3D打印技術在經導管主動脈瓣置換手術中應用價值分析

陳 強， 姜 益， 郝軍軍， 郭鋒偉， 何 勇， 屈航英， 鄭幸龍， 郜 揚

西安交通大學第一附屬醫院 心血管外科，陜西 西安 710061

心臟瓣膜病是心血管外科常見的疾病類型，現有的治療方式主要包括外科手術和介入手術兩種。針對主動脈瓣病變，2017年歐洲心臟病學會指南和2017年美國心臟協會/美國心臟病學會發布瓣膜性心臟病相關標準[1]。長期隨訪和大型臨床試驗研究表明，在中危主動脈瓣狹窄患者中，經導管主動脈瓣置換術的患者遠期預后不劣于傳統外科手術[2-3]。二尖瓣病變病因多見于風濕熱、心肌梗死后瓣下結構病變等，手術治療的長期效果優于藥物治療[4]。由于目前瓣膜病變患者主動脈瓣鈣化嚴重，二尖瓣病變多樣、瓣下結構復雜，術前病情評估尤其重要[5]。3D打印技術通過術前采集患者高分辨率CT及心臟超聲影像，應用3D打印軟件重建患者的心血管模型，可直觀地展示瓣膜結構及細節特征。臨床醫師可以術前應用等比例大小的3D打印模型直接觀察、模擬及優化手術過程，精準定位瓣膜釋放部位，從而縮短手術時間，提高手術安全性[6]。本研究旨在探討3D打印技術在經導管主動脈瓣置換術中的應用價值。現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取自2019年4月至2021年4月于西安交通大學第一附屬醫院心血管外科行經導管主動脈瓣置換術的16例患者為研究對象。納入標準：(1)年齡≥65歲；(2)主動脈瓣重度狹窄、主動脈瓣關閉不全的中高危患者，具有經導管瓣膜置換手術指征；(3)手術均由同一組醫師完成，術后規律隨訪；(4)經心臟超聲、計算機斷層掃描血管造影(computed tomography angiography，CTA)等影像檢查后制定3D打印模型。排除標準：(1)凝血功能異常，合并其他嚴重心血管疾病者；(2)肝、腎、肺功能異常者；(3)合并惡性腫瘤者。根據術前是否進行3D打印將患者分為A組(n=9)與B組(n=7)。A組中，男性4例，女性5例；年齡65～81歲，平均年齡(70.1±4.7)歲；歐洲心臟手術危險因素評分中危6例，高危3例；病變類型：主動脈瓣狹窄7例，主動脈瓣關閉不全2例；主動脈瓣結構特點：二葉畸形4例，瓣葉鈣化8例。B組中，男性4例，女性3例；年齡65～82歲，平均年齡(70.7±4.6)歲；歐洲心臟手術危險因素評分中危5例，高危2例；病變類型：主動脈瓣狹窄6例，主動脈瓣關閉不全1例；主動脈瓣結構特點：二葉畸形5例，瓣葉鈣化6例。兩組患者一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性。本研究經醫院倫理委員會批準。所有患者均簽署知情同意書。

1.2 研究方法 兩組患者均行經導管主動脈瓣置換術。A組術前通過心臟超聲、CTA等影像資料制定手術方案，選取匹配的瓣膜型號。B組術前通過3D打印的心臟局部模型制定手術方案，選擇匹配的瓣膜型號，在術前實物模型上模擬瓣膜釋放部位、角度、錨定點及釋放過程。

1.3 3D打印心臟模型制作過程 采集CTA數據，將DICOM格式圖像資料直接導入Materialise(比利時魯汶)公司制作的Mimics軟件進行手動、自動和半自動圖像分割，使用閾值分割功能提取心血管結構，重建完成后導出STL格式文件，然后導入到Geomagic Studio軟件進行模型優化處理，為3D打印做準備。最后，將優化后的STL文件導入3D打印軟件進行打印，打印完成后去除支撐填充物并用溶劑進行清洗，得到所需的心臟模型。見圖1。

圖1 3D打印心臟模型的制作過程

1.4 觀察指標 觀察兩組的手術情況及預后情況。手術情況包括手術時間、造影劑用量、術后ICU滯留時間及住院時間。并發癥包括瓣周漏、新發心律失常/傳導阻滯。

2 結果

2.1 B組患者3D打印瓣膜模型 3D打印模型可精確地呈現出主動脈根部解剖結構，清晰地顯示瓣膜及瓣環結構、形態、位置、鈣化部位及其毗鄰結構關系。見圖2。

病例號主動脈瓣類型正面觀背面觀上面觀底面觀1二葉畸形2四葉畸形3二葉畸形4二葉畸形5二葉畸形6三葉畸形7二葉畸形 ②

2.2 兩組患者手術情況比較 B組手術時間短于A組，造影劑用量低于A組，兩組比較，差異有統計學意義(P<0.05)。兩組患者術后ICU滯留時間、住院時間比較，差異無統計學意義(P>0.05)。見表1。

表1 兩組患者手術情況比較

2.3 兩組患者并發癥發生情況比較 A組術后發生瓣周漏6例，新發心律失常/傳導阻滯3例。B組術后發生瓣周漏1例，新發心律失常/傳導阻滯1例。B組并發癥發生率為28.6%(2/7)，低于A組的100.0%(9/9)，兩組比較，差異有統計學意義(P<0.05)。

3 討論

經導管主動脈瓣置換術是一種相對較新且發展迅速的治療方法。該技術需要大量臨床經驗的積累，且學習曲線陡峭。目前，傳統的醫學訓練方法需要使用動物模型，但代價高昂且難以獲得；使用人工心臟模型練習解剖結構設定有限，制造成本高。而3D打印技術的3D數據信息及實體模型可以在相應患者治療結束后長期保存，在臨床教學中作為訓練樣本，通過建立血流動力學模型，模擬重建手術操作過程。

2020年，Ali等[7]根據《3D打印指南和臨床適用場景》[8]，對不同成人心臟病是否適用于3D打印進行評分，其中，經導管主動脈瓣置換術、經導管二尖瓣置換術均為9分(最適用)[9]。在適合應用的基礎上，臨床對3D打印技術不斷優化，以期獲得確切的臨床獲益。與常規外科手術正中開胸心內直視下完成不同，經導管心臟瓣膜置換手術需在心血管外科、影像科、麻醉科、介入科等多學科協作診療下進行。術前通過X線、超聲心動圖、CTA等影像檢查得到心臟及大血管的影像數據，術中應用造影劑顯影心臟結構，調整DSAX球管投照角度，判斷瓣膜釋放位置[10]。整個過程基于二維平面或模擬重建圖像，要求醫師具備豐富的手術經驗及較強的空間思維能力。而借助3D打印技術，通過將瓣膜圖像實物化，將平面數據及圖形轉換為立體模型，可直接地觀察到主動脈環的形狀和大小、鈣化分布情況、冠狀動脈開口位置等細節特征，選擇合適的瓣膜型號，模擬手術操作，從多角度觀察、評估手術效果，預防手術并發癥及冠狀動脈阻塞。因此，在經導管主動脈瓣置換手術中應用3D打印技術可以提高手術方案的安全性和有效性[11-12]。

本研究中，B組手術時間短于A組，造影劑用量低于A組，說明3D打印技術應用于經導管主動脈瓣置換手術可以避免術中轉變手術方案，減少造影劑用量及透視次數，從而起到縮短手術時間、加速康復的作用。瓣周漏和傳導阻滯是介入瓣術后常見的并發癥，與瓣膜解剖結構、手術操作和生物瓣膜特點相關。因此，通過對3D心臟瓣膜模型進行觀察，可以明確生物假體瓣膜與心臟解剖結構之間的匹配程度，改進手術方案，從而降低術后并發癥和死亡的發生風險[13]。術后瓣周漏是由于生物瓣膜框架與原瓣環之間密封不充分、存在間隙，血液經瓣周出現回流[14]。有研究表明，使用3D模型的經導管瓣置換術可降低瓣周漏的發生率并改善預后[15]。本研究中，B組患者術前通過3D模型反復模擬手術操作過程，選擇合適的釋放與錨定位置，避免了反復試探性操作及位置判斷失誤，該組患者手術過程無瓣膜脫落或腦梗死發生，僅1例術后輕度瓣周漏，未特殊干預；A組6例患者術后出現不同程度的瓣周漏，其中，2例在首次釋放瓣膜后移位明顯、造影見大量反流，再次放置瓣膜支架后反流消失，另有1例術中瓣膜脫落、術后發生腦梗死，結合術前CT影像可見主動脈及瓣膜多發鈣化，考慮該例患者因主動脈瓣環鈣化嚴重，術中瓣膜釋放后生物瓣膜框架與瓣環難以充分貼合，移位過程中引起瓣膜及主動脈鈣化斑塊脫落，引起腦梗死，后期循環穩定后轉神經內科進一步治療。

綜上所述，3D打印技術應用于經導管主動脈瓣置換術效果顯著，能夠縮短手術時間，提高手術安全性，減少并發癥。但本研究樣本量少，仍需進一步研究。