覃雄海綜述，康凱、蔣樹林審校

綜述

3D打印技術在先天性室間隔缺損治療中的應用現(xiàn)狀及展望

覃雄海綜述，康凱、蔣樹林審校

隨著科學技術的進展，3D 打印技術不僅能夠提供重要的解剖學信息，而且可以構建出 3D 的心臟模型，逐漸被應用在先天性心臟病的的診斷和手術治療。3D 打印技術克服了2D 技術不能切換角度的缺點，能夠更直觀地顯露出室間隔缺損的具體解剖結構，便于采用個體化治療措施，根據患者異常解剖學制定最佳的治療方案。本文就3D 打印技術在室間隔缺損應用的現(xiàn)狀和展望與不足做一綜述。

綜述；室間隔缺損；3D 打印技術；心臟外科手術

室間隔缺損（VSD） 是先天性心臟?。ㄏ刃牟。┳畛Ｒ姷幕沃?，占所有先心病的 20%[1-3]。3D 打印技術是一種通過數(shù)字化技術設計再現(xiàn)人體解剖結構的技術，已存在三十多年，近幾年逐漸被大眾廣泛認識和接受，利用 3D 打印技術根據疾病的病理生理學結構進行鑒別診斷，對復雜解剖學結構有更深入的理解，依據個體化原則，制定更加謹慎且精確的術前方案，確定更加準確的手術步驟，減少潛在并發(fā)癥的發(fā)生率，通過減少手術的時間，進而降低手術等治療的費用。本文就 3D 打印技術在室間隔缺損治療中應用的現(xiàn)狀和展望與不足做一綜述。

1 3D打印技術的概念

3D 打印技術，是一門借助多學科交叉而發(fā)展的技術，是指在計算機斷層攝影術（CT）或磁共振成像（MRI）掃描收集獲得的數(shù)據或計算機技術輔助設計的數(shù)字化模型的基礎上，運用粉末狀、液態(tài)塑料或金屬等各種可粘合材料，根據目標的形狀，通過串聯(lián)、逐層精確定位打印的方式來構造與活體生物器官相近的復合固體物理模型的技術[4,5]。

3D 打印技術起始于20 世紀 80 年代，使用噴墨打印技術來完成對粉狀材料的加工。粉狀材料大部分包括聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、金屬和陶瓷等，造就了 3D打印技術的多功能作用和簡便性的特點。在制作期間，打印機針頭把打印液體的粘合劑打印成在粉末狀材料的薄層，通過電腦系統(tǒng)完成目標物質的初步制作，再通過在之前制作材料的頂端上堆積和打印材料層，完成重新組建靶向目標的完整結構。簡單地說就是，3D 打印技術是一種通過三維可視化來完成模型的快速堆積成型的技術，通過三維可視化掃描,結合計算機設計出三維數(shù)字化模型，對三維數(shù)字化模型進行分層和數(shù)控編程，把完成后的文件輸入打印機[6]。第一臺商業(yè)用3D 打印機是 Charles W.Hull 在 1986 年開發(fā)成功的。此后逐漸被應用在構建生物學材料。3D 技術能夠很大程度地降低制造復雜產品結構的的難度，具有可重復性、精確性和分辨率高等的優(yōu)點，使其逐漸應用于包括醫(yī)療在內的很多領域當中。

3D 打印技術是一項具有良好醫(yī)學應用前景及臨床價值的技術。在臨床應用中，3D 打印技術能夠向醫(yī)生顯露出靶向組織器官的精確解剖學結構，使臨床醫(yī)生更精確地對患者疾病進行診斷和討論，對疾病情況了解更透徹，從而能夠根據患者的個性化特點制作出最合適的手術治療措施，同時能豐富手術方式和完成器官替代等，這樣提高手術的精確度的同時，提高患者術后存活的成功率，提高術后生活質量。

2 3D 打印技術原始三維數(shù)據的采集

為了對功能組織或器官的復雜、異質的組成部分有個充分的了解，從而再生其結構，我們需要借助醫(yī)學影像學技術來獲取在細胞、組織、器官和機體水平的信息和3D 結構，從而能夠輔助重建患者特異性的機體結構[5]。其中包括非侵入性的物理方法和侵入性的檢查方法。我們通?？梢酝ㄟ^3D掃描儀、CT、MRI 和超聲圖像獲取到目標物質的三維結構，經專用的計算機輔助設計處理后以 STL 文件格式傳輸?shù)?3D打印機中。

3 3D 打印技術的技術方法和原理

目前，3D 打印技術常用的主要技術包括 5 種主要類型：選擇性激光燒結術（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、光固化立體印刷（SLA）、三 維 噴 ?。?DP）和直接攜帶細胞的生物打印[7-10]。隨著醫(yī)學影像學技術的進一步發(fā)展，3D打印技術能夠精確地打印靶向器官解剖3D 模型，已開始應用在眾多臨床醫(yī)學領域當中，包括口腔科、骨科、普外科、器官移植[11]、心血管病[12]和神經外科等，并且展示出了較好的臨床應用價值。Kim等[13]對 3D 和 2D 打印技術在先天性心臟病患者心臟內空間結構關系的應用進行了比較，發(fā)現(xiàn)3D 打印技術具有更高的精準度，能更準確地可視化展示先天性室間隔缺損的解剖學結構。但是有研究表明很多因素不同程度地影響心臟模型構建的精確度，這些因素包括 CT 在掃描過程中因為金屬異物等造成較差的成像質量、3D 打印機類型和打印材料等[10]。

3D 打印技術的原理：通過傳輸輔助檢查獲取的3D 結構數(shù)據至計算機建模軟件建立出目標模型，然后將目標模型沿著某一個具體方向，根據不同的異質性結構要求，按一定厚度分層進行切片，然后使用專門的軟件對切片后的數(shù)據信息進行恰當處理，將這些信息與打印機的加工參數(shù)設置相結合，生成3D 打印機可識別的代碼信息，驅動打印機有序地加工出每一層并這些薄型層面堆疊黏合，直至形成一個實體模型，完成疊加的過程。

4 3D 打印技術在先天性室間隔缺損的治療現(xiàn)狀

隨著醫(yī)療技術的發(fā)展，3D 技術已經開始被廣泛應用在心臟介入治療中，克服了以X線胸片、CT、MRI 等影像學技術為主的2D 技術對疾病的評估和分析誤差性，克服了這些技術無法識別復雜的室間隔缺損的解剖學結構的缺點，使醫(yī)生對于復雜心臟病有更加精確的認識和了解，從而制定精確的手術治療方案。3D 技術能夠從多角度識別包括室間隔缺損等先心病的復雜解剖和空間結構關系，可以打印出不同材質、顏色和高分辨率的圖像，更直接地顯露出心臟的具體解剖學結構和空間關系，從而使外科醫(yī)生對室間隔缺損患者的解剖學和心腔內傳導系統(tǒng)有更透徹的認識，進而根據患者的具體解剖學異常制定最佳的手術治療方案。

4.1 3D 打印技術在室間隔缺損疾病解剖學認識

最近的一些研究表明了 3D 打印技術在室間隔缺損的診斷均取得了良好的效果。Valverde 等[14]采用半透明的聚乳酸聚合物制作出 1 例 1.5 歲復雜先天性心臟病患兒的心臟模型，用以評估室間隔缺損的位置、大小及其與主動脈和肺動脈之間的關系。他們指出對于復雜先天性心臟病患者，快速成型技術制作的心臟模型對于制定精準手術方案是非常重要的，既可以減少手術時間，也能夠顯著降低圍手術期和術后死亡率。Bhatla 等[15]依據每位患者的獨特性的基礎，通過使用不同的的顯像模式制作出先天性心臟病的3D 打印解剖模型，結果表明 3D 打印模型能夠更顯著暴露缺損大小，從而能夠指導決策的制定。對于復雜的室間隔缺損患者來說，3D 打印技術的優(yōu)勢明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的 MRI 和 CT，因為 3D 打印技術能夠更加準確地明確室間隔缺損部位與周圍組織的解剖學結構關系，而這在外科手術治療中是更重要。

4.2 3D打印技術在室間隔缺損疾病的治療應用

在國外目前已經有很多關于 3D 打印技術在先天性室間隔缺損的患者的應用研究。2008 年，Kim 等[13]對 1 例 30 歲的先天性室間隔缺損患者進行研究。他們使用多普勒超聲檢查確認了存在雙向分流的室間隔缺損心臟病后，利用掃描的數(shù)據打印了其心臟模型，根據打印出來的解剖學結構和空間結構關系的模型完成了室間隔缺損的成功封堵。這個研究證明了 3D 心臟物理模型有助于了解室間隔缺損的解剖的病理生理學，更精確地明確缺損部位解剖結構，同時有助于區(qū)分不同手術和介入治療的優(yōu)劣勢，在手術前制定更詳細、精確的手術方案。但是在我國卻鮮有報道，就連此技術的綜述也是不多[11]。在我國，南京市兒童醫(yī)院的孫劍等心外科醫(yī)生使用最先進的 3D 打印技術順利完成了對室間隔缺損和房間隔缺損患兒的手術封堵。他們通過 3D 打印技術打印了患兒的心臟模型，明確了室缺與周圍組織的關系，從而成功完成了封堵，證明了 3D 打印技術可以克服傳統(tǒng)影像學檢查不能明確解剖學位置的缺點。胡立偉等[16]通過一個患有復雜先天性心臟病的的 4 個月患者的診斷和治療方法來探討 3D 打印的心臟模型在臨床上先心病的診斷和治療的現(xiàn)實意義。他們發(fā)現(xiàn) 3D 模型不僅能更好地向醫(yī)生展示了室間隔缺損的位置和大小，也顯示了室間隔缺損與其周圍組織（心臟瓣膜、血管）的立體結構關系。這表明了 3D 打印能夠更好地明確室間隔缺損的診斷，更確切地對疾病進行評估，制定更合理、有效、精確的術前、術后的治療方案，減少手術時間和提高手術治療的成功率，實現(xiàn)先天性心臟病患者治療的精準化。

由此可見，對心臟和大血管的解剖結構的準確認識是制定更加精準的個體化手術方案的重要前提，我們既可以快速地完成手術，也能夠避免出現(xiàn)損傷無法預知的心臟解剖結構的意外，從而在術前制定最佳的手術方案、減少手術時間和死亡率。

5 展望和不足

3D 打印技術是一種更精確和非侵入性評估室間隔缺損的技術，通過 3D 空間的可視化解剖設備，術者更了解剖結構、提高診斷的準確性和預測潛在的復雜性。3D 打印技術在外科領域展示出了潛在的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。盡管3D 打印技術展示出室間隔缺損等先天性心臟病患者的解剖學結構[17]，但是并不能完全提供患者3D 解剖學結構信息，對于我們來說，這恰恰是個挑戰(zhàn)。3D 打印技術使心臟大血管外科醫(yī)師更加準確地熟悉室間隔缺損患者的解剖學結構，充分地了解和評估患者的病情，從而制定更恰當?shù)氖中g治療方案。但是由于這是一項新的技術，所以固然也會存在不足之處：（1） 我們需要從不同的方向、不同的觀點出發(fā)考慮和評估期室間隔的解剖結構，但是盡管如此，也不能夠輕易地評估暴露范圍。（2）這項技術顯得很高端，但是目前還不能夠實現(xiàn)診斷、治療的最優(yōu)化和滿足基礎診治水平，特別對于具有那些極小的結構的患者更是這樣。（3） 3D 技術應在臨床的一系列材料都是一次性的，是無法循環(huán)利用的。（4） 對環(huán)境會產生很大的負面影響的同時，會產生一般人負擔不起的高額費用[18]。

對于我們新一代的醫(yī)學生來說，接受新技術固然重要，但是更重要的是我們能夠充分地把 3D 打印技術這一項全新的技術和各學科緊密的聯(lián)系在一起，更好地統(tǒng)一應用于臨床中。這樣，我們滿足現(xiàn)在新世紀需求的同時更好的把 3D 打印技術應用于臨床領域。我們有理由相信，當我們克服包括3D打印技術的可行性、巨額費用和準確性等一系列的障礙后，研究出新的領域，有朝一日 3D 打印技術能夠徹底應用在臨床中，拯救更多人的生命。

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2017-03-12）

（編輯：曹洪紅）

150086，黑龍江省哈爾濱市，哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院 心臟外科

覃雄海 碩士研究生 主要從事心血管疾病的外科治療研究 Email：qxh9069@163.com 通訊作者：蔣樹林 Email：sljiang36@163.com

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1000-3614（2017）11-1136-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2017. 11.026