3D打印技術在先天性心臟病個性化診治中的應用

董柱 劉瑩 曹一秋 王曉武

1南方醫科大學（廣州 510515）；2廣州中醫藥大學（廣州 510000）；3廣州軍區廣州總醫院心臟外科中心（廣州 510010）

3D打印技術是一種通過3D計算機圖像源文件中制作出物理模型的技術，它也被稱為立體成像或加法制造。3D打印技術在醫學的第一個應用為口腔頜面外科手術和整形外科［1］。近年來，隨著3D打印技術在醫藥領域的應用迅速增加，許多醫院都在購買內部3D打印機，3D打印技術在骨科［2］、神經外科［3-4］、胸外科［5］等領域的探索也正在進行，這項技術也被用于制造生物材料［6-7］，用于修復心臟缺陷，指導個性化治療。也有研究［8-9］在探索運用3D打印技術進行器官組織的生物打印，打印出具有生物活性的器官組織。在心臟外科方面，由于心臟圖像顯示在2D屏幕上，我們很難理解復雜的心臟三維結構，尤其體現在復雜先天性心臟病診治中，3D打印心臟模型可以直觀地觀測心臟結構，用于協助手術規劃、決策和術中定位，提供個性化治療策略，同時其也可應用于教學和臨床培訓等。

1 3D打印心臟模型的獲得及應用

獲得3D打印心臟模型的過程包括以下步驟：（1）獲取3D打印醫學模型的數據來源：可以通過計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic reso?nance imaging，MRI）和超聲波（B超）等儀器掃描獲得圖像數據并以醫學數字成像和通信（digital imaging and commu?nications in medicine，DICOM）格式存儲。（2）分割圖像：數據圖像通過分割和網格生成工具處理，并轉換為可以被三維打印機識別的標準STL格式的文件。（3）3D打印：把經后處理的STL格式文件輸入到3D打印機內進行3D打印，最終獲得3D打印心臟模型。

目前有3種3D打印機常用于醫學打印，它們分別是：熔融沉積制造（fused deposition modeling，FDM）、光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）和基于噴射的成型技術（jetting technoloy，PolyJet）的3D打印機，各種打印機各有優劣，應根據研究條件適宜選擇。獲得3D打印模型后，模型可以用于教學、臨床培訓、手術設計和模擬，手術后，患者的模型數據可以用于建立3D心臟數據庫，有利于提高教學水平及手術技巧。3D打印心臟模型的獲得及應用見圖1。

圖1 3D打印心臟模型的獲得與應用Fig.1 Acquisition and application of 3D print heart model

2 心臟模型的數據來源及各自優勢

標準成像方式有超聲心動圖、CT、MRI等，可以對先天性心臟缺陷進行準確評估。然而，這些標準方法在復雜的先天性心臟缺陷的三維心血管解剖結構的精確成像上可能還不夠。基于CT或MRI數據的3D打印心臟模型是比較準確和直觀的評估方法，而最近研究表明［10-11］3D心臟超聲數據也可以用于3D打印。在這些數據源中，CT是診斷復雜先天性心臟病的一種精確的方法，其超空間分辨率可以清晰地顯示冠狀動脈和肺血管等細小結構。與其他成像方法相比，CT可以更好地顯示原生血管的狹窄和管道通暢與否［12］。相比之下，心臟MRI磁共振圖像空間分辨率及層厚的選擇不及CT，但磁共振有較高的軟組織分辨率［13］。而三維超聲心動圖在對瓣膜運動及缺陷的詳細可視化方面優于其他成像方式［14-15］，其在經濟、可操作性、便捷性等優于CT及MRI，但心臟CT和MRI可以提供更好的血液池與心肌的對比［16］。

3 3D打印技術在先天性心臟病診療中的應用

3.1 3D打印技術應用于簡單先天性心臟病近年來，我國先心病介入治療發展迅速，個性化及精準化治療深入人心，患者越來越愿意接受這種創傷小、恢復快的治療方法。據研究表明［17］現今大部分動脈導管未閉可行介入治療，但在多發、形狀不規則和邊緣欠佳的房間隔缺損和多孔的室間隔缺損，選擇適合的封堵器常存在困難，術中常有更換封堵器的情況，造成醫療資源的浪費。近年來國內阜外心血管病醫院鄭宏團隊［18］在3D打印技術輔助下經皮房間隔缺損封堵方面取得了成功，在多發孔型房間隔缺損和以往被視為禁忌證的下腔型房間隔缺損封堵方面也取得了突破性進展，術前通過3D打印的實物模型上模擬手術，應用動脈導管未閉封堵器實現下腔型房間隔缺損經皮封堵術。SO等［19］報道了1例56歲的已行經皮房間隔封堵術的女性患者封堵器局部咬合不牢，經食道超聲顯示出現左向右分流量較大，需再次手術，采用3D打印技術對患者心臟進行打印，模擬并指導介入手術的進行，手術成功。3D打印技術應用于簡單先天性心臟病的介入治療具有其獨特的優越性，不僅可以指導經皮的先天性心臟病介入手術，我們也可以嘗試用于經胸的先天性心臟病介入手術，通過重建心臟及胸廓模型，我們可以于術前準確的選擇手術入路，制定導絲進入的角度及封堵器的類型及大小，減少更換封堵器的情況，使手術更加順利的進行。

3.2 3D打印技術應用于復雜先天性心臟病

3.2.1 3D打印技術應用于復雜先天性心臟病心內畸形GAREKAR等［20］報道了從2015年4-9月，對5例右室雙出口（double outlet right ventricle，DORV）合并VSD室間隔缺損（ventricular septal defect，VSD）患者行心臟CT或MRI并對患者心臟進行3D打印獲得3D打印心臟模型，用于指導心臟手術策略的制定及手術規劃。ANWAR等［21］同樣報道了3D打印技術應用于DORV患者中，用于精確地理解復雜的解剖結構、規劃外科手術、教導學員和更好地與患者溝通。在VALVERDE等［22］報道的多中心研究中，也有大量的DORV患者使用3D打印心臟模型指導手術的進行，提高手術的成功率。研究表明在DORV（主動脈瓣下室間隔缺損）的這種更簡單的情況下，左心室可以通過VSD手術“擋板”到主動脈，但在更復雜的情況下，VSD與主動脈之間的關系不太清楚，3D打印心臟模型能更為直觀地向我們展示DORV患者心內結構的毗鄰關系，指導個性化治療。RYAN 等［23］對法洛四聯癥（tetralogy offallot，TOF）合并肺動脈閉鎖的患者進行3D打印，用于探討3D打印技術識別MAPCAs位置的新方法，并得出有利于手術的順利進行并減少術中出血的結論。最近OLEJNIK等［24］又報道了3D打印技術應用于TOF，探索3D打印心臟模型在描述發育不良的右心室流出道及其他毗鄰空間結構的優勢。TOF患兒的預后主要取決于肺動脈狹窄程度及側支循環情況。而3D打印心臟模型在顯示右室流出道和側支循環中有其獨特的優勢，更好的心臟結構顯露可以讓臨床醫生更好地制定治療計劃，改善預后。

3.2.2 3D打印技術應用于復雜先天性心臟病血管畸形及異常主動脈弓中斷（interrupted aortic arch，IAA）是一種罕見先天性血管畸形疾病。這種疾病常伴室間隔缺損并出口隔后不良。VODISKAR等［25］研究了1例新生兒患B型IAA、VSD合并出口隔后不良患者，研究人員對患者心臟進行3D打印，用于研究3D心臟模型輔助醫生理解復雜結構，指導手術入路。3D打印技術也有用于完全型大動脈轉位（transposition of the great arteries，TGA）診療的研究，TGA是主動脈與肺動脈在解剖上互換位置，形成體循環與肺循環異常的一種先天性血管畸形。VALVERDE等［26］報道了1例1.5歲的TGA伴VSD，肺動脈狹窄的男孩病例，在患者出生1個月時，患者行B-T分流手術，手術后患者仍有嘴唇紫紺，氧飽和度是80%，研究者對患者心臟進行3D打印，并根據3D心臟模型對其進行手術設計及模擬手術，隨后患者接受了Nikaidoh手術，手術非常成功，患兒康復良好。在主動脈縮窄和共同動脈干等血管畸形中也有相關研究，HADEED等［27］研究3D打印技術應用于4例復雜先天性心臟病患者，其中包含主動脈縮窄伴VSD，共同動脈干患者，用于手術模擬及術式選擇，以更好地進行血管畸形的矯正。

3.2.3 3D打印技術應用于復雜先天性心臟病介入治療VELASCO FORTE等［28］對3例靜脈竇型房間隔缺損伴部分異常肺靜脈引流患者的心臟進行3D打印，更準確地評估靜脈竇型房間隔缺損和部分異常肺靜脈引流的解剖結構，從而開發出一種安全的、臨床上有效的介入式插管治療方式。RATNAYAKA等［29］在單心室伴嚴重肺動脈狹窄患者的介入治療中使用了3D打印技術，3D打印心臟模型用于輔助單心室的介入治療，使得在當前治療單心室開放心臟手術之外提供了一種新的手術方式。筆者認為使用3D打印心臟模型指導先天性心臟病的介入治療，幫助改進介入治療的方式和在現有治療方式上提供一種新的治療手段，這將是3D打印在先天性心臟病診治中應用的趨勢。

4 3D打印心臟模型的優勢及不足

4.1 3D打印心臟模型的優勢3D打印心臟模型對患者心臟的評估相比于傳統成像方式具有許多優勢，首先，3D打印心臟模型可以很好地減少手術時間和并發癥發生率。這已在分流病灶、經導管主動脈和肺動脈瓣植入術和主動脈縮窄的支架等［14-15，30］臨床術前決策上進行了論證。其次3D打印心臟模型可以幫助心臟外科醫生形成良好的心臟和大血管空間思維模式，并通過對少見病、罕見病模型的觀摩，理解其機制和產生的血流動力學等病理結果，豐富其專業知識，提高其分析能力和診治能力［31］；另外有研究［32-33］使用心臟模型3D打印技術融入到基于模擬的先天心臟中疾病和重癥監護培訓課程，用于培訓年輕住院醫生和護士，所以3D打印的心血管異常模型可以作為寶貴的教學和培訓工具。最后，心臟外科醫生可以根據3D打印心臟模型進行準確的術前手術設計及模擬［34］，并準確地測量分流或通道的長短及判斷其是否狹窄，這是對術中解剖學的精確描述，以確定把補片放于最符合血流動力學的位置。

4.2 3D打印技術的不足3D打印技術盡管理論上在醫學上的應用是無止境的，但在它的潛力得到充分利用之前，還需要跨越一些障礙。3D打印模型的主要局限性在于它是動態器官的靜態表示，同時數據集與增益設置、輪廓檢測和交互間變化的差異，也可能導致在實體模型中出現微小的偏差。另外3D打印技術應用還需考慮其成本效益，首先是時間成本，打印一顆心臟的時間為15 h，包括分割和快速成型的2～3 h，打印和后處理10 h。其次是物質成本，根據CHD的大小、材料和復雜性，簡單模型或復雜模型的成本可能從500美元到3 500美元不等。最后，制作3D打印心臟模型需要的是整個團隊的合作，包括心臟外科醫生、影像科醫生、3D打印工程師等，需要極大的人力成本［35］。

5 3D打印技術在心臟外科應用的未來展望

3D打印心臟模型是直觀、準確，能夠實現與實物間1∶1的復制的一種技術，可以為術者全方位展示病變部位及其與周邊組織的關系，指導選擇手術方式及手術的路徑設計，并且隨著打印材料及技術的研發，未來有望打印出具有一定柔軟性且可切割的甚至是具有生物活性的心臟模型。在本綜述中，我們討論了目前3D打印技術在先天性心臟病中的應用，并介紹了應用3D打印技術在先天性心臟病應用中的優勢和不足。現階段，3D打印技術的應用大多局限于診斷與指導治療，而應用3D打印技術指導選擇或制造封堵器和瓣膜個性化治療方面研究較少。我們相信在3D打印技術飛速發展的今天，3D打印技術在心臟外科的應用前景會更加廣闊與普及，這需要更多的研究及科學數據。