3D打印技术在先天性心脏病诊断和介入治疗中的研究进展

李墨琦 金 梅

3D打印技术，又称增材制造技术(additive manufacturing, AM)，是指基于数字模型，根据离散、堆积的原理，将可黏合材料分层加工、叠加成型来构造实物模型的技术[1]。由于其能够精确的反映解剖结构，已被广泛应用于骨科，颌面外科，口腔科[2-3]。自1988年,Laschinger等[4]首次应用心脏核磁数据制作先天性心脏病(congenital heart disease, CHD)患者的3D心脏模型开始，3D打印技术就越来越多的应用于心血管领域，特别是在CHD诊断和介入治疗中逐步应用并取得了一定效果。

1.3D打印技术在先天性心脏病诊断中的应用

目前，CHD的诊断主要以2D成像为主，包括超声心动图，胸X线片，CT，心脏磁共振及心血管造影。随着技术的进步，以超声心动图、CT和MRI为数据源的3D打印技术在CHD临床诊断工作中得到了一定的开展。Olivieri等[5]以9例室间隔缺损(ventricular septal defect, VSD)的三维超声心动图为数据来源，进行3D打印制作模型，将3D打印模型的VSD大小与二维超声心动图测量的VSD大小做对比，发现数据没有显著差异，并且3D打印模型的精度<1mm。为了得到更精准的3D图像，也可进行多种数据源融合成像，为介入手术提供更可靠更全面的解剖学信息。

2.3D虚拟成像的临床应用

3D打印步骤包括：①获取心脏MRI、CT或超声心动图的原始数据图像；②使用软件对原始图像数据进行选取和处理，最终生成STL格式文件；③将STL格式数据导入3D打印机制作3D打印模型。软件处理后的3D虚拟模型也可以直观的展示心脏结构，Farooqi等[6]运用Mimics软件对6例右心室双出口患者的核磁成像数据进行处理，生成STL文件后分别用Meshlab和3-matic软件进行阅览和测量，辅助术者了解心脏解剖结构，制定手术计划。Dydynski等[7]以CT为数据源对5例右心室双出口的患者心脏进行了3D重建，明确了大血管关系及室间隔缺损的位置毗邻，并按照3D虚拟模型的解剖形态优化了手术方案。

3.3D打印技术在先天性心脏病介入治疗中的应用

(1)3D打印技术在VSD介入治疗中的应用 VSD的封堵一直是VSD封堵治疗中的难点。由于心室收缩运动和肌小梁的遮挡，肌部VSD开口难以满意暴露；并且通常呈左室面观为大缺损，右心室面观为小缺损或多个小孔的“奶酪”型缺损，需要行逆向法安放封堵器；膜周部VSD的封堵更容易出现术中出血、心脏穿孔、术后心律失常等并发症，对技术要求较高。应用3D打印技术制作肌部VSD的心脏模型可以用来模拟手术过程，降低并发症的发生率。2008年Kim等[6]报道一例以CT血管造影为数据源，运用3D打印技术制作模型辅助封堵14mm×12mm的中下间隔肌部VSD。Kim等根据缺损模型确定12mm的Amplazer封堵器不会影响主动脉瓣、二尖瓣和三尖瓣的功能，并且模拟了不同型号导管经上腔静脉、下腔静脉和主动脉通过VSD的轨线建立方案。最终决定采用JR-4导管通过主动脉逆行建立轨线，再经右侧颈内静脉进行封堵器的安放。通过模型确定的通过VSD的最佳方案保证最大程度利用JR-4导管两个弯度，同时使递送过程中导管折曲角度最小，减小了导管递送的难度。2017年Bhatla等[7]对一例7岁复杂先心病进行研究，患儿先后进行过多次手术及封堵，残余心尖部肌部VSD用2种不同型号封堵器试封堵失败，残余分流仍然存在。超声检查显示存在一个心尖部肌部VSD，为了能更直观的了解患者VSD的空间结构，术者以CT血管造影为数据源，用3D打印技术构建包括封堵器在内的心脏室间隔结构模型，模型显示心尖部为一结构复杂的多个肌部VSD。术者用模型辅助制定手术方案，避开由封堵器、室间隔和心尖左侧壁形成的管道型残余漏并且分别放置4个Amplatzer II型血管封堵器和1个Amplatzer 肌部室缺封堵器进行肌部室缺的封堵，术后仅有细小残余分流，患者肺血明显减少。

Bhatla等[7]也报道了一例通过3D打印模型明确缺损情况后改为外科手术治疗的病例。患者3岁6个月，心尖部及前间隔肌部多发室缺，封堵难度较大，术前以CT为数据源制作3D打印模型后发现缺损周围肌小梁较多不适宜介入治疗，最终改变方案行外科手术治疗。

(2)3D打印技术在房间隔缺损(atrial septal defect, ASD)介入治疗中的应用 封堵器的精确释放是介入手术成功的关键。2008年Kim等[6]在3D打印技术的帮助下，对1例50岁27mm×24mm房间隔膨胀瘤伴多孔型房缺和卵圆孔未闭的女性患者进行了封堵手术。Kim等对患者行CT血管造影并制作3D打印模型，模型直观的展示了房间隔膨胀瘤及多孔型房缺的数量、大小及位置关系，模拟封堵后显示采用35mm的Amplatzer Cribriform封堵器通过位于中央的房缺进行封堵可以达到良好的封堵效果。

3D打印模型不仅可以帮助术前封堵方案的制定，而且可以更直观的展示术后封堵器的位置及其与周围结构的关系，有助于术者评估封堵效果，预测患者远期预后。2016年Bartal等[8]对1例患有16mm继发孔型ASD的48岁男性进行了内科介入封堵手术，术中决定采用17 mm Amplatzer封堵器进行封堵，封堵器安放后行心腔内超声显示封堵伞释放良好，但左房伞与主动脉壁及左房顶部相接触。考虑封堵器左房伞展开后为31mm，可能会对ASD周围的结构造成影响，所以术后第二天行增强CT检查，并用其数据制作患者术后心室舒张末期3D打印模型，模拟封堵器置入情况，证实封堵器位置形态良好。

目前，国内也相继出现3D打印应用于特殊类型ASD介入治疗中的报道。杨帆等[9]应用3D打印技术制作了1例下腔型ASD患者的心脏模型， 模拟封堵后发现 ASD封堵器封堵效果欠佳，最终采用了动脉导管封堵器使手术获得了成功。2016年罗鸿幸等[10]对2例非常靠近主动脉及上腔静脉的ASD进行了封堵，为了确保手术顺利进行，术前通过心脏双源CT数据进行软件处理，在3D打印制作的心脏模型上模拟手术，确定封堵伞的尺寸，封堵成功且伞形态位置良好。多孔型ASD由于缺损位置、间距、大小的差异性很大，给介入手术方案的制定带来了很大的困难，存在封堵后残余分流，多个封堵器封堵稳定性不佳、内皮化困难等问题。2017年邱旭等[11]筛选21例多孔型ASD，依据其超声心动图和CT数据，应用3D打印技术制造心脏模型，进行体外封堵测试确定介入治疗方案，最终封堵术后效果良好。这些病例报道均根据患者心脏解剖结构制定个体化手术方案，拓宽了指南推荐的介入适应症，为介入手术的精准化提供了新的思路。

(3)3D打印技术在主动脉缩窄介入治疗中的应用 主动脉缩窄的介入治疗技术难度大，容易发生支架移位、栓塞等并发症[12]。2016年Nalini等[13]成功对1例19岁的主动脉弓缩窄并假性动脉瘤的患儿行二次主动脉弓支架置入手术。患者12岁时行主动脉弓缩窄支架置入术，7年后再次发生缩窄，行心导管检查示主动脉于支架中部环形断裂处缩窄，左锁骨下动脉分叉处可见一假性动脉瘤。若对患者行二次支架置入手术则覆膜支架在覆盖假性动脉瘤的同时也有覆盖左锁骨下动脉开口的风险。Nalini等通过在3D打印模型上模拟手术，证实了覆膜支架会同时覆盖左锁骨下动脉开口并重新制定了手术方案， 即置入支架后利用左侧桡动脉通道将导丝坚硬的末端在覆膜支架上穿孔，再运用一系列球囊血管成形术将支架上的孔洞扩大，通畅左锁骨下动脉。术后血管造影显示主动脉弓支架无明显位移和残余狭窄，升主动脉与降主动脉无明显压差，患者于第二天出院。3D打印技术帮助术者预测了手术过程中发生的问题。术者及时调整手术方案，使介入手术更加安全，通过缩短手术时间降低了术中放射线和造影剂的用量。

(4)3D打印在特殊病例封堵中的应用 主动脉窦瘤是一种先天性心血管畸形，占CHD的1.2%～1.6%。由于主动脉窦瘤血管壁弹力纤维和(或)肌性组织的缺失，在主动脉压力骤然升高时，窦瘤可破裂引发一系列血流动力学改变[14]。2014年，杨延坤等[15]报道了1例3D打印辅助下封堵主动脉窦瘤破裂的病例。患者为21岁女性，曾开胸行VSD修补术，此次要求介入治疗。为了解破口的位置、大小及空间解剖结构，术前利用患者CTA检查数据制作心脏模型并进行试封堵。手术过程顺利，术后封堵器位置良好，无明显主动脉瓣返流。3D打印技术直观的显示了主动脉窦瘤的位置及大小，指导了手术的操作及器材的选择。

目前普遍认为法洛四联症矫治术时进行的跨环补片(transannular patch，TAP)是导致肺动脉瓣反流的重要原因，同时由于TAP使右心室流出道增宽、形态不规则，通常不适合进行经皮肺动脉瓣置换术(percutaneous pulmonary valve implantation, PPVI)。2016年Phillips等人[16]对8例TAP术后右心室流出道扩大不适合行PPVI的患者进行镶嵌治疗。术前以MRI及CT为数据源制作心脏模型，制定手术方案。右心室流出道内径为24～26mm时，在瓣膜置入位置放置一个预支架；当最狭窄处内径>26mm时需要在预支架旁同时放置1个或多个覆膜支架，再对覆膜支架进行封堵。8例手术均获得成功，术后仅有微量瓣周残余分流，为制定PPVI手术方案提供了参考。同一年，Valverde等[17]首次报道了一例法洛四联症矫治术后因右心室流出道及右心室扩大行“双支架”PPVI的病例。患者右心室流出道为36mm，通过在3D打印技术制作的模型上模拟手术，决定对患者行“双支架”PPVI，即放置长度为48mm的 XL-Andtrastent支架和长度为24mm的 Palmaz-Genesis支架，将Melody 瓣膜置入Andtrastent支架，再用长为16mm的Amplatzer Vascular Plug II封堵器对Palmaz-Genesis支架进行封堵，术后血管造影显示支架间及封堵器周围无残余分流，造影和经食管超声显示置入瓣膜功能良好。3D打印不仅有助于制定个性化手术方案，而且拓宽了手术指征。

(5)局限 虽然3D打印可以提高介入手术效果，但也存在一些局限。3D打印需要对原始影像学数据进行选择与提取等多级处理，每一步后处理都会使最终得到的模型与原始数据的差别增大，降低3D打印的精度[18]，从而影响术者对心脏细小解剖结构的把握；其次，对患者心脏进行模型重建及3D打印，需要考虑到心脏的动态改变，以更好的对患者心脏进行评估；此外，3D打印技术还依赖于计算机后处理技术的应用，从事后处理技术的医生不仅要对心血管解剖及疾病有足够的认识，还要熟练地应用相关计算机处理软件。3D打印耗时长，打印成本高，对材料的要求也较高，在心血管领域的应用仍需进一步的研究。

4.小结和展望

利用3D打印技术，术者可以利用模型精确定位心血管畸形的解剖位置及毗邻，选择合适的封堵器械，模拟手术过程，优化手术方案，降低手术风险，有望取得个体化的精准治疗。此外，3D打印技术的应用正在转向仿造人体器官及组织，但此类研究仍处于初期。2015年，Mahmood等[19]通过经食管心脏超声得到人二尖瓣影像学数据，再利用3D打印技术分别制作出正常二尖瓣、二尖瓣关闭不全、二尖瓣狭窄在收缩期的实体模型，对瓣膜修复手术及人工瓣膜的制作提供了参考。Fukunishi等[20]依据绵羊下腔静脉的影像学数据，应用3D打印技术制作了一段静电纺丝芯棒，将静电纺丝纤维围绕芯棒制成的人工下腔静脉移植到绵羊体内，术后移植血管通畅，无血管瘤形成。虽然3D打印技术在CHD中的应用尚属起步阶段，但随着影像学的进步和材料学的发展，今后有望制造出置入人体的心脏血管、瓣膜等结构，这将对先天性心脏疾病的治疗及手术器材的研发带来新的突破。