3D打印技术在结构性心脏病治疗中的应用进展

张洋洋，王忠民，2

1 河南大学人民医院河南省人民医院心内科，郑州 450000；2 阜外华中心血管病医院冠心病三病区河南省人民医院心脏中心

3D 打印技术，又被称作快速原型技术，快速成型技术，增材制造技术［1］。经过数年发展，3D 打印技术取得了巨大进步。3D 模型制作的过程大致可以分成图像的获取、图像的分离、打印等步骤。结合CT 和MRI 对整个心脏宏观成像的能力、超声对快速移动的结构（例如心脏瓣膜）成像能力，将源图像分为3D 空间中已知坐标的多个简单几何元素，然后进行组合从而生成3D 打印模型［2］。3D 打印技术已应用于各行各业［3-4］。在医疗领域，如口腔颌面外科、神经外科及骨科的人造物植入中的应用广泛［5-7］。国外学者对3D 打印技术在心血管领域应用中进行的研究较多，国内尚处于起步阶段。结构性心脏病（SHD）最早由美国Martin Leon 教授在2001年首次提出［8］。2009年赵世华等［9］首次在我国公开发表的文献中阐述了SHD 的概念，即先天性或获得性心脏结构异常的统称，主要包括先天性心脏病、心肌病和心脏瓣膜病。了解其解剖结构的改变是治愈SHD 的关键。随着计算机、影像技术的不断进步及新生材料的开发，3D 打印技术已显示出其在SHD 领域的巨大潜力，且近年取得不少研究成果。鉴于之前鲜有相关论述，我们就近年来3D 打印技术在心脏瓣膜病及先天性心脏病手术指导中的应用进展进行以下综述。

1 3D 打印技术在心脏瓣膜病手术指导及术后并发症预防中的应用

3D 打印技术可以利用相关影像学资料进行心脏瓣膜解剖结构1∶1 重建，从而使医生充分了解心脏瓣膜病结构的改变，制定切实可行的治疗方案。由于人口老龄化，主动脉瓣狭窄已成为西方国家最常见的心脏瓣膜疾病的手术或经导管干预的疾病。我国已进入老龄化社会，未来针对主动脉瓣狭窄治疗的需求量也将增大。主动脉瓣狭窄多由风湿性和退行性变引起，过去的经典术式是在体外循环下进行主动脉瓣置换［10-11］。体质衰弱、高龄患者无法耐受体外循环和外科手术。经导管主动脉瓣置换（TAVI）开启了微创治疗主动脉瓣狭窄的时代，已被证明是一种安全有效的治疗方法。最近，TAVI被证明在手术风险较低的患者中不劣于手术，为有严重症状的主动脉瓣狭窄患者提供了新的治疗方案［12］。TAVI 术前主动脉CT 三维图像是计划进行TAVI 的重要组成部分，尽管经食道超声和心脏磁共振可以用作TAVI 术前的成像，但多层CT 不仅可以精确进行环形测量，而且可以确保在真正的双斜短轴上测量主动脉瓣环直径，已成为所有术前主动脉瓣和主动脉测量的首选成像方式［13］。对于TAVI手术，需要测量主动脉瓣面积、最小和最大直径的测量以及左右冠脉口相对于环形平面的高度、窦管交界处的尺寸、Valsalva 窦和左心室流出道的大小。当这些测量值与患者的病情结合，介入医师可以就此决定该患者是否可以行TAVI 以及置入瓣膜的大小和类型［14］。最近研究表明，与心脏CT测量和术中瓣膜尺寸相比，3D 打印的主动脉根模型可以准确地描绘主动脉环的大小［15］；术者可以根据3D打印模型测试瓣膜大小是否合适，从而减少并发症的发生以及缩短手术时间。

3D打印的模型不仅可以指导TAVI手术，同时可以预防TAVI手术并发症。TAVI手术常见并发症包括瓣周漏、冠状动脉阻塞以及永久起搏器植入等。瓣周漏是人工瓣膜植入术的并发症之一，发生率为5%～17%［16］。通过3D 打印模型进行术前模拟及规划，可避免瓣周漏的发生［17］。影响瓣周漏的因素主要包括瓣膜的钙化程度、瓣口的形状、瓣膜放置的深度以及瓣膜的大小。RIPLEY 等［15］实施了使用3D打印的主动脉根部模型，将TAVI 瓣膜放入其中，若位于主动脉瓣另一侧的数码相机接收到光线则证实瓣膜置换术后瓣周漏的发生，但其研究存在假阳性和无法定性的问题。为了更好定性和模拟瓣膜在体内真实情况，THORBURN 等［17］在3D 打印TAVI 置换模型一侧施加压力和注水，若在瓣膜另一侧获得任何残余水代表瓣周漏的发生，他们将术前在3D 打印TVAI置换模型测量的渗漏量与术后超声测量值进行比较，证实3D打印模型确实能预测并发症的发生。

在3D 打印最早用于指导TAVI 评估中，SCHMAUSS 等［18］用3D 打印了1 例疑似因缺血事件导致死亡的患者主动脉瓣复合体，通过重建手术过程，他们提出假设：对于顺应性差伴极度钙化的Valsalva 窦患者，在TAVI 手术中需要将瓣膜放置在更深的位置以防止出现冠脉阻塞。为了避免植入瓣膜影响冠脉血流，SO 等［19］通过3D 打印模型模拟了易发生冠脉阻塞高危解剖的患者TAVI手术过程，通过将瓣膜放入打印模型中，再次进行CT平扫成像来评估移位的瓣膜与冠脉的位置关系，最终成功避免了冠脉闭塞。虽然仅仅是个案报道，但仍然给未来TAVI介入中遇到的并发症问题提出了宝贵经验。

随着介入技术的不断发展以及病例的不断增加，类似于TAVI 的技术将成为治疗SHD 的热点。术者通过3D打印模型获取的病变模型，进行手术模拟以及选择合适器械，从而减少手术时间以及术后并发症，提高了手术质量的同时可改善患者预后，提高患者生活质量。

2 3D打印技术在先天性心脏病治疗中的应用

先天性心脏病是常见的出生缺陷疾病，其治疗在很大程度上依赖于解剖学，这使得详细的心脏成像成为准确检测和CHD 术前规划的必要条件。3D打印技术在需要精确可视化解剖结构的医学领域具有独特价值，近年3D打印技术主要应用在房间隔缺损（ASD）介入治疗的指导、法洛四联症（TOF）及复杂性先天性心脏病手术的指导中。

2.1 3D 打印技术在ASD 治疗中的应用 ASD 是常见的先天性心脏缺陷。临床实践发现，对于缺损较大、残余边缘不良合并房间隔膨出瘤以及多发孔型ASD 介入治疗仍是难题，主要与常规影像无法充分辨识解剖结构，造成术中需更换封堵器、封堵器移位、脱落等有关。针对以上问题，国内专家进行了多个相关研究。邱旭等［20］利用3D 打印模型在超声引导下对多发孔性ASD 患者进行介入封堵，不仅可以确定封堵位置，而且减少了射线的使用。杨帆等［21］对ASD 介入封堵研究与潘祥斌团队不同的是：他们对模型反复观察研究，解决了诸如上腔型合并部分肺动脉异位等多种特殊类型ASD 的介入封堵。3D打印同时也存在诸如由于成像问题导致模型误差较大、使用材料偏硬导致ASD 周围组织结构在放置封堵器后不会发生应力性改变从而影响术者对模拟结果的判定等问题。

2.2 3D 打印技术在TOF 治疗中的应用 TOF 是一种在临床上较为常见的复杂性、发绀性心脏畸形病变［22-23］，基本病理是由于肺动脉狭窄、室间隔缺损、右心室肥厚以及主动脉骑跨造成，主要源于右心室圆锥部或者是漏斗部的发育不良［24-26］，此类患者病死率极高，最高至90%［27］。3D 打印技术可以有效克服二维超声的平面限制，立体地观察病变结构，更好地制定手术方式及入路，反复对手术进行模拟，有效提高手术成功率。AVERKIN 通过3D 打印模型充分了解TOF 合并肺动脉瓣缺如患儿的心脏解剖结构，成功为1 例患儿实施了手术，术后显示患儿各项心脏机能均恢复正常［28］。

2.3 3D 打印技术在复杂性先天性心脏病治疗中的应用 单纯病变先天性心脏病的手术决策通常相对简单。当涉及到更复杂的病变，例如右室双出口伴有混杂的病变，由于这些先天性心脏病解剖结构存在许多变异，仅凭2D诊断成像容易忽视重要解剖结构。HAN 等［29］对通过寻找3D 打印技术在复杂性先天性心脏病患者的手术计划中有用的证据，发现3D模型受益组的手术时间有缩短的趋势。另外，外科治疗是左心室流出道梗阻（LVOTO）和药物难以控制患者的有效方法和金标准［30］。然而，由于心脏结构的异质性和复杂性，难以正确选择和制定手术计划，给临床治疗带来巨大困难。 HAMATANI等［31］通过3D 打印技术构建了LVOTO 模型，通过比较3D 打印模型和手术中的发现，证实3D打印模型可以重现复杂的心脏解剖结构，使术者在术前了解复杂3D心脏结构和空间位置关系。

3 3D打印技术临床应用的局限性

虽然3D打印技术的研究一直是热门，但在医学领域中仍然存在一些无法克服的问题，因此我们应该认真评估3D 打印技术，并正视其局限性，找到克服这些问题的方法。在3D 打印模型进入临床实践之前，国家医疗监管机构应加快制定质量标准，严格控制相关产品的质量安全问题。另外，3D 打印模型在模拟手术过程、可视化复杂病变时，有时需要构建具有特定切面的模型，甚至多次构建同一模型的不同切面，这种情况下脱离了其作为整体模型的原始目的，另外增加了制备时间和成本［32］。

综上所述，3D打印技术在SHD的临床应用中发挥出其独特优势，可用于指导TAVI 术、复杂性先天性心脏病手术等，可预防诸如瓣周漏、置入瓣膜影响冠脉血流、封堵器过大而脱落等并发症的发生；通过构建器官相关模型，医生可以了解器官相关解剖结构、模拟手术过程、制定手术策略，解决了一些医学难题的同时提高疾病治愈率，大大缩短手术时间和减轻患者痛苦，为个体化医疗铺平道路。尽管3D打印技术在SHD 的治疗中得到了广泛认可，但亦存在诸多亟需解决的问题。第一，3D 打印的心脏结构的准确性必须在广泛的源成像模式、打印方法和心血管建模中进行验证。第二，为了模拟更符合生理状态下的心脏元素（例如血管壁、室壁、瓣膜），研究人员应加快生物医学材料的研究，早日实现植入式3D打印心脏的目标。第三，构建3D打印模型所需数据的后期处理需要大量时间，花在后处理上的时间会影响使用该模型的成本效益，并降低其在紧急情况下的有效性。