3D打印技术在Stanford B型主动脉夹层诊治中的应用进展

赵晶斌 张小鹏 苏成洋 周 栋

兰州大学第二医院血管外科，兰州 730000

主动脉夹层（aortic dissection, AD）是指各种原因造成的主动脉内膜破裂，血液自破口进入到血管内膜和中膜之间，并撕裂蔓延形成假腔的一类疾病[1]，也是一种凶险的心血管疾病，病情发展快且死亡率高，在治疗上困难且复杂。国外相关的统计资料显示，主动脉夹层的发病率高达0.001%～0.0029%[2]，以中老年居多，男性高于女性，且呈现出逐年上升的趋势。1970年，美国Stanford大学的Daily PO等[3]提出将主动脉夹层分为Stanford A型和Stanford B型。我国学者孙立忠采用孙氏分型法[4]将Stanford B型主动脉夹层细化分型：BC（Complex复杂）型和BS（Simple简单）型。自从Dake MD等[5]在1994年首次报道应用胸主动脉腔内修复术（thoracic endovascular aortic repair, TEVAR）治疗B型主动脉夹层以来，已成为目前治疗B型主动脉夹层的主要手术方式。对于近端锚定区长度不足的BC型主动脉夹层患者，当前重建左锁骨下动脉（Left subclavian artery, LSA）的手术方式主要包括以下几种：⑴杂交手术；⑵烟囱技术；⑶分支支架技术；⑷三明治技术；⑸开窗技术，包括原位开窗和体外开窗技术。3D（3-dimensional, 3D）打印技术也称为快速成型技术（rapid prototyping, RP），主要是以CT（computed tomography, CT） 和 MRI（magnetic resonance imaging, MRI）扫描获得的数据或计算机辅助设计的数字模型文件为基础，通过将各种材料逐层打印的方式来制造物体的技术[6]；3D打印的常规步骤包括图像获取、数据设计、材料选择、细胞选择、生物打印与应用[7]。现将3D打印技术在Stanford B型主动脉夹层诊治中应用综述如下。

1 3D打印技术的分类

1.1 熔融沉积成型

熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM)[8-9]也称为挤出成型，其工艺特点是原材料为ABS工程塑料、PLA聚乳酸等线性材料，该成型工艺尺寸的精度较高，可达0.1 mm，成型后的模型表面光滑、质量较好、易于装配，可快速构建瓶状或中空零件；并且在打印过程具有清洁、干净、无毒无害，和原材料利用率高、费用较低，还有在产生过程中产生的垃圾较少。其缺点是精度相对较低，成型悬空结构时需要大量支撑材料，难以构建结构复杂的部件，成形速度相对较慢，不适合构建大型部件。

1.2 激光光固化

激光光固化(stereolithography apparatus, SLA)工艺也称光造型或立体光刻[10-11]，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。其特点是成型精度和光洁度较高，固化速度快，适合制作精密的部件或模型；缺点是模型成型的尺寸偏小，制作过程中可有少量低毒物质挥发，并且其材料比较脆，对后期处理上有影像，还有设备及运行成本较高，对操作人员要求较高。

1.3 投影式三维打印

投影式三维打印（digital light processing, DLP）工艺的原理是利用直接照灯成型技术（DLPR）把光敏树脂固化成型，与SLA基本相似。DLP每次可固化成型一个打印平面的光敏树脂，而SLA是利用高能激光，每次固化成型一个光点，因此DLP打印比SLA打印的速度快很多[12]，使得打印模型的时间大大的缩短，减少了等待的时间。

1.4 投影式三维打印

造择性激光粉末烧结(se1ected laser sintering, SLS)[13-15]，其采用C02激光器作为能源，将包括尼龙粉、塑料粉和金属粉的各种粉未原材料进行烧结。SLS技术既能归入快速成型的范畴，也能归入快速制造的范畴，因为SLS技术可以直接快速的制造最终产品，这是其最大的特点。

1.5 电子束熔化成型

电子束熔化成型(electron-beam melting, EBM)[16]，其原理是采用高能高速的电子束去轰击金属粉末，使得粉末原材料熔化成型，最大特点是成型过程是在真空环境状态下进行，不受外界的环境干扰，使得成型件清洁度高，组织非常致密，有很好的力学性能，因此临床上采用的可植入体内的3D打印金属假体就是用此技术加工的。

2 精准医疗及其优点

精准医疗（precision medical）是近些年来发展起来的一种新型医学概念与医疗模式，即在当代医疗资源共享背景下的数字化时代，为了实现个体化治疗的目的，就必须以患者为圆心，在恰当的时间内，制定精准、及时的治疗方案。因患者对现代医疗技术有着微创化、精准化的需求，这也成为了未来医疗技术发展的使命[17]。3D打印技术具有个性化、针对性和远程性的特点，这也是精准医疗的具体表现形式之一[18]；因精准医疗具有精准化、个性化、定制化等优势[17]，要实现具体的精准医疗，应做到多学科融合、信息整合和新技术的开发运用，还必须有可靠的医疗投入[19]。

3D打印技术存在着一定的局限性[18]：⑴3D打印技术的基础是影像学的水平，通过影像学参数的设置以提高对微小结构打印的精准度；⑵从事计算机后处理技术临床医师不仅需要丰富的基础解剖知识，且需要对疾病有全面的认识，还需要熟练掌握计算机软件的操作；⑶3D打印对原材料的要求较高，且目前能够运用在心血管模型的原材料有限，因此在材料学方面的研发同样重要；⑷由于3D打印成本较高，会增加患者的经济负担；⑸目前3D打印的心肌及大血管壁在细节方面尚欠佳，且处于起步阶段[20]。

3 3D打印技术在Stanford B型主动脉夹层诊疗中的应用

3D打印以其在数字、分层、堆积、直接、快速制造的独特优越性[21]，已经在医学领域中得到广泛应用，尤其为心血管疾病的精准医疗带来了新的希望[17]。

Schmauss D等[22]术前运用3D打印技术显示出了其独特的优越性，通过打印出的3D模型不但能清晰的观察到精细的解剖结构及病变部位，且术前可进行手术的模拟，在具体手术实施时可提供巨大帮助。在B型主动脉夹层的诊疗中，运用患者术前CT血管造影（computed tomography angiography, CTA）或磁共振血管造影（magnetic resonance angiography, MRA）的DICOM格式的影像数据，进行等比例的3D模型打印；3D打印技术的发展，不仅为体外开窗技术的术前测量提供了一个直观和有形的3D模型，而且其优于屏幕上重建的三维图像[23]；通过CTA或MRA等影像学数据，医生可以了解患者不同扫描层面的病变情况，根据三维重建影像，综合运用自己多年积累的解剖学知识，通过在大脑中的空间想象，构建出一个立体的“三维模型”，这也是一个对二维断层影像进行三维重建的再加工重建的过程，十分依赖于医师基础解剖知识和空间想象能力，而对那些存在变异或复杂的解剖结构，即便拥有丰富临床经验的医师都很难想象出其空间结构；而通过3D打印模型可以清楚的观察到主动脉内部夹层真假腔间的关系，真假腔大小，夹层破口位置及大小，破口与主动脉各分支血管之间的位置关系，对解剖关系进一步熟悉，在术前能更加准确对B型主动脉夹层进行细化分型，更能精确的制定手术方案，以降低术中手术方案的变更率；也可以通过3D打印模型在术前更直观的指导选择TEVAR主动脉覆膜支架的型号、支架开窗的位置、支架释放位置。3D打印给外科医生带来的不仅是病变的真实展现，而且在手术方式的选择和术中指导上带来了福音；其不仅在提高手术效率方面，还在给患者带来了最大化的治疗效果和最小化的伤害方面都有一定的积极意义[19]。

目前国内已有中心报道利用3D打印技术辅助进行体外开窗的案例，解决B型伴有近端不良锚定区的主动脉夹层时需要封闭左锁骨下动脉的问题[24-25]。该手术的难点在于开窗孔位置的选择，单纯凭借CTA提供的数据进行体外开窗，会出现测量不精确，继而在对位上出现一系列问题，导致手术的失败，为了解决对位不准的问题，以前进行的体外开窗手术往往开窗孔径比左锁骨下动脉开口直径大很多，导致术中及术后出现内漏等一系列问题，这也是TEVAR左锁骨下体外开窗技术难以开展的最大障碍。

有了3D打印模型的辅助，使得开窗技术可以更加完美实施，尤其是体外开窗技术，极大的扩展了B型主动脉夹层腔内治疗的适应症，包括在行杂交手术时造成的颈部开放性切口，术后有出现脂肪液化或者切口感染的可能性，且术后疤痕较大，影响美观，以及在减少手术和麻醉时间，使高龄患者能耐受手术的可能等各方面问题；也在治疗的同时兼顾患者微创、美观方面的需求，则凸显了3D打印模型的直观、立体、可视、可触方面的优越性，达到精准医疗的目的。然而，有研究发现，3D打印模型与术前CTA测量各血管直径的结果相比，有超出标准差1 mm的差异，表明仍需要进一步提高3D模型打印的精确度[26-27]。

3D模型打印所需的时间也限制了其对病例是有所选择的，使其不适用于急诊手术的患者。通过等比例打印的3D模型，在临床医师诊疗过程中扮演着越来越重要的角色，有助于临床医师和患者家属之间的沟通，指导术前制定更加具体、个体化的手术方案，可以在体外模拟手术过程，减少医师手术时间、辐射剂量[28]，还可以最大限度的降低内漏的发生率和逆撕为A型夹层的发生风险，提高手术成功率，更加符合精准治疗的需求。

4 3D打印技术在医学生教学及初级医师培养中的应用

3D打印技术在医学生教学及初级医师培养中扮演着越来越重要的角色。3D打印技术的应用克服了传统的解剖学习环境污染、解剖结构变异、具体结果显示不清等问题，能够很好的还原解剖，同时对于各种变异也可以根据需要进行打印。英国阿尔斯特大学Joerg Wulf等[29]通过SkyScan 1172显微CT扫描仪，进行人小骨样本（锤骨、砧骨、镫骨）的微观成像，利用3D打印技术制作出放大20倍的小骨解剖模型用于临床解剖教学，帮助学生更加直观的理解复杂的解剖，取得了很好的效果。Mcmenamin PG等[30]利用3D打印技术建立了各种解剖结构的教学资源，并指出了过去尸体解剖中的各种不足和3D打印解剖模型的技术优势，即个性化的解剖复制、根据需要选择大小规模、全世界通用，从而避免了一些文化和道德问题，很好的实现了教学资源共享。

同时3D打印模型可以作为各种临床操作及手术技术的训练工具，在医学的临床教学和训练中发挥作用。Bagariaa V等[31]指出3D打印模型能够成为年轻医师学习复杂手术的重要工具，同时各种类型的模型能够提供给学生一个更好的理解疾病解剖和分类的机会。第二军医大学的袁良喜等[32]通过应用3D打印的主动脉病理模型及3D打印的血管腔内移植物模拟主动脉的腔内手术，将血管外科学习的住院医师分为实验组和对照组进行教学研究，实验组为3D打印辅助教学组，对照组进行传统方法教学，发现3D打印辅助教学组的学生在对血管系统解剖结构、主动脉疾病特征以及对腔内手术器具和过程的了解，对学习的主动性和自信心方面等均优于传统教学组；基于3D打印解剖模型的直观性，在医学教学中，可以充分调动学生学习的积极性，有利于培养医学生、医师形成良好的思维方式，提高了教学质量，然而，3D打印模型通常比较脆弱，不太适合在大班教学课堂上进行实际操作练习。可以说3D打印模型为临床的教学和训练提供了一种全新的模式。