李墨琦 金 梅

3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)(additive manufacturing, AM)，是指基于數(shù)字模型，根據(jù)離散、堆積的原理，將可黏合材料分層加工、疊加成型來(lái)構(gòu)造實(shí)物模型的技術(shù)[1]。由于其能夠精確的反映解剖結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于骨科，頜面外科，口腔科[2-3]。自1988年,Laschinger等[4]首次應(yīng)用心臟核磁數(shù)據(jù)制作先天性心臟病(congenital heart disease, CHD)患者的3D心臟模型開(kāi)始，3D打印技術(shù)就越來(lái)越多的應(yīng)用于心血管領(lǐng)域，特別是在CHD診斷和介入治療中逐步應(yīng)用并取得了一定效果。

1.3D打印技術(shù)在先天性心臟病診斷中的應(yīng)用

目前，CHD的診斷主要以2D成像為主，包括超聲心動(dòng)圖，胸X線片，CT，心臟磁共振及心血管造影。隨著技術(shù)的進(jìn)步，以超聲心動(dòng)圖、CT和MRI為數(shù)據(jù)源的3D打印技術(shù)在CHD臨床診斷工作中得到了一定的開(kāi)展。Olivieri等[5]以9例室間隔缺損(ventricular septal defect, VSD)的三維超聲心動(dòng)圖為數(shù)據(jù)來(lái)源，進(jìn)行3D打印制作模型，將3D打印模型的VSD大小與二維超聲心動(dòng)圖測(cè)量的VSD大小做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有顯著差異，并且3D打印模型的精度<1mm。為了得到更精準(zhǔn)的3D圖像，也可進(jìn)行多種數(shù)據(jù)源融合成像，為介入手術(shù)提供更可靠更全面的解剖學(xué)信息。

2.3D虛擬成像的臨床應(yīng)用

3D打印步驟包括：①獲取心臟MRI、CT或超聲心動(dòng)圖的原始數(shù)據(jù)圖像；②使用軟件對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行選取和處理，最終生成STL格式文件；③將STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)制作3D打印模型。軟件處理后的3D虛擬模型也可以直觀的展示心臟結(jié)構(gòu)，F(xiàn)arooqi等[6]運(yùn)用Mimics軟件對(duì)6例右心室雙出口患者的核磁成像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成STL文件后分別用Meshlab和3-matic軟件進(jìn)行閱覽和測(cè)量，輔助術(shù)者了解心臟解剖結(jié)構(gòu)，制定手術(shù)計(jì)劃。Dydynski等[7]以CT為數(shù)據(jù)源對(duì)5例右心室雙出口的患者心臟進(jìn)行了3D重建，明確了大血管關(guān)系及室間隔缺損的位置毗鄰，并按照3D虛擬模型的解剖形態(tài)優(yōu)化了手術(shù)方案。

3.3D打印技術(shù)在先天性心臟病介入治療中的應(yīng)用

(1)3D打印技術(shù)在VSD介入治療中的應(yīng)用 VSD的封堵一直是VSD封堵治療中的難點(diǎn)。由于心室收縮運(yùn)動(dòng)和肌小梁的遮擋，肌部VSD開(kāi)口難以滿意暴露；并且通常呈左室面觀為大缺損，右心室面觀為小缺損或多個(gè)小孔的“奶酪”型缺損，需要行逆向法安放封堵器；膜周部VSD的封堵更容易出現(xiàn)術(shù)中出血、心臟穿孔、術(shù)后心律失常等并發(fā)癥，對(duì)技術(shù)要求較高。應(yīng)用3D打印技術(shù)制作肌部VSD的心臟模型可以用來(lái)模擬手術(shù)過(guò)程，降低并發(fā)癥的發(fā)生率。2008年Kim等[6]報(bào)道一例以CT血管造影為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用3D打印技術(shù)制作模型輔助封堵14mm×12mm的中下間隔肌部VSD。Kim等根據(jù)缺損模型確定12mm的Amplazer封堵器不會(huì)影響主動(dòng)脈瓣、二尖瓣和三尖瓣的功能，并且模擬了不同型號(hào)導(dǎo)管經(jīng)上腔靜脈、下腔靜脈和主動(dòng)脈通過(guò)VSD的軌線建立方案。最終決定采用JR-4導(dǎo)管通過(guò)主動(dòng)脈逆行建立軌線，再經(jīng)右側(cè)頸內(nèi)靜脈進(jìn)行封堵器的安放。通過(guò)模型確定的通過(guò)VSD的最佳方案保證最大程度利用JR-4導(dǎo)管兩個(gè)彎度，同時(shí)使遞送過(guò)程中導(dǎo)管折曲角度最小，減小了導(dǎo)管遞送的難度。2017年Bhatla等[7]對(duì)一例7歲復(fù)雜先心病進(jìn)行研究，患兒先后進(jìn)行過(guò)多次手術(shù)及封堵，殘余心尖部肌部VSD用2種不同型號(hào)封堵器試封堵失敗，殘余分流仍然存在。超聲檢查顯示存在一個(gè)心尖部肌部VSD，為了能更直觀的了解患者VSD的空間結(jié)構(gòu)，術(shù)者以CT血管造影為數(shù)據(jù)源，用3D打印技術(shù)構(gòu)建包括封堵器在內(nèi)的心臟室間隔結(jié)構(gòu)模型，模型顯示心尖部為一結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多個(gè)肌部VSD。術(shù)者用模型輔助制定手術(shù)方案，避開(kāi)由封堵器、室間隔和心尖左側(cè)壁形成的管道型殘余漏并且分別放置4個(gè)Amplatzer II型血管封堵器和1個(gè)Amplatzer 肌部室缺封堵器進(jìn)行肌部室缺的封堵，術(shù)后僅有細(xì)小殘余分流，患者肺血明顯減少。

Bhatla等[7]也報(bào)道了一例通過(guò)3D打印模型明確缺損情況后改為外科手術(shù)治療的病例?；颊?歲6個(gè)月，心尖部及前間隔肌部多發(fā)室缺，封堵難度較大，術(shù)前以CT為數(shù)據(jù)源制作3D打印模型后發(fā)現(xiàn)缺損周?chē)⌒×狠^多不適宜介入治療，最終改變方案行外科手術(shù)治療。

(2)3D打印技術(shù)在房間隔缺損(atrial septal defect, ASD)介入治療中的應(yīng)用 封堵器的精確釋放是介入手術(shù)成功的關(guān)鍵。2008年Kim等[6]在3D打印技術(shù)的幫助下，對(duì)1例50歲27mm×24mm房間隔膨脹瘤伴多孔型房缺和卵圓孔未閉的女性患者進(jìn)行了封堵手術(shù)。Kim等對(duì)患者行CT血管造影并制作3D打印模型，模型直觀的展示了房間隔膨脹瘤及多孔型房缺的數(shù)量、大小及位置關(guān)系，模擬封堵后顯示采用35mm的Amplatzer Cribriform封堵器通過(guò)位于中央的房缺進(jìn)行封堵可以達(dá)到良好的封堵效果。

3D打印模型不僅可以幫助術(shù)前封堵方案的制定，而且可以更直觀的展示術(shù)后封堵器的位置及其與周?chē)Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，有助于術(shù)者評(píng)估封堵效果，預(yù)測(cè)患者遠(yuǎn)期預(yù)后。2016年Bartal等[8]對(duì)1例患有16mm繼發(fā)孔型ASD的48歲男性進(jìn)行了內(nèi)科介入封堵手術(shù)，術(shù)中決定采用17 mm Amplatzer封堵器進(jìn)行封堵，封堵器安放后行心腔內(nèi)超聲顯示封堵傘釋放良好，但左房傘與主動(dòng)脈壁及左房頂部相接觸?？紤]封堵器左房傘展開(kāi)后為31mm，可能會(huì)對(duì)ASD周?chē)慕Y(jié)構(gòu)造成影響，所以術(shù)后第二天行增強(qiáng)CT檢查，并用其數(shù)據(jù)制作患者術(shù)后心室舒張末期3D打印模型，模擬封堵器置入情況，證實(shí)封堵器位置形態(tài)良好。

目前，國(guó)內(nèi)也相繼出現(xiàn)3D打印應(yīng)用于特殊類(lèi)型ASD介入治療中的報(bào)道。楊帆等[9]應(yīng)用3D打印技術(shù)制作了1例下腔型ASD患者的心臟模型， 模擬封堵后發(fā)現(xiàn) ASD封堵器封堵效果欠佳，最終采用了動(dòng)脈導(dǎo)管封堵器使手術(shù)獲得了成功。2016年羅鴻幸等[10]對(duì)2例非?？拷鲃?dòng)脈及上腔靜脈的ASD進(jìn)行了封堵，為了確保手術(shù)順利進(jìn)行，術(shù)前通過(guò)心臟雙源CT數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，在3D打印制作的心臟模型上模擬手術(shù)，確定封堵傘的尺寸，封堵成功且傘形態(tài)位置良好。多孔型ASD由于缺損位置、間距、大小的差異性很大，給介入手術(shù)方案的制定帶來(lái)了很大的困難，存在封堵后殘余分流，多個(gè)封堵器封堵穩(wěn)定性不佳、內(nèi)皮化困難等問(wèn)題。2017年邱旭等[11]篩選21例多孔型ASD，依據(jù)其超聲心動(dòng)圖和CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造心臟模型，進(jìn)行體外封堵測(cè)試確定介入治療方案，最終封堵術(shù)后效果良好。這些病例報(bào)道均根據(jù)患者心臟解剖結(jié)構(gòu)制定個(gè)體化手術(shù)方案，拓寬了指南推薦的介入適應(yīng)癥，為介入手術(shù)的精準(zhǔn)化提供了新的思路。

(3)3D打印技術(shù)在主動(dòng)脈縮窄介入治療中的應(yīng)用 主動(dòng)脈縮窄的介入治療技術(shù)難度大，容易發(fā)生支架移位、栓塞等并發(fā)癥[12]。2016年Nalini等[13]成功對(duì)1例19歲的主動(dòng)脈弓縮窄并假性動(dòng)脈瘤的患兒行二次主動(dòng)脈弓支架置入手術(shù)。患者12歲時(shí)行主動(dòng)脈弓縮窄支架置入術(shù)，7年后再次發(fā)生縮窄，行心導(dǎo)管檢查示主動(dòng)脈于支架中部環(huán)形斷裂處縮窄，左鎖骨下動(dòng)脈分叉處可見(jiàn)一假性動(dòng)脈瘤。若對(duì)患者行二次支架置入手術(shù)則覆膜支架在覆蓋假性動(dòng)脈瘤的同時(shí)也有覆蓋左鎖骨下動(dòng)脈開(kāi)口的風(fēng)險(xiǎn)。Nalini等通過(guò)在3D打印模型上模擬手術(shù)，證實(shí)了覆膜支架會(huì)同時(shí)覆蓋左鎖骨下動(dòng)脈開(kāi)口并重新制定了手術(shù)方案， 即置入支架后利用左側(cè)橈動(dòng)脈通道將導(dǎo)絲堅(jiān)硬的末端在覆膜支架上穿孔，再運(yùn)用一系列球囊血管成形術(shù)將支架上的孔洞擴(kuò)大，通暢左鎖骨下動(dòng)脈。術(shù)后血管造影顯示主動(dòng)脈弓支架無(wú)明顯位移和殘余狹窄，升主動(dòng)脈與降主動(dòng)脈無(wú)明顯壓差，患者于第二天出院。3D打印技術(shù)幫助術(shù)者預(yù)測(cè)了手術(shù)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題。術(shù)者及時(shí)調(diào)整手術(shù)方案，使介入手術(shù)更加安全，通過(guò)縮短手術(shù)時(shí)間降低了術(shù)中放射線和造影劑的用量。

(4)3D打印在特殊病例封堵中的應(yīng)用 主動(dòng)脈竇瘤是一種先天性心血管畸形，占CHD的1.2%～1.6%。由于主動(dòng)脈竇瘤血管壁彈力纖維和(或)肌性組織的缺失，在主動(dòng)脈壓力驟然升高時(shí)，竇瘤可破裂引發(fā)一系列血流動(dòng)力學(xué)改變[14]。2014年，楊延坤等[15]報(bào)道了1例3D打印輔助下封堵主動(dòng)脈竇瘤破裂的病例?；颊邽?1歲女性，曾開(kāi)胸行VSD修補(bǔ)術(shù)，此次要求介入治療。為了解破口的位置、大小及空間解剖結(jié)構(gòu)，術(shù)前利用患者CTA檢查數(shù)據(jù)制作心臟模型并進(jìn)行試封堵。手術(shù)過(guò)程順利，術(shù)后封堵器位置良好，無(wú)明顯主動(dòng)脈瓣返流。3D打印技術(shù)直觀的顯示了主動(dòng)脈竇瘤的位置及大小，指導(dǎo)了手術(shù)的操作及器材的選擇。

目前普遍認(rèn)為法洛四聯(lián)癥矯治術(shù)時(shí)進(jìn)行的跨環(huán)補(bǔ)片(transannular patch，TAP)是導(dǎo)致肺動(dòng)脈瓣反流的重要原因，同時(shí)由于TAP使右心室流出道增寬、形態(tài)不規(guī)則，通常不適合進(jìn)行經(jīng)皮肺動(dòng)脈瓣置換術(shù)(percutaneous pulmonary valve implantation, PPVI)。2016年P(guān)hillips等人[16]對(duì)8例TAP術(shù)后右心室流出道擴(kuò)大不適合行PPVI的患者進(jìn)行鑲嵌治療。術(shù)前以MRI及CT為數(shù)據(jù)源制作心臟模型，制定手術(shù)方案。右心室流出道內(nèi)徑為24～26mm時(shí)，在瓣膜置入位置放置一個(gè)預(yù)支架；當(dāng)最狹窄處內(nèi)徑>26mm時(shí)需要在預(yù)支架旁同時(shí)放置1個(gè)或多個(gè)覆膜支架，再對(duì)覆膜支架進(jìn)行封堵。8例手術(shù)均獲得成功，術(shù)后僅有微量瓣周殘余分流，為制定PPVI手術(shù)方案提供了參考。同一年，Valverde等[17]首次報(bào)道了一例法洛四聯(lián)癥矯治術(shù)后因右心室流出道及右心室擴(kuò)大行“雙支架”P(pán)PVI的病例?；颊哂倚氖伊鞒龅罏?6mm，通過(guò)在3D打印技術(shù)制作的模型上模擬手術(shù)，決定對(duì)患者行“雙支架”P(pán)PVI，即放置長(zhǎng)度為48mm的 XL-Andtrastent支架和長(zhǎng)度為24mm的 Palmaz-Genesis支架，將Melody 瓣膜置入Andtrastent支架，再用長(zhǎng)為16mm的Amplatzer Vascular Plug II封堵器對(duì)Palmaz-Genesis支架進(jìn)行封堵，術(shù)后血管造影顯示支架間及封堵器周?chē)鸁o(wú)殘余分流，造影和經(jīng)食管超聲顯示置入瓣膜功能良好。3D打印不僅有助于制定個(gè)性化手術(shù)方案，而且拓寬了手術(shù)指征。

(5)局限 雖然3D打印可以提高介入手術(shù)效果，但也存在一些局限。3D打印需要對(duì)原始影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇與提取等多級(jí)處理，每一步后處理都會(huì)使最終得到的模型與原始數(shù)據(jù)的差別增大，降低3D打印的精度[18]，從而影響術(shù)者對(duì)心臟細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)的把握；其次，對(duì)患者心臟進(jìn)行模型重建及3D打印，需要考慮到心臟的動(dòng)態(tài)改變，以更好的對(duì)患者心臟進(jìn)行評(píng)估；此外，3D打印技術(shù)還依賴于計(jì)算機(jī)后處理技術(shù)的應(yīng)用，從事后處理技術(shù)的醫(yī)生不僅要對(duì)心血管解剖及疾病有足夠的認(rèn)識(shí)，還要熟練地應(yīng)用相關(guān)計(jì)算機(jī)處理軟件。3D打印耗時(shí)長(zhǎng)，打印成本高，對(duì)材料的要求也較高，在心血管領(lǐng)域的應(yīng)用仍需進(jìn)一步的研究。

4.小結(jié)和展望

利用3D打印技術(shù)，術(shù)者可以利用模型精確定位心血管畸形的解剖位置及毗鄰，選擇合適的封堵器械，模擬手術(shù)過(guò)程，優(yōu)化手術(shù)方案，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，有望取得個(gè)體化的精準(zhǔn)治療。此外，3D打印技術(shù)的應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向仿造人體器官及組織，但此類(lèi)研究仍處于初期。2015年，Mahmood等[19]通過(guò)經(jīng)食管心臟超聲得到人二尖瓣影像學(xué)數(shù)據(jù)，再利用3D打印技術(shù)分別制作出正常二尖瓣、二尖瓣關(guān)閉不全、二尖瓣狹窄在收縮期的實(shí)體模型，對(duì)瓣膜修復(fù)手術(shù)及人工瓣膜的制作提供了參考。Fukunishi等[20]依據(jù)綿羊下腔靜脈的影像學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作了一段靜電紡絲芯棒，將靜電紡絲纖維圍繞芯棒制成的人工下腔靜脈移植到綿羊體內(nèi)，術(shù)后移植血管通暢，無(wú)血管瘤形成。雖然3D打印技術(shù)在CHD中的應(yīng)用尚屬起步階段，但隨著影像學(xué)的進(jìn)步和材料學(xué)的發(fā)展，今后有望制造出置入人體的心臟血管、瓣膜等結(jié)構(gòu)，這將對(duì)先天性心臟疾病的治療及手術(shù)器材的研發(fā)帶來(lái)新的突破。