快速成型技術在Stand ford A型主動脈夾層治療中的應用

楊　迅，嚴中亞，申運華

◇技術與方法◇

快速成型技術在Stand ford A型主動脈夾層治療中的應用

楊迅，嚴中亞，申運華

探討快速成型技術在Standford A型主動脈夾層治療中應用的可行性。對5例Standford A型主動脈夾層患者行主動脈CTA掃描，通過MIMICS 16.0軟件進行三維重建，快速成型制作出與實體1∶1大小的主動脈夾層模型，根據模型充分了解患者主動脈病變情況，為主動脈夾層患者制定“個體化”的治療方案，并在模型上模擬手術，在實際操作中取得了較好的手術效果，患者術后無任何并發癥，均痊愈出院。快速成型模型使Standford A型患者的術前準備更充分，能夠提高主動脈夾層手術效率與精準度，并能在腔內治療中指導支架近端的精準錨定。

主動脈；動脈瘤；夾層；主動脈疾病；3D打印；快速成型技術

網絡出版時間：2016-4-19 11：04：48 網絡出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/34.1065.R.20160419.1104.064.html

近年來，主動脈夾層（aortic dissection，AD）的發病率呈爆發式增長，AD起病急驟，進展迅速，臨床表現復雜，是國際上公認的“災難性疾病”［1］。由于主動脈解剖形態多變，分支血管眾多，疾病本身亦存在復雜性因素，因此治療上存在諸多困難［2］。對最為危重的Standford A型主動脈夾層來說，其病變范圍廣，目前唯一有效的方法仍是手術治療，其手術方案的選擇十分依賴于主動脈夾層的解剖學形態。通過快速成型技術能夠精準復制主動脈夾層，可直視下全方位、各角度了解病變的解剖學特點。該研究在5例Standford A型主動脈夾層患者中應用快速成型技術于術前制備主動脈弓模型，輔助其治療，臨床效果良好。

1　材料與方法

1.1病例資料 5例Standford A型主動脈夾層患者，男3例，女2例；年齡32～51（45±7.7）歲，4例因“突發胸背部疼痛”入院，均合并高血壓，1例因“心慌胸悶十年”入院。全組行64排CT血管造影（CTA）。診斷為主動脈夾層A型。4例合并高血壓，心臟彩超示該組患者均合并中、重度主動脈瓣關閉不全。

1.2主動脈夾層患者三維模型的建立及打印 將CTA數據保存為DICOM格式，導入醫學三維圖像處理軟件MIMICS 16.0，設置灰度閾值，區分出各組織，通過軟件自帶編輯工具分割出主動脈，進行主動脈三維重建，提取范圍從升主動脈到雙側股動脈，模型表面光滑修飾。通過上述方法分別三維重建出真腔、假腔。然后利用Boolean運算，以主動脈模型減去真腔及假腔模型，就得到了中空的主動脈夾層模型，進行模型表面修飾后，主動脈壁加厚至1.5 mm，就得到了中空的主動脈夾層模型，以STL格式導出模型。將三維重建出的主動脈夾層模型導入到快速成型機（SL600，吳江中瑞機電科技有限公司）中，采用熔融沉積技術，在一定的參數下，對ABS粉末（一種熱塑性工程塑料）進行燒結成型，制作出與實體1∶1大小的主動脈夾層三維模型。

1.3模型評估 3D模型輔助評估要點：①觀察主動脈形態及夾層累及范圍，模型上直接測量所需數據，結合CTA及超聲心動圖，制定合適手術方案；②在模型直接測得主動脈直徑、長度，選擇合適人工血管，分別測量頭臂干，左頸總動脈，左鎖骨下動脈直徑，頭臂干與左頸總動脈間距，左頸總動脈與左鎖骨下動脈間距離，準備相匹配的弓內覆膜支架；③主體支架入路選擇，股動脈粗細程度，夾層累及程度，支架能否順利進入；④確定支架近端釋放位置支架能否順利展開，是否影響主動脈分支血管，如腎動脈、腹腔干等血管血供。評估方式：全方位觀察及測量主動脈及夾層的解剖形態，就模型與北京裕恒佳工程師共同分析，個體化定做合適支架，明確使用支架類型、長短。達到個體化治療主動脈夾層的目的。

1.4手術方法 術前根據模型個體化評估患者主動脈解剖特點，術中逐步完成術前制定手術步驟，5例患者手術均分兩期完成，一期手術（圖1B、1C）行開胸治療。首先根據主動脈竇部擴張及主動脈瓣情況決定行Bentall術、David術或Wheat術等。將術前根據模型準備的單分支覆膜支架植入主動脈弓內。分別向左頸總動脈、無名動脈內置入覆膜小支架并固定，在腔內支撐血管的相應位置開兩圓孔，與覆膜小支架開口行端側吻合。單分支覆膜支架近端與已吻合于主動脈根部的直人工血管行端端吻合。二期（圖2B、2C）行腹主動脈腔內隔絕術，術前準備合適支架，在DSA下經股動脈植入支架隔絕主動脈內膜破口。

圖1　術前快速成型模型A：患者術前　VR成像，無法顯示血管內部破口；B：根據術前CTA圖像快速成型制作的與實體1∶1大小模型，可以顯示主動脈解剖形態，測量分支血管在主動脈開口處直徑、相互之間的距離；C：模型內部結構，可以看到主動脈內部解剖形態

圖2　第二次術前快速成型模型A：第二次術前VR成型；B：根據第二次術前　CTA圖像快速成型制作與實體1∶1大小的模型；C：模型內部結構，可以清楚看到主動脈腔內解剖形態，破口位置

2　結果

2.1快速成型模型 模型能夠精準顯示主動脈的扭曲方向、扭曲程度以及主動脈直徑，主動脈弓上三分支血管，腎動脈、腹腔干、腸系膜動脈等分支血管在主動脈開口處直徑、空間位置以及相互之間的距離。為了能清楚的觀察到主動脈內部，將主動脈沿縱軸切成了兩半，可以清楚的看到主動脈內部夾層真假腔間的關系、真假腔大小、夾層破口位置、破口大小、破口與主動脈分支血管之間的位置關系（圖3）。

圖3　模型細節A：縱軸左邊；B：縱軸右邊；箭頭所指處為主動脈夾層破口

2.2手術結果 一期開胸手術中動脈插管4例為頭臂干，1例為右腋動脈，插管順利，心肺轉流滿意。主動脈切口選擇沿升主動脈中線縱行切開至無名動脈開口1.4～2 cm處，主動脈內部暴露充分。對4例患者行Bentall術，1例行David術。術前準備術中支架弓內釋放順利，與血管壁貼合滿意，未對弓上三分支血流造成影響。手術均順利完成，平均體外循環時間（170.6±19.2）min，心肌阻斷時間（95.0 ±9.4）min，停循環時間（33.4±8.7）min。術后24 h引流量（564.0±175.2）ml。二期腔內治療中選擇透膜支架，3例入路選擇右側股動脈，1例選擇左側股動脈，1例雙側股動脈均較細，經右側髂外動脈插管，切口位置稍靠上有效縮短切口。術前準備腔內治療主體支架均順利輸送。支架貼合滿意，近端均無內漏。透膜支架覆蓋腹腔干，腸系膜動脈，腎動脈等分支血管，但對各分支血管血供無明顯影響。隔絕術后造影顯示：近端支架錨定充分，各破口隔絕成功，假腔內血流流速較術前明顯減慢，真腔較術前明顯增大，僅少許血流通過支架透膜進入假腔，真腔明顯擴大，患者術后無任何并發癥，均痊愈出院。術后2個月復查CTA顯示，升主動脈人工血管血流通暢，假腔內血栓形成，各器官血供正常，未出現功能衰竭（圖4）。

圖4　兩次術后快速成型模型A：術后2個月復查CTA三維重建；B：根據復查CTA圖片快速成型制作與實體1∶1大小的模型；C：重建模型內部解剖

3　討論

主動脈的發育和解剖部位有獨特性。行經胸腹并深埋于各組織臟器之間，分支血管眾多且多為重要組織、臟器供血，為手術高危險區域。當發生主動脈夾層時，主動脈走形又常發生變化，為其治療增加了難度。對于復雜解剖或者存在變異的主動脈夾層，CT掃描三維重建成像很難有效呈現其復雜的解剖情況［3］。同時，CT重建模型由影像科醫師完成，缺乏與外科醫師交流，并且發送到外科醫師手中的重建影像仍屬二維信息，無法滿足外科醫師對主動脈全方位觀察分析的需求，外科醫師可能會得出片面的結論，直接影響主動脈夾層的診斷及治療方案的選擇，進而影響患者預后。

快速成型技術也稱3D打印技術，是近年來興起的一種新型數字化成型技術，已廣泛應用于骨科［4］、口腔頜面外科［5］以及血管外科［6］。可用于制備生物醫用材料、建立器官模型以及構造組織工程支架［7-9］，甚至可用于制備人體組織及活體器官［10-11］。前期研究［12］證實可通過快速成型技術制備與人體主動脈解剖結構基本一致的主動脈模型，極大提高對主動脈夾層空間解剖結構的理解，術中將快速成型模型與實際主動脈的解剖結構進行對比，兩者基本一致。由手術醫師在模型直接測量手術需要的每一個相關數據，從而制定更加個體化、精準化的手術方案。同時也可以將打印出的模型展示給患者及家屬，直觀的告知家屬患者病情的特殊性及手術如何進行，增加患者及家屬對病情和手術的理解程度，增強患者對手術的信心。

對standford A型主動脈夾層的治療有多種術式［13-14］，無論采用哪種術式治療主動脈夾層，都十分依賴于主動脈夾層的解剖學形態。本研究用MIMICS 16.0軟件對主動脈夾層患者的CTA圖像進行三維重建，快速成型制備與實體主動脈夾層1∶1大小的主動脈夾層模型。與傳統胸腹主動脈置換術相比，可提前在三維模型模擬手術，明確手術步驟，減少吻合口及不必要的手術操作，從而縮短手術時間，減少術中用血以及降低并發癥和病死率。而在腔內治療中對支架長短、內徑及近端錨定區的選擇均有特殊要求。有了三維立體模型，術者可以在模型上尋找最佳的錨定區域，選擇合適的支架型號，甚至可以個體化制作適用于患者的支架，減少支架數量，減輕患者負擔，在正式實施手術時會更加得心應手，減少造影劑使用劑量及造影時間，降低支架放置失敗的幾率。在本組患者的治療中，通過術前對快速成型模型的分析，確定了手術步驟，使得術前準備更充分，提高了主動脈夾層手術效率與精準度，并能在腔內治療中指導了支架近端的精準錨定，取得了良好的療效，證明了快速成型技術輔助Standford A型主動脈夾層診治是可行的。這與Biglino et al［15］的研究持共同觀點。但本組患者所選病例少，隨訪時間短，仍屬初步嘗試，存在一定局限性。

通過MIMICS 16.0軟件進行三維重建，是基于CT掃描圖像完成，受限于CT圖像精度，且主動脈直徑隨血流動力學變化在不斷變化，CT圖像只能記錄某一時象直徑，基于CT圖像建模打印出來的模型只能反映這一時象主動脈直徑。受限于快速成型機性能以及打印材料特性，打印后模型容易塌陷變形，所以打印時將模型血管厚度增加到1.5 mm，成型良好。獲得的模型也有較高的平滑性和精度，和術中的解剖部位獲得精準對比，但造成了模型與實體血管壁厚度的差異。

綜上所述，對主動脈夾層尤其是合并畸形的主動脈夾層的治療應該強調個體化原則。快速成型技術將過去“憑空想象”的主動脈夾層結構轉變為“唾手可得”的直觀實物，在主動脈夾層診斷、評估、手術方案的設計等方面始終貫穿個體化的原則和思想，為主動脈夾層的治療提供了新思路。

［1］ Conzelmann LO，Weigang E，Mehlhorn U，et al.Mortality in pa-tients with acute aortic dissection type A：analysis of pre-and intraoperative risk factors from the German Registry for Acute Aortic Dissection Type A（GERAADA）［J］.Eur J Cardiothorac Surg，2015，48（4）：1-9.

［2］ Malkawi A H，Hinchliffe R J，Yates M，etal.Morphology of aortic arch pathology：implications for endovascular repair［J］.JEndovasc Ther，2010，17（4）：474-9.

［3］ 王利偉，殷信道，王紹娟，等.多層螺旋CT三維重建技術診斷急性主動脈夾層的價值［J］.實用放射學雜志，2012，28（6）：856-9.

［4］ Fedorovich N E，Alblas J，Hennink W E，et al.Organ printing：the future of bone regeneration？［J］.Trends Biotechnol，2011，29（12）：601-6.

［5］ Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al.Prosthetically guided maxillofacial surgery：evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made bone plate in oncology patients aftermandibular reconstrucion［J］.Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-85.

［6］ You JH，Kang SG，Kim B M.A novelmeasurement technique for the design of fenestrated stent grafts：comparison with three-dimensional aortamodels［J］.Exp Clin Cardiol，2013，18（1）：48-52.

［7］ Zopf D A，Hollister S J，Nelson M E，et al.Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional printer［J］.N Engl JMed， 2013，368（21）：2043-5.

［8］ Visconti R P，Kasyanov V，Gentile C，et al.Towards organ printing：engineering an intra-organ branched vascular tree［J］.Expert Opin Biol Ther，2010，10（3）：409-20.

［9］ Gaetani R，Doevendans P A，Metz C H G，et al.Cardiac tissue engineering using tissue printing technology and human cardiac progenitor cells［J］.Biomaterials，2012，33（6）：1782-90.

［10］Derby B.Printing and prototyping of tissues and scaffolds［J］.Science，2012，338（6109）：921-6.

［11］Murphy S V，Atala A.3D bioprinting of tissues and organs［J］. Nat Biotechnol，2014，32（8）：773-85.

［12］陳鵬飛，嚴中亞，申運華，等.快速成型技術制備仿生主動脈弓模型的研究［J］.中華實驗外科雜志，2015，32（2）：269-70.

［13］Yan Z Y，Shen Y H，Yan G，et al.A combined branched stent grafting technique to reconstruct totalaortic arch in the treatmentof Stanford A aortic dissection［J］.Ann Thorac Surg，2013，96（5）：1888-90.

［14］王曉天，胡何節，鄧福生，等.腔內隔絕術在胸主動脈夾層及主動脈瘤中的應用［J］.安徽醫科大學學報，2013，48（9）：1127-9.

［15］Biglino G，Verschueren P，Zegels R，et al.Rapid prototyping compliant arterial phantoms for in vitro studies and device testing［J］.JCardiovasc Magn Reson，2013，15（2）：1-7.

App lication of rapid proto-typing technology in the treatment of Stand ford type a aortic dissection

Yang Xun，Yan Zhongya，Shen Yunhua
（Dept of Cardiac Surgery，Anhui Provincial Hospital Affiliated to Anhui Medical University，Hefei 230001）

To explore the feasibility of rapid proto-typing（RP）technology in the treatment of Standford type A aortic dissection.5 patients with Standford type A aortic dissection received computed tomography angiography（CTA）of their aortas.The CTA images were then processed by 3D reconstruction with MIMICS16.0 in order to create aortic dissectionmodels through RP technology based on real patient aorta size with a ratio of1∶1.According to thesemodels，the surgeonswere able to fully understand the aortic diseases of patients，thus establish individualized treatment strategies for each patient.Besides，the surgeons simulated operations on the models，which helped them achieve better results in real surgery.These patients experienced no post-operative complications and were discharged from hospitalwith recovery.In conclusion，RP technology can provide adequate preoperotive preparations for patientswith Standford type A aortic dissection，improve operation efficiency and accuracy in aortic dissection and guide precise proximal anchoring of stents during intracavitary therapy.

aorta；aneurysm；dissection；aortic diseases；3D printing；rapid prototyping technology

R 654.2

A

1000-1492（2016）05-0748-04

2016-01-18接收

安徽省科技攻關項目（編號：1301042198）

安徽醫科大學附屬省立醫院心臟外科，合肥 230001

楊 迅，男，碩士研究生；

嚴中亞，男，教授，主任醫師，碩士生導師，責任作者，E-mail：yan20047@163.com