范粉靈，成革勝，張松林，邵 暉，蘭貝蒂，霍曉微，羅曉惠，張玉順

西安交通大學第一附屬醫(yī)院， 西安 710061

3D打印醫(yī)學模型在結構性心臟病臨床教學中的應用

范粉靈，成革勝，張松林，邵 暉，蘭貝蒂，霍曉微，羅曉惠，張玉順

西安交通大學第一附屬醫(yī)院， 西安 710061

3D打印技術是近年來將計算機三維立體設計圖形與逐層打印結合起來形成的一種新技術，可以形象、生動地展示近乎于實體的所有結構特征。而結構性心臟病作為與心臟和大血管結構有關的疾病總稱，顧名思義，其核心病理改變?yōu)榻Y構的改變，對其理解和分析很大程度上依賴空間思維和展示，因此成為心臟病教學的難點和重點。文章針對結構性心臟病教學中存在的教與學的兩難問題，探討將3D打印技術應用于該類疾病的教學中，通過建立立體的清晰可見的結構性心臟病實體模型，來解釋正?；虍惓Ｐ呐K及大血管結構改變的病理表型及疾病產(chǎn)生的基本機理，來認識和理解各種結構性心臟病，甚至罕見少見病例畸形。該方法可直觀、形象、三維角度地用實物展現(xiàn)結構性心臟病，有助于學生形成良好的心臟和大血管空間思維模式， 并通過對少見病、罕見病模型的觀摩，理解其機理和產(chǎn)生的血流動力學等病理結果，豐富其專業(yè)知識，提高其分析能力和診治能力。該教學方法和模型值得在教學中推廣應用。

3D打?。唤Y構性心臟?。慌R床教學；應用效果

結構性心臟病(structural heart disease,SHD)是近幾年在心血管領域出現(xiàn)的一個新概念，是指任何心臟結構的異常，任何先天性或獲得性的與心臟和大血管結構有關的疾病，有廣義和狹義的結構性心臟病之分。廣義的結構性心臟病是指除原發(fā)心電疾患和循環(huán)疾病以外，任何心臟結構的異常，任何與心臟和大血管結構有關的疾病；而狹義的結構性心臟病是指解剖異常引起心臟結構的改變所造成心臟的病理生理變化，包括：①先天性心臟病異常，如室間隔缺損，房間隔缺損，動脈導管未閉等；②瓣膜病(二尖瓣、三尖瓣、主動脈瓣、肺動脈瓣等)；③心肌病(肥厚性心肌病、擴張型心肌病、致心律失常型右室心肌病等)；④心肌梗塞后室間隔穿孔、室壁瘤、疤痕心肌等。其共同特點是均存在心臟解剖結構和血流動力學的異常,尤其以解剖結構異常為主。這些復雜的解剖結構就是心血管疾病學習中的重點和難點，其概念較抽象，多涉及立體空間的多維因素，在有限的教學時間內，多數(shù)學生難以理解。因此，如何建立清晰的心臟結構空間概念，清楚地理解結構性心臟病發(fā)生的病理生理改變，是心血管教學中需要重點關注的問題。3D打印(three-di- mension print)，也叫做“疊層制造”或“快速成型”，是一種以數(shù)字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料，通過逐層打印的方法來構造物體的技術[1]。此技術可以實物打印心臟模型，立體地顯示心臟疾病的異常形態(tài)，故近年來逐步在結構性心臟病臨床診斷與治療中發(fā)揮其突出優(yōu)勢[2]，也給結構性心臟病教學帶來了全新而又清晰的教學手段，具有直觀易懂的教學效果。

1 3D心臟解剖教學的必要性

心臟、瓣膜及其周圍連接的大血管走形是結構性心臟病的第一個難點，也是認識各種心臟病的基石。其困難之處在于必須以空間思維進行想象和理解。以往醫(yī)學生通過早期解剖學課程對其正常解剖特點有了初步了解，但缺乏細致和針對性學習，對其結構的疾病改變不知所云；之后專業(yè)課學習可能通過圖片或人工心臟模型觀察(如圖1所示)，但也僅僅顯示的是正常解剖結構及比鄰關系，某些角度或模型不能顯示內部隱藏的重要結構(如圖1所示，主動脈瓣和肺動脈瓣隱藏在血管開口內部，其位置和形態(tài)不能展示出來，不能標記出動脈導管、左右心耳等部分位置及結構等)，并且這些基本模型和圖片大多受限于生理狀況下的正常心臟結構，不能與相應疾病結合起來顯示疾病狀況下的變異和病理改變，也缺乏不同患者的個體差異和疾病狀況(如圖1所示)。因此，這些傳統(tǒng)的心臟及其大血管教學模型和方法，只有生理心臟結構展示，沒有各種病理改變的模型；基本限于學校教學，限于普通醫(yī)學生、規(guī)培醫(yī)師或輪轉醫(yī)師基礎心臟結構教學，而對于心臟專業(yè)、尤其是結構性心臟病專業(yè)臨床教學來說遠遠不夠，存在明顯的教與學“兩難”局面。

圖1 心臟結構模型示意圖

近年來，隨著放射技術的發(fā)展，心動超聲及心臟CT、MRI技術為結構性心臟病的個體化理解和空間思維的培養(yǎng)提供了良好的平臺，但這些放射介入技術依然只能一個窗面展示一個角度，多個角度多個層次將產(chǎn)生出諸多的2D平面圖像，即使經(jīng)過三維重建模擬出結構性心臟病的病理狀態(tài)，也只能通過平面或紙張打印展示。而心臟是一個立體結構，對結構異常的檢查需要放射和超聲醫(yī)師在頭腦中經(jīng)過“想象”形成三維圖像，要求經(jīng)過諸多年醫(yī)學放射專業(yè)的培訓和實踐經(jīng)驗，具備比較豐富的臨床經(jīng)驗和空間想象能力，理解者需要有豐富的空間思維和心臟解剖學基礎。所以，除了較長時間放射專業(yè)的人員外，絕大部分醫(yī)學生、年輕醫(yī)師、甚至經(jīng)過多年專業(yè)培養(yǎng)的心臟科醫(yī)師，依然很難透徹了解。也對其診治和“教”與“學”帶來相應的困難。從而出現(xiàn)對放射醫(yī)師的依賴性極強，甚至5年以下的專業(yè)放射醫(yī)師也往往會因為經(jīng)驗不足、圖片角度及偽影等原因，對病理解剖改變做出誤判誤導，對結構性心臟病專業(yè)的帶教教師而言更是困難百出，授課者和受課者“一人一世界”，對結構性心臟病的理解摻雜了較多個人的思維和偏差，臨床操作帶教更是計劃性不足，手術的適應證把握、手術方案的制定、術中操作及問題解決以及術后并發(fā)癥的分析等，都受到一定的限制。

隨著3D打印技術逐漸應用于醫(yī)學領域[3-6]，因其可直觀顯示物體三維立體結構的優(yōu)勢[7],近年來國外學者將3D打印技術應用于結構心臟病輔助診斷治療及臨床教學之中，如瓣膜置換與成形[8-11]、心臟移植[12]、心臟腫瘤[13-14]以及復雜性先天性心臟病[15-16]等。國內臨床專家也進行了初步嘗試[5]，不僅為制定更為精確的結構性心臟病治療方案提供了條件，也為三維心臟解剖教學打下基礎，從而克服了放射檢測手段不易理解和判斷的缺陷。通過一個立體的、1∶1大小的實物模型展現(xiàn)結構性心臟病的病理解剖改變，為結構性心臟病教學從主觀想象轉變?yōu)榭陀^的看得見、摸得著的實物提供了平臺。

2 3D打印在先天性心臟病教學中的應用

先天性心臟病可劃分為簡單先天性心臟病和復雜先天性心臟病，而每一類中所包含的心臟畸形多種多樣，每一種先天性心臟病的手術方式與手術難度也千差萬別，需要心臟內科醫(yī)師、心臟外科醫(yī)師以及超聲科醫(yī)師在術前進行充分的評估和討論，對臨床規(guī)培醫(yī)師和實習醫(yī)師來說更像是聽不可理解的天書，自然也就不可理解因為結構改變導致的血流動力學異常。CT和MRI雖然可以較好地對心臟解剖結構進行描述，但因其立體結構顯示局限，某些前后及比鄰結構等不能客觀體現(xiàn)，對血流動力學的評估更是難以體現(xiàn)，最終通過簡單描述后以平面打印結果和平面屏幕解讀，在心血管教學中不可用。為了彌補這些缺陷，國內一些學者利用增強CT的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理輸入3D打印機，最終打印出與術中所見完全相符的心臟模型，顯示增大的右心、房間隔缺損、動脈導管未閉以及肺靜脈異位引流的位置走形等，從而精準指導臨床治療和診療教學示范。我們將3D打印模型應用于先天性心臟病臨床教學中。用實物立體顯示心臟疾病的異常形態(tài)，既可以做為學生授課模型，又可以反復應用于預習、復習和臨床操作練習中，獲得了良好的教學效果。

實例1(如圖2所示)：患者女性，53歲。以“發(fā)現(xiàn)心臟雜音12年”主訴來診，多次不同醫(yī)院心動超聲檢查提示：房間隔缺損(下腔型)。術前曾有4個結構性心臟病外科醫(yī)師、5個介入醫(yī)師進行評估；8個認為不能介入手術，建議行外科手術治療，1個認為需要3D打印模型指導下試封堵手術。因患者不接受開胸創(chuàng)傷，再次要求微創(chuàng)介入治療。故該中心基于其64排CT成像結果，對其病變部位準確測量和重建后3D打印，發(fā)現(xiàn)其房間隔下腔緣盡管為0，但邊緣厚度18.7 mm，意味著封堵傘的邊緣可能搭坐在房間隔下腔緣，防止術后封堵器脫落。最終介入封堵手術成功。

圖2 下腔型房間隔缺損3D打印示教模型

3 3D打印技術應用于繼發(fā)性結構性心臟病教學

如前所述，結構性心臟病包括了任何先天性或獲得性的與心臟和大血管結構有關的疾病，所以除了其中最常見的先天性心臟病外，還包括許多后天的結構性心臟病，比如心肌病、心臟腫瘤、主動脈、肺動脈疾病等。其中許多病變并不多見，甚至某些類型較為罕見，治療和手術對其真實立體結構改變依賴性很強，CT、MRI、B超等檢查，多數(shù)只能在屏幕上提供二維視野，而其復雜的形態(tài)、大小、比鄰關系等對于手術的順利進行而言是一個挑戰(zhàn)，更不用說在教學病例分析、教學、討論等工作中，更是難以實施，大大降低了此類教學的教學質量和師資力量、后備人才等培養(yǎng)。

近年來，3D打印技術的出現(xiàn)，給結構性心臟病的教學示教帶來了契機，一些國際醫(yī)學教學中心已經(jīng)逐步使用3D打印技術，將變異的心臟和大血管改變，按實際大小打印成模型，用于術前治療方案評估討論、?？婆R床教學及臨床實習模型示教中。如：Son等[13]、Schmauss等[14]對疑難病例(如心臟腫瘤)使用CT和MRI數(shù)據(jù)制作3D心臟模型，通過3D打印，將這種看得見、摸得著、360°視角展現(xiàn)的模型用于術前專家討論、向手術組人員示教、術中用于臨床培訓醫(yī)師指導和交流，最終保證了外科手術的順利進行。Bauch等[16]將3D打印技術用于患者安裝起搏器的術前指導和教學，最終起搏器安裝順利并且正常工作。

該中心也將3D打印模型用于繼發(fā)的結構性心臟病教學中。如：室間隔穿孔(ventricular septal rup- ture，VSR)，它是急性心肌梗死(AMI)后嚴重并發(fā)癥之一,心內科不多見卻非常兇險的疾病，占急性心肌梗死患者的1%～2%[17]；單純藥物治療1周、2個月死亡率分別是50%、87%[18]。手術治療是公認有效的治療方法，但術后死亡率高。近年來，隨著結構性心臟病技術的發(fā)展，介入治療逐步應用于心梗后室間隔穿孔的修復。但該方法在放射投射影像下進行，對術者要求高，需要豐富的空間想象和空間操作經(jīng)驗，故其發(fā)展受到較大限制，而年輕在培醫(yī)師知識和經(jīng)驗缺乏，很難更快地掌握該操作技術。該科與國際同行同步，將3D打印技術用于心梗后室間隔穿孔的病例模型制造，通過對心臟CT提供的數(shù)據(jù)制作了室間隔穿孔模型(如圖3所示)，不但指導了介入封堵手術治療，而且將該模型用于臨床帶教和實踐，實現(xiàn)新型臨床教學技術的可持續(xù)發(fā)展。

實例2(如圖3所示)：患者男性，65歲。以“急性大面積心梗3天，發(fā)現(xiàn)室間隔穿孔1天”主訴來診，3天前急性心梗死急診行經(jīng)皮冠狀動脈介入治療( per- cutaneous coronary intervention，PCI)，術后患者重度心衰難以糾正，心動超聲檢查提示：近心尖部室間隔穿孔。1周后該中心基于其64排CT成像結果，對穿孔部位準確測量和重建后3D打印，發(fā)現(xiàn)最終行介入封堵手術成功。該病例示教前對全班12位臨床心內科實習醫(yī)師隨機調查問卷，知曉率為41.6%(5/12)，心動超聲圖片辨認率33.3%(4/12)，多層CT結果辨認率20.8%(3/12)，3D打印模型辨認率75%(9/12)；示教后重新隨機對同一班級12位臨床心內科實習醫(yī)師調查，知曉率為91.6%(11/12)，心動超聲圖片辨認率41.7%(5/12)，多層CT結果辨認率50%(6/12)，3D打印模型辨認率91.6%(9/12)。教學效果顯著，以3D打印模型教學效果最優(yōu)。

圖3 急性心肌梗死后室間隔穿孔3D打印示教模型

4 3D 打印在少見罕見結構性心臟病教學中的應用

心臟結構的變異多種多樣， 有些疾病在臨床中少見甚至罕見，所以課堂教學中缺乏，可用的教材和教學模型。該中心做為結構性心臟病的教學與臨床專業(yè)中心，對罕見的其他結構性少見罕見病例，通過3D打印模型，將其栩栩如生地展示給臨床培訓人員。 主動脈—左室隧道是一種罕見的先天性心臟畸形，其發(fā)病率僅占先天性心臟病的0.12%，系指升主動脈與左心室間位于主動脈瓣膜旁側的異常通道，1961年由Edwards首先報道此病，1963年Levy將其命名為ALVT。我們通過3D打印模型建立主動脈—左室隧道無疑是填補了各級醫(yī)師的類似罕見少見疾病的知識空白，對其專業(yè)知識的豐富有著重要的影響，也對提高和提升?？聘邔哟谓虒W有著重要意義。從而達到影像教學無法達到的教學效果，并且模型可長期反復應用于臨床教學及手術培訓課程，使得罕見病、少見病的知識和模型不再罕見、少見。

實例3(如圖4所示)：患者男性，18歲。以“發(fā)現(xiàn)心臟雜音3年”主訴來診，3年來多次就診，曾誤診為“先天性主動脈瓣關閉不全”“二尖瓣關閉不全”，最終在該中心心動超聲及多層CT診斷為“主動脈—左室隧道”?；谄?4排CT成像結果，對主動脈與左室間的異常隧道進行重建后3D打印，最終行介入封堵手術成功。該病例帶教過程中對在科臨床實習醫(yī)學生及規(guī)培醫(yī)師9人問卷調查，知曉率為0%(0/9)，心動超聲圖片辨認率11.1%(1/9)，多層CT結果辨認率33.3%(3/9)，3D打印模型辨認率88.9%(8/9)。醫(yī)學生及臨床規(guī)培醫(yī)師對少見罕見結構性心臟病的知曉率、心動超聲的辨認率，甚至經(jīng)過多層CT掃描后對其結果的辨認率都很低，但對3D打印模型的疾病狀態(tài)辨認率明顯高出以上影像學診斷圖示。

圖4 主動脈—左室隧道3D打印示教模型

隨著3D打印技術的發(fā)展，給結構性心臟病教學帶來了極好的學習模型，有助于學生理解不同疾病狀態(tài)下心臟及其連接的大血管結構的改變，突破了傳統(tǒng)教學依賴空間想象和思維培養(yǎng)的弊??；同時將3D打印心臟模型應用于結構性心臟病教學，通過重點突出的模擬真實疾病狀態(tài)模型直觀地展現(xiàn)給學生，帶領學生親眼看到疾病的真實狀況，由此彌補了常規(guī)教學中用抽象的空間思維代替物理的心臟立體空間結構，使得學生學習結構性心臟病更簡單、更直觀、更具趣味和真實性。

總之，針對結構性心臟病教學中“教”“學”兩難的困境，將現(xiàn)代化的3D打印技術應用于臨床教學實踐，彌補了現(xiàn)有書本、圖畫、模型，甚至影像學技術在結構性心臟病教學中的缺陷，讓學生在理論及正常結構模型基礎上，準確理解結構性心臟病的病理結構改變，做到舉一反三、融會貫通，為其理解心臟功能改變打好前哨教學。相信隨著該模型不斷地豐富和應用，一定能夠提高結構性心臟病教學的質量。

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Applicationofthree-dimensionprintinginteachingofstructuralheartdisease

FanFenling,ChengGesheng,ZhangSonglin,ShaoHui,LanBeidi,HuoXiaowei,LuoXiaohui,ZhangYushun

TheFirstAffiliatedHospital,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710061,China

3D printing is a new technology developed in recent years that combines computer 3D graph design with layer-by-layer printing. It can vividly present any structural features almost identical to those of the actual objects. Structural heart diseases (SHDs) are a general term referring to diseases related to the structure of the heart and large blood vessels, which means its core pathological changes are structural ones. Therefore, understanding and analysis of them depend greatly on multi-dimensional thinking and demonstration, which have long been a difficult and key point in structural heart diseases teaching. In view of the difficulties in SHDs teaching and learning, this paper discusses ways to apply 3D printing technology in teaching of this type of diseases by constructing clear and visible real SHD models to explain the pathological types of structural changes of normal and abnormal heart and large blood vessels as well as the basic mechanism of the disease so that students can understand various SHDs and even some rare abnormalities. This method can vividly display SHDs with real objects in three dimensions, which helps students develop the spatial thinking mode of heart and large blood vessels. By observing the models of rare diseases, they can understand their mechanism and pathological findings of blood dynamics, enrich their professional knowledge, and improve their abilities to analyze, diagnose and treat SHDs. This teaching method and model are worth popu- larizing in teaching.

3D printing; structural heart disease; clinical teaching; application results

2017-09-03

范粉靈(1969-)，女，陜西咸陽人，副主任醫(yī)師，博士，主要研究方向：結構性心臟病和肺動脈高壓臨床與研究。

G434；G642.0

：A

：1004-5287(2017)05-0583-06

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201705025