计算机辅助个性化3D打印在治疗主动脉夹层中的应用研究

李辉 李娟 王东 刘丽珍 陈李鹏 左越 韩相锋 王振东 薛虎

主动脉夹层是一类严重危及人类生命的疾病［1］。随着现代诊疗技术的提高以及对主动脉夹层研究的不断深入，主动脉夹层的诊断率有了显著的提高，许多患者能够被及时诊治，一旦确诊，患者应尽早手术治疗。手术方式根据分型可分为孙氏手术、Bentall手术以及主动脉腔内隔绝术［2-3］。由于主动脉夹层破口位置的不固定，往往给手术方案的制订带来困难，随着数字医学技术的飞速发展，3D打印技术应用于临床医学，早期在骨科及颌面外科多有应用［4］，近年来逐渐在血管外科领域得到广泛推广，与过去CT平面三维重建相比，更具有直观性和精准性。 3D打印模型可以真实还原病变的血管，全方位观察病变部位形态，对手术方案制定、术中情况判断，特别是支架大小的选择都有不可或缺的作用。本研究回顾性分析临汾市人民医院心脏大血管外科在2017年1月至2018年3月手术治疗的主动脉夹层患者资料。所有患者术前均行主动脉3D打印，术后定期随访，综合评估在3D打印辅助下治疗主动脉夹层的疗效。

1 对象与方法

1.1 研究对象

2017年1月至2018年3月在临汾市人民医院诊断为主动脉夹层患者20例，均行手术治疗，术前以及术后均行主动脉CT血管造影（computed tomography angiography，CTA）检查以及三维重建，并对三维重建模型进行3D实体打印。诊断标准：根据参考文献［5］对主动脉夹层进行诊断。纳入标准：符合参考文献［5］患者。排除标准：（1）不符合参考文献［5］患者 ；（2）自身免疫性疾病；（3）大动脉炎；（4）马凡综合征。

1.2 三维建模和3D打印

建模软件：Mimics 17.0（玛瑞斯公司，比利时）， Geomagic Studio 2013（模型优化，并建立NURBS曲面，Geomgic公司，美国）。CT图像获取（图1）和3D模型打印。CT为德国西门子64排螺旋CT。经肘静脉注射对比剂优维显370，注射流速5 ml／s，总量85 ml，扫描层厚0.5 mm，重建层厚0.5 mm，输出DICOM格式原始数据文件。导入建模软件（Mimics17.0）建立初步三维模型（图2）， 再使用Geomagic Studio 2013软件，优化模型，并建立NURBS曲面。完成主动脉夹层三维模型的建立，并对该模型进行3D实体打印（图3）。

1.3 手术方式

患者进入导管室给予肝素8000 U，经右侧股动脉穿刺，预留两把股动脉缝合器，插6 F股动脉鞘管，过程顺利。经鞘管送入泥鳅导丝及5 F猪尾导管，X线下可见泥鳅导丝及猪尾导管到达升主动脉根部，越过主动脉夹层位置，以15 ml流量，25 ml总量，600 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）压力注射对比剂显示动脉夹层破口位置，对比剂自主动脉破口向夹层内分流，退出猪尾导管，送入黄金标导管，造影测量主动脉直径，退出泥鳅导丝，沿导管送入加硬导丝，退出黄金标导管，自右股动脉侧沿导丝送入支架，越过主动脉破口部位，根据造影定位回抽，逐渐释放人工血管支架，铆定于主动脉内，过程顺利，再次造影未见分流，封堵良好，支架远端主动脉真腔扩开，假腔闭塞（图4）。术后用纱布按压股动脉及桡动脉穿刺处15 min，给予弹力绷带加压包扎。

1.4 统计学分析

所有数据采用SPSS 23.0软件进行统计学分析。术前模型测量及术中主动脉造影各项指标测量（包括真腔直径、假腔直径、病变长度、破口距头臂干距离）、术前及术后真腔不同水平的直径（近端破口水平、气管分叉水平、腹腔干水平、肾动脉水平）均为计量资料以（±s）表示。左锁骨累及为计数资料以例（比）表示。计量资料进行配对t检验，计数资料进行卡方检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 患者治疗情况

共收集3D打印主动脉夹层模型患者20例，其中男14例，女6例，年龄25～58（37.2±8.2）岁，平均37.2岁，发病时间（3.54±2.70）d；既往高血压病史18例（男13例、女5例），糖尿病史8例（男5例、女3例），高脂血症病史16例（男12例、女4例）。Stanford分型A型7例（7/20），B型13例（13/20）；DeBakey分型Ⅰ型6例（6/20），Ⅱ型1例（1/20），Ⅲ型13例（13/20）。

20例患者中接受孙氏手术治疗患者6例，接受Bentall手术治疗患者1例，接受主动脉腔内隔绝术治疗患者13例。Stanford A型手术时间为520（325～641）min，手术中出血量为3200（2800～4200）ml，术后出血量为420（370～650）ml。Stanford B型手术时间62（43～110）min，手术中出血量25（18～52）ml，B型术后无出血。

2.2 术前及术后指标

图1 患者术前主动脉CT血管造影图像 A.Stanford A型；B.Stanford B型

图2 主动脉夹层三维重建模型图 A.Stanford A型主动脉夹层三维建模模型图 ；B.Stanford B型主动脉夹层三维建模模型图

图3 主动脉夹层3D打印模型图 A.Stanford A型主动脉夹层3D打印模型图（病变累及三分叉血管）；B.Stanford B型主动脉夹层3D打印模型图 （病变未累及三分叉血管）

纳入的20例患者中共有19例获得随访，1例患者行孙氏手术治疗术后当天死亡，死亡原因为低心排导致心原性休克。对术前模型测量及术中主动脉造影各项指标进行测量（包括真腔直径、假腔直径、病变长度、破口距头臂干距离）比较，差异均无统计学意义（均P＞0.05，表1）。术后19例患者共随访1、3、6、12个月，随访第1个月及第12个月行主动脉CTA检查，其余随访行胸部正位X线检查，患者术前和术后以及末次随访的真腔直径测量结果见表2和图5。患者术前近端破口真腔直径（21.4±1.4）mm，术后1个月（24.2±1.3）mm；术前气管分叉真腔直径（21.2±0.8）mm，术后1个月（23.9±9.2）mm，两者比较差异均有统计学意义（均P＜0.05）。腹腔干及肾动脉水平真腔术前及术后比较差异均无统计学意义（均P＞0.05）。Stanford A型患者住院时间为13（11～22）d，Stanford B型患者住院时间为5（4～9）d。

图4 完全释放支架后造影

图5 患者术后随访主动脉CT血管造影图像 A.主动脉弓层面；B.胸降主动脉层面

2.3 并发症

（1）脂肪液化：Stanford A型孙氏手术治疗患者中2例患者术后出现切口脂肪液化，给予切口定期换药，择期清创缝合后切口愈合良好，痊愈出院。（2）神经系统障碍：Stanford A型孙氏手术治疗患者术后3例出现神经系统障碍、主要表现为意识淡漠、记忆力减退等，给予营养神经、保护脑细胞治疗，病情有所好转。（3）其他并发症：对消化性溃疡、肠梗阻给予对症治疗，症状好转。

表1 20例患者术前模型测量及术中主动脉造影各项指标测量对比

表2 19患者术前及术后真腔直径比较（mm，±s）

表2 19患者术前及术后真腔直径比较（mm，±s）

注：a，与术前比较，P＜0.05

项目 术前 术后1个月 术后12个月近端破口 21.4±1.4 24.2±1.3a 26.1±1.1a气管分叉 21.2±0.8 23.9±1.2a 25.2±1.5a腹腔干 13.8±2.1 14.1±1.4 14.3±1.1肾动脉 11.3±2.3 11.5±1.4 11.4±1.6

3 讨论

主动脉夹层是一类进展迅速的危重疾病，随着影像学、超声医学、血管外科学的发展，其诊断率不断提高［6-8］。根据破口的位置和累及范围，主动脉夹层可分为DeBakey三型：Ⅰ型，原发破口位于升主动脉或主动脉弓，夹层累及大部分或全部胸升主动脉、主动脉弓；Ⅱ型，原发破口位于升主动脉，夹层累及升主动脉，少数可累及主动脉弓；Ⅲ型，原发破口位于左锁骨下动脉以远，夹层范围局限于胸降主动时为Ⅲa型，向下同时累及腹主动脉为Ⅲb型［9-10］。根据夹层累及的范围提出了Stanford分型，将主动脉夹层分为A、B两型［11］：凡是夹层累及升主动脉者为Stanford A型，相当于DeBakey Ⅰ型和Ⅱ型；夹层仅累及胸降主动脉及其远端为Stanford B型，当于DeBakey Ⅲ型（图6）［12］。

图6 主动脉夹层分型

随着计算机建模及后期优化软件的研发和后期功能逐步完善，对于临床医学有着重要的辅助作用，例如三维建模软件mimics、模型优化软件Geomagic Studio等。早期计算机模拟技术在骨科及颌面外科有较多的应用，由于薄层多排CT的发展，患者在不增加辐射剂量的前提下可获得更精细的CT数据，这对于计算机建模和后期的3D打印至关重要。材料学的发展对于主动脉腔内治疗提供了巨大的帮助，大量Stanford B型患者仅仅通过介入腔内隔绝就能够得到治疗［13-14］。每个患者破口位置、累及范围、重要分支血管是否受累都不尽相同，而这对手术策略的制订又尤为重要［15-16］。临床医师仅能通过平面二维CT数据大致了解病变程度，但对于病变血管进行测量、支架型号的选择、模拟开窗操作等无法完成，而这些对于手术的成功与否又至关重要。3D实体打印病变血管可以完成过去无法完成的操作，例如模拟手术开窗操作［17］。由于主动脉上有很多重要的分支动脉，有些患者这部分动脉不同程度地发生病变，例如左锁骨下动脉、肾动脉等，这时候就需要在覆膜支架进行开窗，必要时在“开窗”的位置再置入另一枚支架，而开窗的测量非常重要，包括分支血管的距离、直径、角度的测量不能有明显的误差，这在二维平面上是无法实现的。通过3D打印可以完成以上工作，另外、3D打印还能发现很多CT扫描无法发现的病变，因此、对于复杂的主动脉病变，3D打印具有更大的优势。3D打印的模型应用包括如下方面：（1）术前评估，结合CTA结果和3D打印模型，初步观察破口的位置（入口以及出口）和真假腔的形态（线型或螺旋型、是否存在成角、折叠）、真假腔的比例。（2）利用测量工具测量3D打印主动脉模型，首先测量包括近端瘤样扩张处、远端扩张处直径以及分支大血管的真腔直径，其次测量假腔长度、成角度数和旋转情况，并对累及分支大血管尤其是左锁骨下动脉累及范围做详细的测量，以便确定是否需要放置“烟囱”。（3）收集测量的各项数据，分析讨论手术方案、选择合适的支架大小以及型号和数目、拟“开窗”或放置 “烟囱”支架部位等。向患者家属展示3D打印模型，借助模型讲解病情及手术方案更加直观。（4）术中操作，根据1 ∶ 1的3D打印模型进行术中原位“开窗”和“烟囱”支架置入，或进行1 ∶ 1体外覆膜支架预“开窗”，并按照“开窗”位置进行“烟囱”支架置入。

本研究使用的是Ankura 胸主动脉覆膜支架系统，其构成包括外面的钛合金网状支架和附着于内层的E-PTFE膜，在将支架通过股动脉输送到病变主动脉位置并释放、撑开后，通过内层的覆膜封闭病变的主动脉夹层破口，使假腔内血流停止流动，后期假腔内逐渐血栓、机化，达到治疗目的。该支架系统为最新改良型号，具有以下优势：（1）使用双层压缩的E-PTFE膜，具有出色的即刻封堵效果、生物相容性和耐久性。（2）支架主体本身采用热处理，使覆膜和支架结为一体，非缝制，杜绝了针孔内漏的可能性。（3）覆膜起始端的迷你波设计，保护血管，足够的径向支撑力，良好的贴壁性，防止Ⅰ型内漏产生。另外，支架大弯侧覆膜上段波形密排设计，以增加强度及抗击血流冲击的能力；覆膜远端波形密度减小，波形角度也相应减小，以减少波形远端对血管损伤；支架内弯侧覆膜上段小波形设计，保证支架良好的弯曲顺应性（图7）。

根据本研究统计数据显示，在近端破口水平和气管分叉水平，术后1个月主动脉真腔直径有明显扩大，术后第12个月复查CTA显示，真腔有不同程度的扩大，证明主动脉腔内支架对血管壁有强大的持续支撑作用，在这种持续性的支撑扩张过程中，假腔在不断缩小，而在3D打印辅助下，明确破口位置，选择合适型号的支架、以及模拟支架放置位置，使支架能够完全封堵破口，使假腔内血流减少甚至消失，后期假腔逐渐血栓、机化，说明3D打印辅助主动脉腔内隔绝术后主动脉重塑效果满意。对于一些病变累及至左锁骨下动脉的患者，手术过程中需要进行“开窗”、必要时还要放置“烟囱”、由于每个人的血管位置、角度都不相同、这就需要个体化治疗方案。本中心利用3D打印模型完整1∶1还原患者血管形态、位置、角度、撕裂范围，并在模型上反复演练、选择合适的手术方案，在手术过程中、在3D打印立体模型辅助下，准确地置入主动脉腔内支架。

相对于个性化3D打印模型辅助治疗主动脉夹层而言，在没有3D打印模型辅助情况下，主动脉腔内置入支架精确度较差，与术前手术方案设计有一定的差距。对于是否选择3D主动脉模型打印，患者有自主选择权，分析2018年对主动脉病变进行主动脉腔内隔绝术患者24例，其中选择主动脉数字建模及3D打印的患者8例，未选择建模和3D打印患者16例，选择建模和主动脉3D打印的患者在术前和术后各项参数的测量值发现，在破口位置、距离锁骨下动脉的长度、病变长度、累及范围以及真假腔的直径等方面，模型测量和术中测量未见明显差距，而未选择建模和3D打印患者中，上述各项指标有明显差距，这对手术方案的选择非常重要，只有将患者的病变情况转变为数值，才能尽可能做到将手术风险降到最低。

精准医疗是未来医学发展的一个重要方向。3D打印技术以及后期的生物力学研究都为精准医疗提供了强大的平台，根据具体的个案进行个性化的精准评估、精准制定治疗方案、提供医患沟通道具。此外，更进一步的个体化生物力学分析、材料学的模拟研究能够为临床工作实现精准化、个性化治疗方案。在数字化、信息化和临床医学的完美结合下，数字医学技术在血管外科将有非常广阔的应用前景。

图7 支架设计特点