(dòng)脈不同程度地發(fā)生病變，例如左鎖骨下動(dòng)脈、腎動(dòng)脈等，這時(shí)候就需要在覆膜支架進(jìn)行開窗，必要時(shí)在“開窗”的位置再置入另一枚支架，而開窗的測量非常重要，包括分支血管的距離、直徑、角度的測量不能有明顯的誤差，這在二維平面上是無法實(shí)現(xiàn)的。通過3D打印可以完成以上工作，另外、3D打印還能發(fā)現(xiàn)很多CT掃描無法發(fā)現(xiàn)的病變，因此、對于復(fù)雜的主動(dòng)脈病變，3D打印具有更大的優(yōu)勢。3D打印的模型應(yīng)用包括如下方面：（1）術(shù)前評估，結(jié)合CTA結(jié)果和3D打印模型，初步觀察破口的位置（入口以及出口）和真假腔的形態(tài)（線型或螺旋型、是否存在成角、折疊）、真假腔的比例。（2）利用測量工具測量3D打印主動(dòng)脈模型，首先測量包括近端瘤樣擴(kuò)張?zhí)帯⑦h(yuǎn)端擴(kuò)張?zhí)幹睆揭约胺种Т笱艿恼媲恢睆?，其次測量假腔長度、成角度數(shù)和旋轉(zhuǎn)情況，并對累及分支大血管尤其是左鎖骨下動(dòng)脈累及范圍做詳細(xì)的測量，以便確定是否需要放置“煙囪”。（3）收集測量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，分析討論手術(shù)方案、選擇合適的支架大小以及型號和數(shù)目、擬“開窗”或放置 “煙囪”支架部位等。向患者家屬展示3D打印模型，借助模型講解病情及手術(shù)方案更加直觀。（4）術(shù)中操作，根據(jù)1 ∶ 1的3D打印模型進(jìn)行術(shù)中原位“開窗”和“煙囪”支架置入，或進(jìn)行1 ∶ 1體外覆膜支架預(yù)“開窗”，并按照“開窗”位置進(jìn)行“煙囪”支架置入。

本研究使用的是Ankura 胸主動(dòng)脈覆膜支架系統(tǒng)，其構(gòu)成包括外面的鈦合金網(wǎng)狀支架和附著于內(nèi)層的E-PTFE膜，在將支架通過股動(dòng)脈輸送到病變主動(dòng)脈位置并釋放、撐開后，通過內(nèi)層的覆膜封閉病變的主動(dòng)脈夾層破口，使假腔內(nèi)血流停止流動(dòng)，后期假腔內(nèi)逐漸血栓、機(jī)化，達(dá)到治療目的。該支架系統(tǒng)為最新改良型號，具有以下優(yōu)勢：（1）使用雙層壓縮的E-PTFE膜，具有出色的即刻封堵效果、生物相容性和耐久性。（2）支架主體本身采用熱處理，使覆膜和支架結(jié)為一體，非縫制，杜絕了針孔內(nèi)漏的可能性。（3）覆膜起始端的迷你波設(shè)計(jì)，保護(hù)血管，足夠的徑向支撐力，良好的貼壁性，防止Ⅰ型內(nèi)漏產(chǎn)生。另外，支架大彎側(cè)覆膜上段波形密排設(shè)計(jì)，以增加強(qiáng)度及抗擊血流沖擊的能力；覆膜遠(yuǎn)端波形密度減小，波形角度也相應(yīng)減小，以減少波形遠(yuǎn)端對血管損傷；支架內(nèi)彎側(cè)覆膜上段小波形設(shè)計(jì)，保證支架良好的彎曲順應(yīng)性（圖7）。

根據(jù)本研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在近端破口水平和氣管分叉水平，術(shù)后1個(gè)月主動(dòng)脈真腔直徑有明顯擴(kuò)大，術(shù)后第12個(gè)月復(fù)查CTA顯示，真腔有不同程度的擴(kuò)大，證明主動(dòng)脈腔內(nèi)支架對血管壁有強(qiáng)大的持續(xù)支撐作用，在這種持續(xù)性的支撐擴(kuò)張過程中，假腔在不斷縮小，而在3D打印輔助下，明確破口位置，選擇合適型號的支架、以及模擬支架放置位置，使支架能夠完全封堵破口，使假腔內(nèi)血流減少甚至消失，后期假腔逐漸血栓、機(jī)化，說明3D打印輔助主動(dòng)脈腔內(nèi)隔絕術(shù)后主動(dòng)脈重塑效果滿意。對于一些病變累及至左鎖骨下動(dòng)脈的患者，手術(shù)過程中需要進(jìn)行“開窗”、必要時(shí)還要放置“煙囪”、由于每個(gè)人的血管位置、角度都不相同、這就需要個(gè)體化治療方案。本中心利用3D打印模型完整1∶1還原患者血管形態(tài)、位置、角度、撕裂范圍，并在模型上反復(fù)演練、選擇合適的手術(shù)方案，在手術(shù)過程中、在3D打印立體模型輔助下，準(zhǔn)確地置入主動(dòng)脈腔內(nèi)支架。

相對于個(gè)性化3D打印模型輔助治療主動(dòng)脈夾層而言，在沒有3D打印模型輔助情況下，主動(dòng)脈腔內(nèi)置入支架精確度較差，與術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計(jì)有一定的差距。對于是否選擇3D主動(dòng)脈模型打印，患者有自主選擇權(quán)，分析2018年對主動(dòng)脈病變進(jìn)行主動(dòng)脈腔內(nèi)隔絕術(shù)患者24例，其中選擇主動(dòng)脈數(shù)字建模及3D打印的患者8例，未選擇建模和3D打印患者16例，選擇建模和主動(dòng)脈3D打印的患者在術(shù)前和術(shù)后各項(xiàng)參數(shù)的測量值發(fā)現(xiàn)，在破口位置、距離鎖骨下動(dòng)脈的長度、病變長度、累及范圍以及真假腔的直徑等方面，模型測量和術(shù)中測量未見明顯差距，而未選擇建模和3D打印患者中，上述各項(xiàng)指標(biāo)有明顯差距，這對手術(shù)方案的選擇非常重要，只有將患者的病變情況轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值，才能盡可能做到將手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

精準(zhǔn)醫(yī)療是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。3D打印技術(shù)以及后期的生物力學(xué)研究都為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了強(qiáng)大的平臺(tái)，根據(jù)具體的個(gè)案進(jìn)行個(gè)性化的精準(zhǔn)評估、精準(zhǔn)制定治療方案、提供醫(yī)患溝通道具。此外，更進(jìn)一步的個(gè)體化生物力學(xué)分析、材料學(xué)的模擬研究能夠?yàn)榕R床工作實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、個(gè)性化治療方案。在數(shù)字化、信息化和臨床醫(yī)學(xué)的完美結(jié)合下，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在血管外科將有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 支架設(shè)計(jì)特點(diǎn)