3D打印技術在心臟外科教學中的應用

張超宇 莊康樂 張錫棟 魏 宇 孫海磊 葛建軍 程光存

心胸外科教學中的難點和重點是冠心病和主動脈夾層，如何提高教學質量使學生能夠盡快地熟悉和掌握這兩大類疾病，是臨床教學關注的問題，我們嘗試性地將3D打印模型技術運用于這兩種疾病的教學中。3D打印（3D Printing technology）技術即快速成型技術的一種，又稱增材制造，它是一種以數字模型文件為基礎，通過計算機處理與重建，運用金屬、陶瓷、高聚物、復合材料以及生物墨水等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。其作為新興的技術已被廣泛地應用于材料應用、化工設計、機械工程以及醫學領域等不同領域[1]。為促進臨床教學的創新以及質量的提高，現將3D的打印技術應用于心胸外科教學情況進行討論。

1 3D打印構建原理及步驟

3D打印技術可以通過對物體進行逐層的CT掃描或者3D掃描，以獲得物體的三維數據，然后經過機算機進行重建并設計模型數據，將圖像分割為不同的二維的平面數據和三維重建，把二維的圖像轉化為三維立體的模型。采用3D打印技術打印出正常的冠狀動脈和冠心病的冠狀動脈模型及主動脈夾層的模型，研究其在心胸外科臨床教學中的應用。

1.1 獲取數據 在醫學研究中MRI、CT等數據基礎是比較容易獲得，并貼合臨床特點的。64排MSCT對于正常的冠狀動脈和冠心病及主動脈夾層的診斷具有重要的診斷價值[2]。隨機抽取臨床為正常的冠狀動脈和冠心病及主動脈夾層患者，通過64排多層螺旋CT掃描儀（Discovery CT 750 HD）對其進行心臟及胸腹主動脈掃描，掃描范圍則為胸廓入口至恥骨聯合，采集原始數據，并保存為DICOM格式以便下一步對數據進行處理。

1.2 重建模型 將獲得的初步DICOM數據導入醫學三維圖像處理系統Minmics，進行進一步的數據處理重建，把0.625 mm厚度平掃斷面按照不同切面進行數據堆疊，對目標區域分別進行分割，劃分為正常的冠狀動脈和冠心病及主動脈夾層，正常的冠狀動脈及冠心病的冠狀動脈，主動脈夾層的主動脈、主動脈真腔以及主動脈假腔，并通過Boolean運算來計算正常的冠狀動脈及冠心病的冠狀動脈及主動脈夾層，從而將患者的數據進行區域化三維重建并整合，保存重建模型為STL格式。

1.3 模型打印 將三維數據導入3D打印機，選取現在的主流材料之一ABS材料作為打印材料，采用當前常規噴嘴，并通過高溫熔液以及粘合劑的堆疊進行逐層打印，最終得到與正常的冠狀動脈和冠心病的冠狀動脈及主動脈夾層血管實體1:1大小的三維模型。再用同樣的方法獲得患者術后的CTA數據，打印出術后主動脈夾層模型。

2 3D打印在教學中的應用

隨著3D打印技術的不斷更新與發展，快速成型技術廣泛的應用于生物醫學領域，并應用而生出更多的新的技術，主要包括選擇性激光燒結技術（SLA）、選區激光融化技術（SLM）、熔融沉積制造（FDM）、三維噴?。?DP）和直接攜帶細胞的生物打印等[3]，這些技術再次推動了臨床診療水平及相關教學水平的進一步提高。

2.1 心胸外科教學中的解剖難點 心臟作為人體循環系統中非常重要的器官，位于胸腔的中縱隔，毗鄰左右肺、食管和膈肌等，有著復雜的腔室結構，連接著主動脈、肺動脈、肺靜脈、腔靜脈等重要的大血管，內含復雜而精細的傳導系統和瓣膜結構[4]。因此有關于心臟大血管的疾病，需要醫學生掌握基礎而扎實的心血管解剖學、生理學、病理學以及藥理學等諸多知識，這些為醫學生學習心胸外科疾病增加了更多的難度。心胸外科較高要求的專業性，極強的動手能力實踐，以及嚴謹的術式研究，使得心胸外科醫學生在臨床技能實踐中往往遇到很大的困難。過去的教學模式大多為書本教學與臨床影像學教學相結合對臨床病例分析，醫學生在學習的過程中面臨著對解剖不夠了解、影像資料較為抽象以及疾病機理不甚直觀等問題。復雜的心臟解剖結構和存在一定變異度的冠狀動脈血管，主動脈夾層撕裂位置及累及冠狀動脈開口、主動脈瓣膜情況，夾層真腔及夾層假腔情況等，這些疑難疾病的病理生理特點往往導致醫學生在臨床中不能及時理解和準確判斷這類疑難疾病。3D打印技術的應用改變了傳統教學模式，使得教學技術不再局限于書本以及CT、MRI、超聲等影像對臨床的分析。

2.2 3D打印在冠心病中的教學應用 以對比正常的冠狀動脈及冠心病患者的冠狀動脈及主動脈夾層為例，通過對于健康人的冠狀動脈和冠心病患者的冠狀動脈及主動脈夾層患者術前的CTA數據的采集，進行三維的重建，打印出與正常的冠狀動脈和冠心病的冠狀動脈及主動脈大小為1:1的3D打印模型，并分析對比正常的冠狀動脈及冠心病患者的冠狀動脈模型。圖1A為正常人的心臟冠狀動脈模型，圖1B為冠心病患者的冠狀動脈病變情況，通過3D打印模型，醫學生能夠更加直觀地觀察到正常的冠脈血管和異常病變的冠脈血管情況。同時通過判斷異常病變的冠脈血管部位，進一步測量冠脈血管及其周圍和分支血管的狹窄和受累程度，完善術前評估，做好充足的術前準備，進行實體模型的術前演練，更加豐富醫學生對于冠心病的理解以及手術知識。以對比正常的冠狀動脈及冠心病患者的冠狀動脈及主動脈夾層為例，通過對于健康人的冠狀動脈和冠心病患者的冠狀動脈及主動脈夾層患者術前的CTA數據的采集，進行三維的重建，打印出與正常的冠狀動脈和冠心病的冠狀動脈及主動脈大小為1:1的3D打印模型，并分析對比正常的冠狀動脈及冠心病患者的冠狀動脈模型。圖1A為正常人的心臟冠狀動脈模型，圖1B為冠心病患者的冠狀動脈病變情況，通過3D打印模型，醫學生能夠更加直觀地觀察到正常的冠脈血管和異常病變的冠脈血管情況。同時通過判斷異常病變的冠脈血管部位，進一步測量冠脈血管及其周圍和分支血管的狹窄和受累程度，完善術前評估，做好充足的術前準備，進行實體模型的術前演練，更加豐富對于冠心病的理解以及手術知識。

圖1 冠心病和主動脈夾層血管3D打印圖

2.3 3D打印在主動脈夾層中的教學應用 通過標注主動脈真腔、假腔以及夾層的區域，直接讓醫學生更加直觀地觀測到主動脈夾層的撕脫方式及起始部位等，對比學習Stanford A型和Stanford B型主動脈夾層相同點與不同之處。圖1C為3D打印技術打印出的Stanford A型主動脈夾層的模型，圖1D為3D打印技術打印出的Stanford B型主動脈夾層的模型，模型中紅色部分是主動脈夾層中的真腔，綠色則是假腔，黃色則為內膜片的位置。醫學生可通過對比模型中不同顏色的真假腔的相對位置、同行長度、主動脈壁的撕裂程度，拆分區域模塊來確定夾層大小、夾層范圍，理解不同分型的主動脈夾層中假腔起始部位、撕脫長度、累積血管等，從而快速熟悉和掌握主動脈夾層的不同分型的疾病特點。主動脈夾層的撕裂口往往位于主動脈瓣上處及左鎖骨下動脈起源處的胸降主動脈[5]，夾層從破口處可以延至主動脈弓、胸主動脈或腹主動脈及其分支。譬如Stanford A型主動脈夾層病情緊急且危重，自然預后較差，因此早期手術作為Stanford A型主動脈夾層治療的理想方法，在手術前選擇合適的手術術式就顯得尤為重要。對主動脈夾層進行手術術式的選擇及研究，過去往往通過結合CT、MRI、床旁X線等影像學來進行臨床病例分析，從而選擇較為合適的術式。但傳統二維的影像學資料往往不夠直觀與具體。通過快速成型技術打印出來的模型，可以讓醫學生快速找到破口位置、撕破口距離主動脈瓣的位置、夾層累積情況。術前通過快速成型技術打印的患者主動脈及大血管而成的等比模型，能夠讓醫學生早期診療，進行手術術式的選擇以及模擬手術進程。可以根據等比打印模型，判斷心臟周圍血管受累情況，直接觀測其余動脈走行及其分支的血管狀態、分支血管的血供狀態，血管直徑大小和累積主動脈弓的范圍，以及胸主動脈、腹主動脈乃至更長分支的受累情況，獲得客觀數據等[6]。

2.4 3D打印技術對于術前準備的應用 心臟因其作為循環系統中特別重要的器官，其復雜的解剖位置，豐富的血管分布，重要的功能，成為外科手術中比較困難的部位。冠心病和主動脈夾層作為心臟外科的難點，也是心胸外科教學中的不易學習與掌握的重難點。以主動脈夾層為例，手術原則是消除假腔、置換病變血管、重建分支血管血供。對于術式具體選擇應用，較新的快速成型技術結合傳統的床邊X光、床邊B超能夠提供更多平常影像學不能直接觀測到的信息。手術術前在等比大小的3D打印模型上進行精確定位后的反復手術演練，可以為挑選較佳手術方式和合適切入口提供幫助。根據主動脈夾層的病變情況進行手術模擬，術前判斷主動脈夾層是否累及冠狀動脈情況，確定手術方式，做好術前準備。對于受累血管的管腔直接測量數據（近端破口處血管直徑、總共受累血管長度、遠端假腔終點處血管撕裂程度等），可以提前準備支架類型和支架型號，通過對手術術前的積極準備減少實際手術時間以及停循環時間，能夠減少吻合口出血以及術后的呼吸衰竭、腎臟衰竭以及腦部等并發癥的可能[7]。

3 3D打印在心臟外科教學中的優勢及前景

3.1 3D打印在外科教學中的優勢 心臟解剖作為心臟外科的基礎，結構較為復雜，心臟生理以及心臟疾病的病理生理變化也很復雜，醫學生在心胸外科學習的過程中缺乏直通學習的機會，感覺比較抽象，不能將心臟血管解剖與疾病的發生發展有機結合起來，從而對于冠心病以及主動脈夾層這兩大難點的學習更加困難。3D打印技術打印而成的模型可以具現出傳統影像學資料所不能體現的立體結構特點，學生可以通過正常的心臟血管模型對心臟及其周圍大血管進行局部與整體的解剖學習，對比疾病下的模型，從而掌握疾病發生的解剖基礎與病理生理等理論結合知識。術前通過在3D打印的模型上對病變的結構區塊的識別拆分，精準地選擇手術術式，通過術前進行反復的手術演練，可以為實際操作提供思路和經驗，減少術后并發癥。授課老師也可通過術前疾病狀態的模型來教學講授疾病特點，更加有利于學生學習理解。

3.2 3D打印技術在心臟外科教學應用的前景及限制 通過快速成型技術打印出的模型在心臟外科的教學中具有明顯的優勢，但同時3D打印技術也有著打印成本較高，耗時較長、打印材料受限等問題。打印出的模型不能精細到可以表現出心臟以及血管流動力學特點，不能完全復制出血液流動狀態等問題。這些問題將會伴隨新一代的計算機科學、高分子材料學、人工智能化等不斷地發展以及機械的革新在不遠的將來得到完善，3D打印技術將會在心臟外科教學乃至外科教學中更加精細而準確地應用與發展。