3D打印技術在主動脈疾病中的應用

羅 康，段玉印，夏建明，張桂敏*

（1.昆明醫(yī)科大學，云南 昆明 650032；2.云南省阜外心血管病醫(yī)院，云南 昆明 650000）

3D打印技術也稱快速成型技術（Rapid prototyping technology）或立體平版印刷（stererolithography），依據(jù)計算機對物體收集數(shù)據(jù)的進行轉換、處理，圖像輔助設計，并應用特定機器對特定材料進行物理堆積或切割等方法來還原物體真實三維結構。3D打印技術自出現(xiàn)發(fā)展至今，已有20余年歷史，其技術已應用并不斷發(fā)展于工業(yè)設計、建筑、工程施工、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。醫(yī)療3D打印首次出現(xiàn)于1990年，研究者應用CT（computer tomography）圖像制作出了一個顱骨解剖模型，其詳細呈現(xiàn)出了顱骨內外結構[1]。自此以后其技術被廣泛應用于骨性結構的呈現(xiàn)。隨著3D打印技術的發(fā)展，已逐步涉及到心[9]、腦等復雜器官領域[2]，并取得了一定效果[1]。

本文將介紹目前國內外3D打印技術在主動脈疾病診療、教學、組織工程等科研方面中的運用現(xiàn)狀，該技術的優(yōu)越性，目前存在的不足及展望未來的發(fā)展方向。

1 3D打印模型在主動脈疾病診斷、手術方案和術中材料的制定及術前模擬中的運用

主動脈疾病（aortic disease），包括主動脈夾層（dissection）、主動脈瘤（aortic aneurysm）、主動脈潰瘍（aortic ucler）、主動脈壁血腫（intramural aortic hematoma）以及各類主動脈畸形，涉及到此類疾病，尤其是主動脈夾層這種嚴重威脅生命的急重癥，往往病情嚴重，病變復雜多變，涉及手術步驟繁瑣，技術復雜，手術創(chuàng)傷大，術后并發(fā)癥發(fā)生率及死亡率高。如何決定對其實施精確的外科手術或介入手術很大程度取決于對主動脈病變結構準確的認識（以主動脈夾層為例術者需了解破口位置、真假腔結構、真假腔血流情況、內膜片破損情況及分支血管比鄰[3][7-8]。

盡管目前CT、MRI（magnetic resonnance imaging）、超聲心動圖（echocardiography）等傳統(tǒng)影像學已發(fā)展到較高診斷水平，但此類檢查只局限于提供二維圖像，無法為醫(yī)師提供精確的三維立體直觀組織解剖關系，醫(yī)師必須自己在大腦中重構其空間結構，然而在此過程中，可能由于個人空間思維能力的差異而得出與實際組織結構或多或少有偏差的結論，而造成誤診和不夠完善甚至錯誤的手術方案[3]。3D打印技術則可以為醫(yī)師呈現(xiàn)更為客觀、直觀的組織構造，極大提高了醫(yī)師對病變的認識，更好的制定出個性化的手術方案[1][3]，并可依據(jù)3D模型制定個性化大小尺寸、形狀，材質的血管內植入物或所需用于替換的人工血管。醫(yī)師甚至可以在3D模型上反復演練手術過程，從而最大程度減少術前決策偏差；減少術中失誤；縮短手術時間；最大程度糾正血管病變、滿足患者血管功能需求，盡最大努力保障手術成功率，避免或減少手術并發(fā)癥，提高患者術后生存質量[1-4]。

Abdullrazak Hossien等人運用3D打印技術為3位主動脈A型夾層患者進行了術前病變血管3D模型的重建，并依據(jù)對模型的分析，明確了3位患者主動脈夾層各自破口位置、夾層累及范圍主動脈3大分支受累情況、真假腔關系及主動脈壁情況，從而制定出相應適合的手術方案。結果3位患者主動脈病變情況3D模型吻合，手術過程順利，術后恢復良好，均康復出院。在上述研究中Abdullrazak Hossien等人還指出，由于主動脈夾層在主動脈弓置換過程中要及深低溫停循環(huán)（deep hypothermic circulatory arrest），眾所周知其時間長短與術后并發(fā)癥發(fā)生率及預后密切相關。術前對3D模型的研究則可幫助術者縮短其過程中的決策及操作時間，最大可能縮短深低溫停循環(huán)時間。此外，他們還提出術前對于升主動脈撕裂情況的明確動脈供血管的插管至關重要，否則有很大風險供血管灌注于假腔而導致重要臟器供血不足[3]。

Ralf Sodian及 Daniel Schmaussd等醫(yī)師，運用3D打印技術分別為一位主動脈弓置換術后吻合口漏的患者和主動脈弓降部多發(fā)潰瘍的患者制定了個性化的封堵材料[4]，經(jīng)實際使用，發(fā)現(xiàn)其較以往統(tǒng)一規(guī)格的封堵器更符合患者主動脈條件，避免了因個體差異造成的主動脈損傷及主動脈重要分支血管的遮蓋。[4]

我國醫(yī)療學者、科研工作者也運用該項技術診治了各類心血管尤其主動脈疾病。通過實踐檢驗了3D打印在主動脈疾病中的可行性及優(yōu)越性，同時總結了經(jīng)驗及可不斷完善的方向。為該項技術的發(fā)展、成熟及廣泛推廣奠定了重要基礎。

2 3D打印技術在主動脈疾病及相關手術操作學習中的運用

對于正常心血管和病變解剖模型的學習研究對于心血管醫(yī)師認識相關疾病是非常重要的。傳統(tǒng)獲取模型的方法主要來源患者尸體器官以及將液體石蠟或硅膠樹脂灌注器官而制作出模型。而上述方法有其缺陷和局限性。首先，從尸體上獲取心血管標本價格昂貴而且資源有限，最主要由于尸體器官細胞死亡后脫水皺縮變形，與活體器官三維結構有所偏差。用澆灌法制作模型，在制作完成時也破壞了標本，只可一次性制作而無法進行后續(xù)研究，并且由于標本的變形所制作出的模型也會有相應偏差。此外，醫(yī)師只可通過傳統(tǒng)影像學圖像認識心血管疾病，其缺陷之前已有所描述。

運用3D技術則可以克服上述缺陷，可制作出與活體標本血管結構和材質最為接近的模型。醫(yī)師通過對模型的研究，可以了解認識各類主動脈病變結構。甚至在模型上模擬演練手術過程，嘗試研究新的手術方式。此技術可為培養(yǎng)鍛煉心血管醫(yī)師及心血管疾病教學科研提供全新的有效的手段。

3 3D打印在主動脈組織工程和人工血管方面的運用

隨著3D打印技術的進步，其技術已經(jīng)涉及到人體組織與器官的再造領域，雖然目前仍處于研究階段，但已取得了一定樂觀的成果。研究者已經(jīng)運用該項技術制備出豬主動脈瓣、兔軟骨細胞、包裹有細胞的膝關節(jié)半月板和椎間盤及已在臨床上使用的氣管、膀胱和皮膚等只有一種或兩種細胞組成的組織。

值得一提的是R.Sodian等研究者運用3D打印技術，使用Polyglycolic acid和poly-4-hydroxybutyrate為一位主動脈縮窄12歲男孩，制備了人工主動脈并進行了主動脈縮窄部的置換[6]。用上述材料所制備的主動脈其實充當了一個可供組織細胞在其中生長、增值分化的有生物降解性組織支架，其可隨其中不斷生長、增值分化和成熟的主動脈細胞組織所降解，從而在體內形成一個正常組織結構的主動脈。

此項技術與傳統(tǒng)該手術運用同種異體主動脈或人工血管置換相比存在以下優(yōu)勢。（1）其依據(jù)實際患者情況個性化設計所置換的主動脈，避免了由于個體造成的血管不匹配；（2）傳統(tǒng)的同種異體主動脈或人工血管不可能隨著年齡生長而生長，也沒有自我修復能力。尤其對于兒童患者而言，可能將來會面臨再次手術甚至術后并發(fā)癥而死亡的風險。而運用組織過程所設計的主動脈由于具有生物活性從而避免了上述風險的發(fā)生[6]。此項技術為其他需要主動脈置換的主動脈疾病提供了全新的、更加優(yōu)越的材料選擇。同樣也為將來實現(xiàn)有著多種細胞組成和有著復雜血管的器官打印邁出重要一步。

4 展 望

3D打印技術已經(jīng)應用于心血管臨床、科研及教學各個方面，尤其在主動脈領域取得了一定的成果。但是由于目前3D打印技術和材料有待進一步改進發(fā)展和研究樣本的有限，其仍然存在一些問題和不斷完善的空間[1]。

例如傳統(tǒng)影像學的構建只需7～10分鐘，這對于主動脈疾病術前準備尤其主動脈夾層急癥手術不會產(chǎn)生太大影響，而目前3D打印模型的構建要超過1個小時時間，這將會限制其在臨床上的運用[3]。此外3D打印模型的準確性取決于原始影像數(shù)據(jù)的準確度，其仍然有賴于現(xiàn)有的影像學檢查技術。由于目前該項技術要求高，設備、材料及使用相對昂貴并非每一個患者甚至每一個心臟中心都可以運用，目前缺乏大規(guī)模的臨床統(tǒng)計學研究[1]。隨著3D技術的不斷發(fā)展，工藝及材料的改進以及運用規(guī)模的不斷擴大，其制作時間及成本大大降低，達到目前傳統(tǒng)影像學使用條件而成為普遍的臨床科研手。隨著影像學采集方式技術不斷完善（我們今后可以嘗試整合不同影像學數(shù)據(jù)如CT、MRI、超聲等，取長補短，更精確采集用于3D打印患者的影像學數(shù)據(jù)），甚至將來開發(fā)出專門適用于3D打印技術的影像學數(shù)據(jù)采集方式。將來對提高每位醫(yī)師在主動脈疾病診治水平及每一位主動脈患者康復率做出巨大貢獻。

3D打印在組織及器官再造工程起著無比輕重的作用。隨著對目前3D打印主動脈組織工程成果上的進一步發(fā)展，進該項技術的不斷進步成熟，人類最終實現(xiàn)完美人造器官甚至人造生命體的創(chuàng)造將不再只是夢想。[6]

[1]孫立忠,劉寧寧,常 謙,朱俊明,劉永民,劉志剛,董 超,于存濤,鳳 瑋,馬 瓊.主動脈夾層的細化分型及其應用《中華外科雜志》2005年43卷18期1171-1176頁.

[2]張海燕,王 捷.快速成型技術在心血管疾病診治中的應用進展Progress in Modern Biomedicine 2009 Vol.9 No.8.

[3]楊 迅.迅速成型技術在主動脈夾層治療中的運用 安徽醫(yī)科大學碩士學位論文,2015年5月.

[4]陳鵬飛.快速成型技術制備仿生主動脈弓模型的初步研究安徽醫(yī)科大學碩士學位論文,2015年3月.

[5]楊 迅,嚴中亞.申運華快速成型技術在StandfortA型主動脈夾層治療中的應用.

[6]胡立偉,白 凱,鐘玉敏,孫愛敏,王 謙,劉金龍,邱海嵊,朱 銘.基于不同圖像分割法構建3D打印右室雙出口模型 中國醫(yī)學物理學雜志Vol.33No.12December 2016

[7]伍西明,羅 聞.3D打印術輔助治療腹主動脈瘤大眾衛(wèi)生報/2014年/6月/24日/第001版.

[8]袁良喜,劉廣欽,趙志青,包俊敏,陸清聲,景在平.3D打印技術在血管外科主動脈擴張性疾病臨床教學中的應用衛(wèi)生職業(yè)教育Vol.34 2016 No.24.

[9]袁 丁,趙紀春,康裕建,黃 斌,楊 軼,左 蕭,周 軒,胡 耀,熊 飛.3D打印技術輔助復雜主動脈夾層腔內治療中國普外基礎與臨床雜志2015年7月第22卷第7期.

[10]湯凱豐,朱杰昌,馮 舟,范海倫,張益?zhèn)?胡凡果,羅宇東,戴向晨.3D打印輔助體外開窗支架技術治療Stanford B型主動脈夾層1例報道《血管與腔內血管外科雜志》2016年9月第2卷第5期.