3D打印指導介入技術在左心瓣膜病變的臨床應用及進展

陳厚良，丁汝躍，高彥琳

3D打印技術也稱為增材制造技術，采用逐層疊加成型的方式構造產(chǎn)品，其制造精度高，更加適用于復雜的個性化產(chǎn)品的制造。目前數(shù)字化精準醫(yī)療逐步成為醫(yī)療領域研究的焦點，CT、磁共振成像、三維食道超聲以及材料科學的進展為3D打印技術的發(fā)展提供了更大的空間，越來越多的手術借助3D打印的醫(yī)療模型進行術前規(guī)劃。醫(yī)務人員根據(jù)患者術前的CT或核磁共振數(shù)據(jù)進行三維建模，然后通過3D打印機制造出所需的醫(yī)療模型，該模型可為臨床醫(yī)師提供準確的局部解剖信息，更好的認識到患者的病理生理特征，制定完善的手術方案，減少術中意外發(fā)生，縮短手術時間，改善手術效果［1］。

目前3D打印中計算機斷層掃描是最常見的成像方式（62%），其次是超聲（28%）、計算機輔助設計（7%）和磁共振成像（3%）。丙烯腈－丁二烯－苯乙烯（占比29%）和Tango Plus Full Cure 930新型類橡膠彈性材料（占比36%）是使用最多的打印材料。立體光刻（40%）和熔凝沉積建模（30%）是首選的打印技術，3D打印技術最多的應用領域是術前計劃（63%），其次是培訓（19%），設備測試（11%）和回顧性評估（7%）［2］。

1 3D打印技術在主動脈瓣膜病變的臨床應用

左心瓣膜病變主要表現(xiàn)是主動脈瓣病變和二尖瓣病變，主動脈瓣疾病是一種常見的心臟瓣膜病，流行病學數(shù)據(jù)顯示其發(fā)病率在65歲以上老人高達3%～7%，且隨著年齡的增長，呈現(xiàn)出遞增的趨勢。經(jīng)導管主動脈瓣置換術（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）是一種微創(chuàng)瓣膜置換手術，通過介入導管技術將支架與人工心臟生物瓣膜在體外壓縮后，輸送至主動脈瓣位置，從而完成人工瓣膜植入，恢復瓣膜功能。TAVR是高齡手術中高危主動脈瓣患者的首選治療手段［3］。2019年美國心臟病學會年會發(fā)布了PartnerⅢ研究的結(jié)果表明在低危的主動脈瓣狹窄患者中進行TAVR與外科瓣膜置換手術相比，主要終點事件發(fā)生率（全因死亡、中風或1年內(nèi)再住院）明顯降低［4］。

TAVR手術中醫(yī)生無法直視主動脈根部全貌，無法切開心臟，觀察其內(nèi)部細微結(jié)構，因此術前的影像學評估和術中導航至關重要。3D打印可以將患者的主動脈根部影像模型1∶1的轉(zhuǎn)化為實物呈現(xiàn)于眼前，TAVR術前后3D打印模型，以便更好地了解主動脈根部解剖提供更多的影像學的信息，來評估植入假體與瓣膜平面和冠狀動脈起源的關系，幫助選擇假體的尺寸，從而將復雜的手術過程大大的簡化和標準化，使手術更加的安全、準確［5－6］。

3D打印依賴于多種成像方式的結(jié)合使用，大多數(shù)模型數(shù)據(jù)來源于CT血和成像或者磁共振成像，部分應用食道三維超聲心動圖，超聲心動圖可以根據(jù)時間分辨率對快速移動的瓣膜、乳頭肌等清晰成像，動態(tài)評估瓣膜解剖結(jié)構。多層螺旋CT可用來評估冠狀動脈開口距離主動脈瓣環(huán)的高度、瓣膜鈣化的準確位置和程度。瓣膜鈣化程度和主動脈瓣根部的形態(tài)決定了植入假體大小尺寸，如僅依賴三維經(jīng)食道超聲心動圖測量數(shù)據(jù)來指導選擇植入假體，有尺寸選大的趨勢；超聲心動圖和多層螺旋CT是互補的成像方式，應相互配合使用提高3D打印參數(shù)的可靠性［7］。

3D打印技術在TAVR手術的應用還可以預判傳導阻滯的發(fā)生，TAVR術后出現(xiàn)這一并發(fā)癥的原因可能是由于鈣化斑塊的移位，使得右冠瓣和無冠瓣連接處的房室傳導系統(tǒng)持續(xù)的受壓造成了永久的損傷。通過3D打印技術，將主動脈瓣狹窄伴鈣化的模型打印出來，結(jié)合測量數(shù)據(jù)選擇合適大小的球囊進行預擴張，并進一步選擇不同支架瓣膜置換模擬。通過在高仿真的3D模型上進行模擬訓練，從而可以輕易的判斷出球囊擴張時瓣膜的偏移方向，進一步的觀察到支架瓣膜受嚴重鈣化影響后的方位移動，降低傳導阻滯的發(fā)生概率［8］。

定制硅基聚合物油墨的3D打印技術，可以精確模擬組織的物理特性［9］。定制硅基聚合物材料體系主要包括硅酮密封膠和硅酮潤滑脂，硅酮密封膠是一種乙酰氧基通過縮合反應固化的硅酮，提供柔韌性。實驗設計了一個電容式壓力傳感器陣列，陣列中的每個傳感元件由以兩層聚丙烯酰胺基離子水凝膠為導電電極，中間由一層介電層組成，應用外部對傳感器的壓力導致介電彈性體層的變形塑形，然后通過填充通道注入離子導電水凝膠的水溶液，最后進行紫外線光聚合，3D打印主動脈根部模型，內(nèi)置傳感器陣列，顯示瓣膜植入后的局部壓力。目前該技術臨床實踐主要在TAVR術前規(guī)劃和復雜主動脈瓣狹窄個案的決策過程，預測電位傳導阻滯、測量傳導干擾的接觸壓力閾值［10］。

二葉主動脈瓣狹窄行TAVR手術治療具有挑戰(zhàn)，早期指南將二葉主動脈瓣狹窄作為TAVR的相對禁忌［11］，3D打印技術用于二葉主動脈瓣狹窄行TAVR手術有很明確的優(yōu)點，首先3D模型可以清晰的展示主動脈瓣根部的結(jié)構，如二葉瓣的空間分布位置和鈣化的分布，主動脈竇的大小，冠脈開口等；其次3D打印模型可以為術者提供較好的投照角度，找到跨瓣的技巧和預先適應手術時的手感，最后體外模擬使用不同的器械進行手術，橫向比較各瓣膜對于不同的患者的適應性，從而可以挑選出最佳的個體化的介入瓣膜［12］。李蘭蘭等［13］將3D打印模型用于20例主動脈瓣狹窄患者行TAVI手術評估，不僅能夠準確輔助選擇介入主動脈瓣類型及型號，而且能夠評估支架不同位置導致的主動脈瓣形變情況。

2 3D打印技術在二尖瓣瓣膜病變的臨床應用

二尖瓣疾病是最常見心臟瓣膜病。目前，專家共識推薦經(jīng)導管二尖瓣成形術以及置換術主要通過經(jīng)食道超聲進行事先評估，評估的精確度十分有限，考慮到二尖瓣是空間立體結(jié)構，病變多樣化，具有復雜的瓣下結(jié)構，在心動周期中二尖瓣是動態(tài)變化的，故而經(jīng)食道超聲和CT平面分析都有很大的局限性，其直觀性和可控性也很差，難以在實際操作中發(fā)現(xiàn)潛在的風險和問題，因此臨床亟待一種可提供空間立體化模型進行觀察和模擬的評估方法［14－16］。3D打印技術在某種程度上可以彌補心臟超聲二維平面評估的不足，通過獲得患者心臟CT或經(jīng)食道超聲采集的文件，分別在心室舒張期、收縮期進行3D建模，進一步將瓣葉瓣環(huán)病變部分分成后，使用不同硬度的材料分別進行打印，從而獲得患者特異性的左心系統(tǒng)模型，通過這樣的模型可以更好的評估二尖瓣情況［17］。

在3D打印技術指導外科二尖瓣手術治療的實踐中可以看到：Sardari等［18］為1例二尖瓣關閉不全的患者通過3D打印并鑄模的方法制造了個性化的二尖瓣模型，并進行腔鏡二尖瓣修復術前模擬手術訓練。Yamada等［19］通過開發(fā)一種與真實心臟觸感相似的材料，并通過3D打印鑄模的方法制造出高仿真的微創(chuàng)二尖瓣手術訓練系統(tǒng)，避免使用豬心進行手術訓練的動物實驗倫理問題。

二尖瓣介入治療技術分為兩大類，一類是經(jīng)導管二尖瓣成形術，另一類是經(jīng)導管二尖瓣置換術。目前美國心臟協(xié)會2017年指南及美國食品藥品管理局建議Mitra Clip用于原發(fā)性二尖瓣關閉不全的治療［20－21］。EVEREST系列研究以及其他注冊研究（TRAMI GRASP COAPT）同樣證實了Mitra Clip用于功能性二尖瓣關閉不全的效果是良好的，隨著更多的大型研究結(jié)果的揭示，將來Mitra Clip的適應證可能進一步擴展［22］。但是這一個器械也是有不足：型號比較單一，操作復雜，學習曲線長，手術時間長，患者的選擇篩選非常嚴格，評估的難度較大；因此需要通過獲取患者3D食道超聲數(shù)據(jù)，進行建模加工，打印出特異性的3D二尖瓣膜型，立體的看到二尖瓣葉的病變區(qū)以及左心室左心房的結(jié)構，從而在體外分析手術方案，選擇夾合的位置提供參考。Little等［23］為1例二尖瓣重度反流及后葉穿孔的患者制作3D打印心臟模型，并進行經(jīng)皮二尖瓣環(huán)成形術的術前模擬訓練，有利于經(jīng)皮二尖瓣成形術的術前規(guī)劃，選擇合適的封堵器型號。

一直以來，經(jīng)導管二尖瓣置換術被認為是難以攻克的難題，隨著微創(chuàng)瓣膜置換研究的深入，器械的不斷改進和術者操作技術的提高，這一難題也在逐漸被攻克。3D打印模型有助于幫助術者選定精確的穿刺點，避開冠脈以及乳頭肌和腱索的解剖結(jié)構，減少手術并發(fā)癥，同時也可以指導器械研發(fā)公司針對新型介入器械進行改進［24］。El等選擇8例重度二尖瓣環(huán)鈣化的患者進行CT掃描，并為其中6例打印了3D心臟模型，用于經(jīng)導管二尖瓣置換術的術前規(guī)劃及術后評估，有助于二尖瓣置換術的術前規(guī)劃，選擇合適的瓣膜尺寸、植入位置及評估術后瓣周漏、左室流出道梗阻等術后并發(fā)癥［25］。對于置換術或成形術的選擇通常由病變累及的部位、病情的嚴重程度及術者的經(jīng)驗等因素綜合決定［26］。基于3D模型的術前演練有助于臨床醫(yī)生選擇合適的手術方案，提高一次手術成功率。

3 3D打印技術在左心瓣膜病變應用的趨勢以及問題

目前3D打印只能部分復制心血管組織的機械以及生理特性。心臟組織的多樣性且每個組織都隨年齡和生理狀態(tài)變化而產(chǎn)生復雜的動態(tài)改變難以模擬。3D打印技術在左心瓣膜的應用趨勢體現(xiàn)在個性化3D打印心臟瓣膜模型與流體動力學平臺相結(jié)合，通過模擬每搏輸出量、心率及射血時間等臨床真實流體條件，提高術前模擬操作的準確性與真實性。實驗證明以超聲為數(shù)據(jù)源3D打印結(jié)合模擬循環(huán)系統(tǒng)制作體外動態(tài)二尖瓣模型是可行的，且準確性較高，體外再現(xiàn)了二尖瓣生理和病理狀態(tài)下的血流動力學特征［17］。

目前仍未形成3D打印心血管模型完整流程的指南以及統(tǒng)一的評價標準，所以3D打印心臟瓣膜模型的優(yōu)化過程需要多學科的支持，包括計算流體動力學、數(shù)字圖像處理、人工智能等新興學科領域的全面支持，豐富對心臟瓣膜疾病的生物力學因素的理解，開發(fā)出更優(yōu)質(zhì)的心臟瓣膜的3D打印模擬材料［27］。