3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)性心臟病治療中的應(yīng)用進(jìn)展

張洋洋，王忠民，2

1 河南大學(xué)人民醫(yī)院河南省人民醫(yī)院心內(nèi)科，鄭州 450000；2 阜外華中心血管病醫(yī)院冠心病三病區(qū)河南省人民醫(yī)院心臟中心

3D 打印技術(shù)，又被稱作快速原型技術(shù)，快速成型技術(shù)，增材制造技術(shù)［1］。經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，3D 打印技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。3D 模型制作的過程大致可以分成圖像的獲取、圖像的分離、打印等步驟。結(jié)合CT 和MRI 對(duì)整個(gè)心臟宏觀成像的能力、超聲對(duì)快速移動(dòng)的結(jié)構(gòu)（例如心臟瓣膜）成像能力，將源圖像分為3D 空間中已知坐標(biāo)的多個(gè)簡單幾何元素，然后進(jìn)行組合從而生成3D 打印模型［2］。3D 打印技術(shù)已應(yīng)用于各行各業(yè)［3-4］。在醫(yī)療領(lǐng)域，如口腔頜面外科、神經(jīng)外科及骨科的人造物植入中的應(yīng)用廣泛［5-7］。國外學(xué)者對(duì)3D 打印技術(shù)在心血管領(lǐng)域應(yīng)用中進(jìn)行的研究較多，國內(nèi)尚處于起步階段。結(jié)構(gòu)性心臟?。⊿HD）最早由美國Martin Leon 教授在2001年首次提出［8］。2009年趙世華等［9］首次在我國公開發(fā)表的文獻(xiàn)中闡述了SHD 的概念，即先天性或獲得性心臟結(jié)構(gòu)異常的統(tǒng)稱，主要包括先天性心臟病、心肌病和心臟瓣膜病。了解其解剖結(jié)構(gòu)的改變是治愈SHD 的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)、影像技術(shù)的不斷進(jìn)步及新生材料的開發(fā)，3D 打印技術(shù)已顯示出其在SHD 領(lǐng)域的巨大潛力，且近年取得不少研究成果。鑒于之前鮮有相關(guān)論述，我們就近年來3D 打印技術(shù)在心臟瓣膜病及先天性心臟病手術(shù)指導(dǎo)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行以下綜述。

1 3D 打印技術(shù)在心臟瓣膜病手術(shù)指導(dǎo)及術(shù)后并發(fā)癥預(yù)防中的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)可以利用相關(guān)影像學(xué)資料進(jìn)行心臟瓣膜解剖結(jié)構(gòu)1∶1 重建，從而使醫(yī)生充分了解心臟瓣膜病結(jié)構(gòu)的改變，制定切實(shí)可行的治療方案。由于人口老齡化，主動(dòng)脈瓣狹窄已成為西方國家最常見的心臟瓣膜疾病的手術(shù)或經(jīng)導(dǎo)管干預(yù)的疾病。我國已進(jìn)入老齡化社會(huì)，未來針對(duì)主動(dòng)脈瓣狹窄治療的需求量也將增大。主動(dòng)脈瓣狹窄多由風(fēng)濕性和退行性變引起，過去的經(jīng)典術(shù)式是在體外循環(huán)下進(jìn)行主動(dòng)脈瓣置換［10-11］。體質(zhì)衰弱、高齡患者無法耐受體外循環(huán)和外科手術(shù)。經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換（TAVI）開啟了微創(chuàng)治療主動(dòng)脈瓣狹窄的時(shí)代，已被證明是一種安全有效的治療方法。最近，TAVI被證明在手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低的患者中不劣于手術(shù)，為有嚴(yán)重癥狀的主動(dòng)脈瓣狹窄患者提供了新的治療方案［12］。TAVI 術(shù)前主動(dòng)脈CT 三維圖像是計(jì)劃進(jìn)行TAVI 的重要組成部分，盡管經(jīng)食道超聲和心臟磁共振可以用作TAVI 術(shù)前的成像，但多層CT 不僅可以精確進(jìn)行環(huán)形測量，而且可以確保在真正的雙斜短軸上測量主動(dòng)脈瓣環(huán)直徑，已成為所有術(shù)前主動(dòng)脈瓣和主動(dòng)脈測量的首選成像方式［13］。對(duì)于TAVI手術(shù)，需要測量主動(dòng)脈瓣面積、最小和最大直徑的測量以及左右冠脈口相對(duì)于環(huán)形平面的高度、竇管交界處的尺寸、Valsalva 竇和左心室流出道的大小。當(dāng)這些測量值與患者的病情結(jié)合，介入醫(yī)師可以就此決定該患者是否可以行TAVI 以及置入瓣膜的大小和類型［14］。最近研究表明，與心臟CT測量和術(shù)中瓣膜尺寸相比，3D 打印的主動(dòng)脈根模型可以準(zhǔn)確地描繪主動(dòng)脈環(huán)的大小［15］；術(shù)者可以根據(jù)3D打印模型測試瓣膜大小是否合適，從而減少并發(fā)癥的發(fā)生以及縮短手術(shù)時(shí)間。

3D打印的模型不僅可以指導(dǎo)TAVI手術(shù)，同時(shí)可以預(yù)防TAVI手術(shù)并發(fā)癥。TAVI手術(shù)常見并發(fā)癥包括瓣周漏、冠狀動(dòng)脈阻塞以及永久起搏器植入等。瓣周漏是人工瓣膜植入術(shù)的并發(fā)癥之一，發(fā)生率為5%～17%［16］。通過3D 打印模型進(jìn)行術(shù)前模擬及規(guī)劃，可避免瓣周漏的發(fā)生［17］。影響瓣周漏的因素主要包括瓣膜的鈣化程度、瓣口的形狀、瓣膜放置的深度以及瓣膜的大小。RIPLEY 等［15］實(shí)施了使用3D打印的主動(dòng)脈根部模型，將TAVI 瓣膜放入其中，若位于主動(dòng)脈瓣另一側(cè)的數(shù)碼相機(jī)接收到光線則證實(shí)瓣膜置換術(shù)后瓣周漏的發(fā)生，但其研究存在假陽性和無法定性的問題。為了更好定性和模擬瓣膜在體內(nèi)真實(shí)情況，THORBURN 等［17］在3D 打印TAVI 置換模型一側(cè)施加壓力和注水，若在瓣膜另一側(cè)獲得任何殘余水代表瓣周漏的發(fā)生，他們將術(shù)前在3D 打印TVAI置換模型測量的滲漏量與術(shù)后超聲測量值進(jìn)行比較，證實(shí)3D打印模型確實(shí)能預(yù)測并發(fā)癥的發(fā)生。

在3D 打印最早用于指導(dǎo)TAVI 評(píng)估中，SCHMAUSS 等［18］用3D 打印了1 例疑似因缺血事件導(dǎo)致死亡的患者主動(dòng)脈瓣復(fù)合體，通過重建手術(shù)過程，他們提出假設(shè)：對(duì)于順應(yīng)性差伴極度鈣化的Valsalva 竇患者，在TAVI 手術(shù)中需要將瓣膜放置在更深的位置以防止出現(xiàn)冠脈阻塞。為了避免植入瓣膜影響冠脈血流，SO 等［19］通過3D 打印模型模擬了易發(fā)生冠脈阻塞高危解剖的患者TAVI手術(shù)過程，通過將瓣膜放入打印模型中，再次進(jìn)行CT平掃成像來評(píng)估移位的瓣膜與冠脈的位置關(guān)系，最終成功避免了冠脈閉塞。雖然僅僅是個(gè)案報(bào)道，但仍然給未來TAVI介入中遇到的并發(fā)癥問題提出了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

隨著介入技術(shù)的不斷發(fā)展以及病例的不斷增加，類似于TAVI 的技術(shù)將成為治療SHD 的熱點(diǎn)。術(shù)者通過3D打印模型獲取的病變模型，進(jìn)行手術(shù)模擬以及選擇合適器械，從而減少手術(shù)時(shí)間以及術(shù)后并發(fā)癥，提高了手術(shù)質(zhì)量的同時(shí)可改善患者預(yù)后，提高患者生活質(zhì)量。

2 3D打印技術(shù)在先天性心臟病治療中的應(yīng)用

先天性心臟病是常見的出生缺陷疾病，其治療在很大程度上依賴于解剖學(xué)，這使得詳細(xì)的心臟成像成為準(zhǔn)確檢測和CHD 術(shù)前規(guī)劃的必要條件。3D打印技術(shù)在需要精確可視化解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有獨(dú)特價(jià)值，近年3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在房間隔缺損（ASD）介入治療的指導(dǎo)、法洛四聯(lián)癥（TOF）及復(fù)雜性先天性心臟病手術(shù)的指導(dǎo)中。

2.1 3D 打印技術(shù)在ASD 治療中的應(yīng)用 ASD 是常見的先天性心臟缺陷。臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)于缺損較大、殘余邊緣不良合并房間隔膨出瘤以及多發(fā)孔型ASD 介入治療仍是難題，主要與常規(guī)影像無法充分辨識(shí)解剖結(jié)構(gòu)，造成術(shù)中需更換封堵器、封堵器移位、脫落等有關(guān)。針對(duì)以上問題，國內(nèi)專家進(jìn)行了多個(gè)相關(guān)研究。邱旭等［20］利用3D 打印模型在超聲引導(dǎo)下對(duì)多發(fā)孔性ASD 患者進(jìn)行介入封堵，不僅可以確定封堵位置，而且減少了射線的使用。楊帆等［21］對(duì)ASD 介入封堵研究與潘祥斌團(tuán)隊(duì)不同的是：他們對(duì)模型反復(fù)觀察研究，解決了諸如上腔型合并部分肺動(dòng)脈異位等多種特殊類型ASD 的介入封堵。3D打印同時(shí)也存在諸如由于成像問題導(dǎo)致模型誤差較大、使用材料偏硬導(dǎo)致ASD 周圍組織結(jié)構(gòu)在放置封堵器后不會(huì)發(fā)生應(yīng)力性改變從而影響術(shù)者對(duì)模擬結(jié)果的判定等問題。

2.2 3D 打印技術(shù)在TOF 治療中的應(yīng)用 TOF 是一種在臨床上較為常見的復(fù)雜性、發(fā)紺性心臟畸形病變［22-23］，基本病理是由于肺動(dòng)脈狹窄、室間隔缺損、右心室肥厚以及主動(dòng)脈騎跨造成，主要源于右心室圓錐部或者是漏斗部的發(fā)育不良［24-26］，此類患者病死率極高，最高至90%［27］。3D 打印技術(shù)可以有效克服二維超聲的平面限制，立體地觀察病變結(jié)構(gòu)，更好地制定手術(shù)方式及入路，反復(fù)對(duì)手術(shù)進(jìn)行模擬，有效提高手術(shù)成功率。AVERKIN 通過3D 打印模型充分了解TOF 合并肺動(dòng)脈瓣缺如患兒的心臟解剖結(jié)構(gòu)，成功為1 例患兒實(shí)施了手術(shù)，術(shù)后顯示患兒各項(xiàng)心臟機(jī)能均恢復(fù)正常［28］。

2.3 3D 打印技術(shù)在復(fù)雜性先天性心臟病治療中的應(yīng)用 單純病變先天性心臟病的手術(shù)決策通常相對(duì)簡單。當(dāng)涉及到更復(fù)雜的病變，例如右室雙出口伴有混雜的病變，由于這些先天性心臟病解剖結(jié)構(gòu)存在許多變異，僅憑2D診斷成像容易忽視重要解剖結(jié)構(gòu)。HAN 等［29］對(duì)通過尋找3D 打印技術(shù)在復(fù)雜性先天性心臟病患者的手術(shù)計(jì)劃中有用的證據(jù)，發(fā)現(xiàn)3D模型受益組的手術(shù)時(shí)間有縮短的趨勢。另外，外科治療是左心室流出道梗阻（LVOTO）和藥物難以控制患者的有效方法和金標(biāo)準(zhǔn)［30］。然而，由于心臟結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性和復(fù)雜性，難以正確選擇和制定手術(shù)計(jì)劃，給臨床治療帶來巨大困難。 HAMATANI等［31］通過3D 打印技術(shù)構(gòu)建了LVOTO 模型，通過比較3D 打印模型和手術(shù)中的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)3D打印模型可以重現(xiàn)復(fù)雜的心臟解剖結(jié)構(gòu)，使術(shù)者在術(shù)前了解復(fù)雜3D心臟結(jié)構(gòu)和空間位置關(guān)系。

3 3D打印技術(shù)臨床應(yīng)用的局限性

雖然3D打印技術(shù)的研究一直是熱門，但在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中仍然存在一些無法克服的問題，因此我們應(yīng)該認(rèn)真評(píng)估3D 打印技術(shù)，并正視其局限性，找到克服這些問題的方法。在3D 打印模型進(jìn)入臨床實(shí)踐之前，國家醫(yī)療監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)加快制定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量安全問題。另外，3D 打印模型在模擬手術(shù)過程、可視化復(fù)雜病變時(shí)，有時(shí)需要構(gòu)建具有特定切面的模型，甚至多次構(gòu)建同一模型的不同切面，這種情況下脫離了其作為整體模型的原始目的，另外增加了制備時(shí)間和成本［32］。

綜上所述，3D打印技術(shù)在SHD的臨床應(yīng)用中發(fā)揮出其獨(dú)特優(yōu)勢，可用于指導(dǎo)TAVI 術(shù)、復(fù)雜性先天性心臟病手術(shù)等，可預(yù)防諸如瓣周漏、置入瓣膜影響冠脈血流、封堵器過大而脫落等并發(fā)癥的發(fā)生；通過構(gòu)建器官相關(guān)模型，醫(yī)生可以了解器官相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)、模擬手術(shù)過程、制定手術(shù)策略，解決了一些醫(yī)學(xué)難題的同時(shí)提高疾病治愈率，大大縮短手術(shù)時(shí)間和減輕患者痛苦，為個(gè)體化醫(yī)療鋪平道路。盡管3D打印技術(shù)在SHD 的治療中得到了廣泛認(rèn)可，但亦存在諸多亟需解決的問題。第一，3D 打印的心臟結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性必須在廣泛的源成像模式、打印方法和心血管建模中進(jìn)行驗(yàn)證。第二，為了模擬更符合生理狀態(tài)下的心臟元素（例如血管壁、室壁、瓣膜），研究人員應(yīng)加快生物醫(yī)學(xué)材料的研究，早日實(shí)現(xiàn)植入式3D打印心臟的目標(biāo)。第三，構(gòu)建3D打印模型所需數(shù)據(jù)的后期處理需要大量時(shí)間，花在后處理上的時(shí)間會(huì)影響使用該模型的成本效益，并降低其在緊急情況下的有效性。