3D打印技术在结构性心脏病中的应用

3D打印技术是以三维几何模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过增加材料、逐层打印的方法来制造物体的技术。3D打印技术最初只应用于航空航天、工业设计等领域，随着技术的成熟，目前在生命科学与医学领域中也得到广泛应用。临床上3D打印技术主要应用于骨科和口腔科，心血管系统解剖更为复杂，其在心血管疾病中的应用刚刚起步。3D打印技术能精准复制心脏模型，可在直视下全方位、各角度了解病变的解剖学特点。我们在术前为4例复杂心脏、大血管疾病患者打印心脏3D模型，通过对病变形态和位置的直观判断，设计手术方案，提高了复杂心脏手术的成功率。

1 对象与方法

1.1 病例资料

纳入4例复杂心脏、大血管疾病患者。其中1例患者为65岁女性，心肌梗死后室间隔穿孔、心尖部室壁瘤形成；1例患者为78岁男性，心肌梗死后室间隔穿孔；1例患者为44岁男性，升主动脉瘤；1例患者为20岁女性，法洛四联症，升主动脉-肺总动脉分流术后。4例患者均行256层心脏增强CT扫描。

1.2 心脏三维模型的建立及打印

将心脏增强CT扫描数据保存为医学数字成像和通信(DICOM)格式，导入三维图像处理软件Mimics，优化图像，减少呼吸、心跳产生的噪声。根据CT成像原理确定心脏造影剂、心肌及脂肪的阀值范围并标示。利用编辑功能分割出心脏、大血管，并精细分割心腔内结构如流出道、瓣膜、腱索和乳头肌等复杂解剖结构。导出3D打印机可以识别的STL格式文件并输入3D 打印机，利用尼龙12进行成型，制作出与实体1∶1大小的心脏三维模型。

2 结果

2.1 3D打印模型

上述4例3D打印模型均能准确地显示患者心脏、大血管病变，与超声心动图及CT图像相符。第1例患者室间隔中段近心尖段可见迂曲、隧道样穿孔，左室前壁及心尖部心肌梗死伴室壁瘤形成。第2例患者室间隔基底部心肌梗死伴局部室间隔穿孔。第3例患者升主动脉见瘤样扩张，大小约为4×3×2 cm。第4例患者符合先天性心脏病、法洛四联症、主肺动脉分流术后改变，可见患者升主动脉扩张，双侧肺动脉主干明显狭窄。见图1～4。

注：A为心脏增强CT图像；B为胸骨旁切面超声心动图图像；C为室间隔穿孔及心尖部室壁瘤的心脏三维重建图像；D为室间隔穿孔及室壁瘤3D打印模型；箭头所指为室间隔穿孔部位

注：A为胸骨旁切面超声心动图图像；B为室间隔穿孔三维重建图像；C为室间隔穿孔的心脏三维重建图像；D为室间隔穿孔3D打印模型；箭头所指为室间隔穿孔部位

注：A为升主动脉瘤增强CT图像；B为升主动脉瘤三维重建图像；C为升主动脉瘤3D打印模型；箭头所指为升主动脉瘤体

注：A为法洛四联症的心脏三维重建图像；B为法洛四联症的心脏3D打印模型；箭头所指部位为纤细肺动脉

2.2 手术结果

根据3D打印结果，考虑第1例患者室间隔穿孔迂曲，封堵困难，遂行体外循环下室间隔穿孔修补+室壁瘤切除术。术中见心尖部室壁瘤，大小约为5×5 cm，室间隔心尖部可见一处3 mm缺损。带垫片褥式间断缝合，缝闭室间隔穿孔。毛毡条夹闭室壁瘤。见图5。

根据3D打印结果，考虑第2例患者室间隔穿孔行封堵术成功率较高。术中在食管超声引导下，于房室沟下部心室侧以4-0 prolene线缝一荷包，针头穿刺后置入导丝，食管超声引导下导丝自右心室经室间隔穿孔进入左心室面。导丝引导下置入鞘管，释放封堵伞。食管超声示封堵器位置可，少量残余分流。见图6。

根据3D打印结果为第3例患者定制了封堵器，术中打开心包后见患者升主动脉瘤样扩张，大小约为4×3×2 cm，于瘤壁缝一荷包，食管超声引导下将封堵器释放，食管超声示封堵器位置可，未见残余分流。见图7。

注：A、B为室壁瘤大体观箭头所指为室壁瘤；C为室间隔穿孔术中所见，箭头所指为室间隔穿孔处；D为室间隔穿孔术中食管超声图像

注：A为术中选择穿刺点位置；B为室间隔穿孔术中食管超声图像，箭头所指为室间隔穿孔处；C为室间隔穿孔封堵后术中食管超声图像，箭头所指为封堵器形态

注：A为封堵器形态；B为升主动脉瘤封堵后术中食管超声图像，箭头所指为封堵器形态；C为升主动脉瘤封堵术后CT三维重建图像，箭头所指为封堵后的升主动脉瘤

根据3D打印结果，考虑第4例患者肺动脉纤细，肺动脉瓣严重狭窄，遂手工缝制带肺动脉瓣人工血管，将其吻合于右室流出道及左右肺动脉分叉前主肺动脉，同时术中缝闭原主动脉-肺动脉分流管道，修补室间隔缺损。见图8。

注：A为术中缝制带肺动脉瓣人工血管，箭头所指为缝制的肺动脉瓣；B为带瓣血管吻合后大体观图，箭头所指为吻合后的带瓣血管

3 讨论

3D打印技术诞生于20世纪90年代，由美国Zcorp公司开始了第一台3D打印机的研发。3D打印享有“第三次工业革命”的盛名，目前正逐步应用于医学领域[1]。通过影像学DICOM数据的三维重建，选取适合的材料进行3D打印，可以将计算机构建的数字化模型进行实体化制作，得到病灶部位的等大模型。

在目前临床上收集、保存心脏标本十分困难的情况下，将心脏标本通过3D打印的方法制作成完全一样的心脏模型，可以供更多的临床医师学习。同时，3D打印制作出的个体化心脏模型，可以让患者及家属直观地看到患者的疾病情况，从而达到良好的医患沟通效果。

心脏的解剖结构复杂，构建其空间结构需要很强的思维能力。目前CT、磁共振成像、超声等检查只能提供二维视图，有时会导致医师对心脏病变的判断发生偏差，造成术中实际情况与术前判断不符。3D打印能1∶1重建心脏模型，更直观、形象地展示心血管解剖结构，为确定患者的治疗方案、评估手术难度等提供临床依据。术者还可在模型上进行模拟操作，提前预测手术效果。庞英等[2]采用3D打印技术为1例下腔型房间隔缺损患者打印心脏模型，并尝试使用动脉导管未闭封堵器，最终手术成功，避免了行开胸手术和介入手术。刘坤等[3]采用3D打印技术为1例主动脉瓣重度狭窄并轻度关闭不全患者打印左心室和主动脉模型，指导医生进行经导管主动脉瓣置入术。目前，3D打印已应用在以下结构性心脏病中：房间隔缺损、室间隔缺损、复杂先天性心脏病、主动脉假性动脉瘤、主动脉夹层、左心室室壁瘤、瓣膜置换术后瓣周漏等[4-8]。

3D打印技术目前仍存在局限性，如精度受制于影像学检查水平、原材料有限、成本较高、缺乏医疗器械法规及监管体系等[1]。不同于骨科已经能为患者打印个性化骨块并植入体内，3D打印技术在心血管领域中的应用还仅仅局限于医学教学、手术规划以及模型制作等方面[9]。心血管领域的植入设备相对复杂，如心脏瓣膜要有良好的血流动力学性能，经导管植入设备需可以压缩，这导致3D打印技术在心血管领域的应用受到了极大限制。

生物材料打印是3D打印技术日后的发展方向。用于3D打印的生物材料必须具备良好的组织相容性、可降解性以及组织活性等特点。目前能应用于3D打印的生物材料不多，亟待更多新型可降解生物材料的研发。Hockaday等[10]利用含藻酸盐的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶成功打印了3种大小的主动脉瓣膜，并且在支架内埋植了猪主动脉瓣间质细胞，培养21 d后间质细胞存活率接近100%。Duan等[11]利用丙烯酸甲酯交联透明质酸和丙烯酸甲酯交联明胶建立混合水凝胶支架，埋植人主动脉瓣间质细胞后，成功打印三尖瓣瓣膜。未来有望利用3D打印技术，为患者定制特异性瓣膜、左心耳封堵器、血管分叉型支架和先天性心脏病封堵器等，并通过导管技术植入体内。

总之，3D打印技术可以用于心脏外科术前诊断、手术模拟和疾病治疗，为患者定制个性化、精确化的手术方案，从而减少手术时间，提高复杂手术的成功率。相信3D打印技术最终可以实现组织器官打印，提高心血管疾病的诊疗效果，为更多心血管疾病患者服务。