3D打印在先天性心脏病治疗中的应用现状及展望

韩宇、高传玉、郑宏、彭帮田、程兆云综述，范太兵审校

3D打印在先天性心脏病治疗中的应用现状及展望

韩宇、高传玉、郑宏、彭帮田、程兆云综述，范太兵审校

国外，3D打印技术在先天性心脏病（先心病）的诊治方面已取得了良好效果。我国先心病的诊断主要依赖于超声心动图、计算机断层摄影术及心血管造影等检查，缺乏直观和立体实物效果。3D打印技术在先心病尤其复杂先心病的诊治方面有独特优势，3D打印模型既可以明确诊断又可以供术前模拟操作，但国内尚处于尝试阶段，其应用前景广阔。

3D打印；先天性心脏病；心脏模型

3D（3-dimensiona）打印是借助于精密机械、材料科学及信息技术等多学科发展而来的尖端技术，又称作“增材制造”技术或“快速成型”技术，利用电脑创建的三维设计图将材料进行分层“打印”叠加，最后整体成形。目前，3D打印在医疗领域主要应用于：置入性假体制作、组织工程支架、手术策划、组织器官培养、给药系统以及辅助用具制作方面[1]。关于3D打印技术在先天性心脏病（先心病）中的应用，虽然国外早有研究，但国内尚处于尝试阶段；国内虽有综述报道[2]，但主要是国外的应用现状，缺少国内资料。本文就3D打印技术在先心病中的国内外应用现状作一综述。

1 3D打印在简单先天性心脏病中的应用

简单先心病主要包括：房间隔缺损、室间隔缺损和动脉导管未闭。这些简单先心病通过常规外科手术可完全治愈，但存在开胸、体外循环、全身麻醉以及可能的输血因素，患者及家属不易接受。近年来，我国先心病介入治疗得到了快速发展，绝大多数动脉导管未闭均可行介入治疗，在有条件的医院，介入治疗基本取代外科手术。继发孔型房间隔缺损只要边缘条件好且直径≤36 mm，其介入治疗的成功率可达97%以上[3]。对于简单先心病，经皮介入封堵术越来越成为患者的优先选择。

在为简单先心病患者行经皮介入封堵术时，术者主要依据术前超声心动图和术中造影估测缺损大小，从而选择封堵器；但对于多发、形状不规则和边缘欠佳的房间隔缺损以及膜部瘤形成且存在多个破口的室间隔缺损，选择合适的封堵器常存在困难，即使结合术前超声心动图、计算机断层摄影术（CT）、磁共振成像（MRI）和术中造影结果，术中更换封堵器的情况时有发生，这不但是医疗资源的浪费，也为患者和术者带来了不必要的麻烦。3D打印技术是传统医学影像学与解剖学之间的桥梁，可通过计算机软件，根据CT或MRI的二维图像数据，打印出真实的心脏模型，精确重现缺损部位、形态及其与瓣膜和周边组织的关系，允许医生直接在1：1打印出来的实物模型上，制定手术方案且可以进行术前封堵模拟，这对节约医疗资源、降低手术风险、提高手术效率等都具有重要意义。国内阜外心血管病医院郑宏教授做了尝试性工作，已有3D打印技术辅助下经导管封堵主动脉窦瘤破裂的报道[4]；郑宏团队在3D打印技术辅助下经皮房间隔缺损封堵方面也取得了喜人成绩，一次封堵成功率得到明显提高，尤其在多发孔型房间隔缺损和以往被视为禁忌证的下腔型房间隔缺损封堵（图1、图2）方面取得了突破性进展；术前通过在3D打印的实物模型上模拟试验，应用动脉导管未闭封堵器实现下腔型房间隔缺损经皮封堵术，短期随访效果肯定，国内外尚未见报道，但这也仅是个案，还需更多病例和更长时间随访来加以验证。

图1 下腔型房间隔缺损3D打印模型上模拟封堵

图2 房间隔缺损封堵成功后正位X线胸片

2 3D打印在复杂先天性心脏病中的应用

复杂先心病主要包括：法洛四联症、肺静脉异位引流、单心室、右心室双出口、肺动脉闭锁、大动脉转位等。各种复杂先心病的心腔、瓣膜、静脉及动脉的连接与交通各不相同，如果再合并心脏转位，即使结合超声心动图及心脏CT也难以构建真实的心脏形态，常存在漏诊和误诊的情况[5]。

复杂先心病常见于新生儿及婴幼儿，为进一步明确诊断，需多角度重复心腔及血管造影，对比剂用量大、X线照射时间长，对患儿的生长发育不利。即使完成心血管造影检查，一些复杂先心病也只能靠术者去想象其立体结构，甚至不能明确诊断，往往须术中探查后再决定手术方式，开胸探查后无法手术的情况也时有发生。3D打印技术有效地解决了个性化治疗这一难题[6]。3D打印技术可根据心脏CT结果快速构建个体化数字人体心血管系统模型，国内可在几天内完成模型打印，因初步开展，模型质量欠佳，即使从美国打印，半月内即可完成。3D模型可清晰显示复杂先心病的三维立体结构，如果不需要血液动力学评估，仅需了解心血管结构关系，甚至可替代心血管造影检查，避免心血管造影中对比剂和X线的潜在伤害，术者可结合3D模型对该患者进行术前模拟和沟通，避免不必要的开胸探查，节省资源和时间，也大大减轻术者的工作负担和提高患者满意度，对于年轻医生的快速成长和指导医学教学等方面都大有益处。

国外，3D打印技术在救治复杂先心病中的临床应用价值已有报道[7]，国内尚未见文献报道。应用3D打印技术在复杂先心病诊治方面，阜外心血管病医院郑宏教授也做了开创性尝试工作，通过3D技术打印出一个近上腔静脉的房间隔缺损合并部分性心上型肺静脉异位引流及永存左上腔静脉心脏模型，并在模型上置入自制腔静脉支架完成肺静脉异位引流功能上矫治，但因伦理问题没能应用在患者体内，即使这样，也足以让我们看到3D打印技术在复杂先心病诊治中应用的曙光。

3 展望

先心病是指胚胎发育时期因心脏和大血管形成障碍，对心血管结构及功能产生的实际或潜在影响的一组先天畸形，是我国的首位出生缺陷疾病[8]。我国每年新增先心病约15万例。目前我国先心病的发病率约为4‰～8‰，其中约60%不到1岁死亡[9]。国外3D打印技术在医疗诊治中显示了很大的应用前景，包括齿科手术模[10]、先天无舌整形术[11]、颅骨重建整形术[12]、个性化人工耳的模具[13]、复杂脊柱修复术[14]及髋关节重建[15]等方面。在先心病如房间隔缺损、室间隔缺损及复杂先心病方面，3D打印技术也取得了良好的效果[16,17]。

我国先心病患病人数多，但3D打印技术在先心病中的应用尚处于起步阶段。3D打印心脏模型直观、形象，能够实现与实物间1：l的复制，为术者全方位展示病变视角及其与周边组织的关系，指导具体器材的选择及手术的路径设计。随着打印材料的研发，未来有望打印出具有一定柔软性且可切割的心脏模型，术者可直接在模型上进行手术演练，从而预测手术难度及手术效果。费用问题也是限制3D打印技术在先心病诊疗中普遍应用的原因之一，目前打印一个心脏模型约4 000元，相信随着国产打印模型的普遍开展，费用会进一步降低。

另外，经导管主动脉瓣置入术和经皮肺动脉瓣置入术在我国尚处于临床试验阶段，其成功的关键在于精准测量实物的各个数据及选择合适的瓣膜支架。国外有置入的带瓣肺动脉支架偏大压迫冠状动脉致死的病例发生，但也有3D打印技术辅助下经皮肺动脉带瓣支架置入取得良好效果的报道[18]。更可喜的是，有作者认为，3D打印技术在医学领域的应用可加速人造人体器官的进展，有望解决器官来源问题[19,20]。

综上，3D打印技术在简单先心病的介入治疗以及复杂先心病乃至所有结构性心脏病的诊疗和器官移植等方面均具有很好的应用价值和广阔的应用前景。

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2015-03-22）

（编辑：朱柳媛）

450000 河南省郑州市，郑州大学人民医院 儿童心脏中心（韩宇、高传玉、彭帮田、程兆云、范太兵）；阜外心血管病医院（郑宏）

韩宇 主治医师 博士 主要从事结构性心脏病的诊治工作 Email: hanyuicu2010@163.com 通讯作者：范太兵 Email:fantaibing@163.com

R54

A

1000-3614（2015）08-0810-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2015.08.023