冉啟仁 金 鑫 吳 春 雷洪波
主動(dòng)脈縮窄(coarctation of aorta,CoA)是一種較常見(jiàn)的復(fù)雜型先天性心臟病,文獻(xiàn)報(bào)道CoA在國(guó)內(nèi)的發(fā)病率占所有先天性心臟病的3%~5%,國(guó)外則占所有先天性心臟病發(fā)病率的5%~8%。CoA常合并心內(nèi)結(jié)構(gòu)性畸形,部分主動(dòng)脈縮窄病變涉及主動(dòng)脈發(fā)育不良和變異[1]。其臨床表現(xiàn)多樣,主要取決于主動(dòng)脈的縮窄程度、有無(wú)側(cè)枝血管形成、動(dòng)脈導(dǎo)管是否未閉以及是否合并復(fù)雜心內(nèi)畸形等。主動(dòng)脈縮窄的診斷途徑主要包括心臟CT、磁共振成像、心臟彩超等,但上述檢查的局限性在于無(wú)法立體呈現(xiàn)病變結(jié)構(gòu)的空間影像,特別是對(duì)于年輕醫(yī)師而言,僅通過(guò)二維圖像準(zhǔn)確重建病變部位的空間結(jié)構(gòu)及毗鄰關(guān)系來(lái)確定手術(shù)徑路顯得尤為困難。近年來(lái),隨著3D打印技術(shù)在各個(gè)專科領(lǐng)域的縱深發(fā)展,目前已有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道3D打印技術(shù)用于兒童復(fù)雜先天性心臟病術(shù)前模擬手術(shù),并達(dá)到預(yù)期的手術(shù)效果[2-5]。現(xiàn)結(jié)合文獻(xiàn)復(fù)習(xí)對(duì)重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院一例重度主動(dòng)脈縮窄伴主動(dòng)脈三分支起源異?;颊邞?yīng)用術(shù)前3D打印技術(shù)模擬手術(shù)治療的全過(guò)程進(jìn)行報(bào)道。
患者男,1個(gè)月24天,體重4 kg。主訴:發(fā)現(xiàn)心臟雜音1月余,咳嗽10余天,氣促、反應(yīng)差1天,遂收入我院新生兒科。1個(gè)月前患者因新生兒肺炎于我院新生兒科住院治療期間行心臟CTA,提示升主動(dòng)脈直徑約9.6 mm,主動(dòng)脈弓峽部明顯縮窄,兩端呈線狀連接,距離約2.2 mm,其中近端直徑約4.6 mm,遠(yuǎn)端直徑約7.4 mm,降主動(dòng)脈直徑約6.8 mm,穿膈處約6.7 mm,未見(jiàn)確切動(dòng)脈導(dǎo)管開(kāi)放征象。肺動(dòng)脈主干直徑10.1 mm,大于同層主動(dòng)脈,左右肺動(dòng)脈直徑分別為4.5 mm、4.0 mm,未見(jiàn)明顯狹窄或擴(kuò)張征象。氣道重建示大氣道無(wú)明顯異常。影像學(xué)診斷:先天性心臟病,主動(dòng)脈重度縮窄(三分支起源異常),房間隔缺損。超聲心動(dòng)圖示Ⅱ型房間隔缺2.3 mm,心房水平左向右分流,左位主動(dòng)脈弓,主動(dòng)脈弓橫部?jī)?nèi)徑6.2 mm,左鎖骨下動(dòng)脈內(nèi)徑3.1 mm,峽部?jī)?nèi)徑2.2 mm,血流速4.18 m/s,壓差69.8 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。射血分?jǐn)?shù)45%。彩超診斷:主動(dòng)脈縮窄(重度),房間隔缺損(卵圓孔型)。此次因再發(fā)“重癥肺炎伴呼吸衰竭”入院,主要表現(xiàn)為喘息、多汗,喂養(yǎng)困難、反應(yīng)差。入院后查體:體溫37.3℃,呼吸40次/分,心率200次/分,左上肢血壓65/30 mmHg,左下肢血壓56/34 mmHg,右上肢血壓69/32 mmHg,右下肢血壓54/31 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa),右上肢經(jīng)皮血氧飽和度98%,右下肢血氧飽和度98%,氣促明顯,雙肺呼吸音粗,雙肺聞及散在粗濕啰音,心前區(qū)無(wú)凸起,胸骨左緣第2~3肋間聞及3/6級(jí)收縮期雜音。腹平軟,肝肋下2 cm可觸及,質(zhì)軟、邊緣銳、表面光滑,脾臟肋下未觸及,雙側(cè)股動(dòng)脈搏動(dòng)明顯減弱,雙下肢無(wú)水腫,生理反射存在。臨床診斷:主動(dòng)脈重度縮窄伴房間隔缺損(卵圓孔型),重癥肺炎,呼吸衰竭,內(nèi)環(huán)境紊亂。入院后立即予以氣管插管、糾酸、抗感染、擴(kuò)容等處理。在醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)的協(xié)助下,拷貝患者的DICOM數(shù)據(jù),通過(guò)軟件合成還原患者的心臟及其大血管三維解剖結(jié)構(gòu)。
通過(guò)圖1我們發(fā)現(xiàn),該患者的主動(dòng)脈縮窄類型不能很好地應(yīng)用現(xiàn)有的類型進(jìn)行分類,國(guó)內(nèi)外少見(jiàn)類似報(bào)道,其特別之處在于患者的左鎖骨下動(dòng)脈以及左頸總動(dòng)脈均從無(wú)名動(dòng)脈上的鄰近位置發(fā)出,主動(dòng)脈弓走行變得纖細(xì),遠(yuǎn)端與降主動(dòng)脈幾乎無(wú)管型結(jié)構(gòu)相連接,未見(jiàn)動(dòng)脈導(dǎo)管,兩斷端可見(jiàn)側(cè)枝血管形成。
圖1 兒童主動(dòng)脈縮窄3D打印圖片 A:患者術(shù)前CT圖像重建顯示主動(dòng)脈縮窄處僅見(jiàn)線性連接;B:3D軟件重建患者心臟及其大血管連接模型;C:模擬切除后患者主動(dòng)脈重建情況;D:基于擠出沉積技術(shù)打印的生物3D心臟模型Fig.1 A:CT image reconstruction before operation showed only linear connection at coarctation of aorta;B:model of heart and its great vessels reconstructed by 3D software;C:reconstruction of aorta after resection;D:Biological 3D heart model printed based on extrusion technology
討論此例患者的解剖結(jié)構(gòu)十分罕見(jiàn)。我們根據(jù)3D打印的心臟及其大血管模型進(jìn)行術(shù)前模擬,根據(jù)解剖模型,我們擬定了4種可能的手術(shù)方式:切除并(擴(kuò)大)端端吻合;切除并(擴(kuò)大)端側(cè)吻合;左鎖骨下動(dòng)脈翻轉(zhuǎn)補(bǔ)片術(shù);人工血管補(bǔ)片成形術(shù)。經(jīng)過(guò)手術(shù)模擬,我們發(fā)現(xiàn)切除并端側(cè)吻合是最適合該患者的手術(shù)方式。術(shù)中采用左后外側(cè)第4肋間入胸,切斷縮窄段主動(dòng)脈及導(dǎo)管組織,采用7-0 PDS縫線連續(xù)端側(cè)吻合降主動(dòng)脈與主動(dòng)脈弓。術(shù)中探查結(jié)果與術(shù)前重建及模擬結(jié)果一致,減少了術(shù)中反復(fù)探查與設(shè)計(jì)吻合口的時(shí)間。手術(shù)過(guò)程順利,主動(dòng)脈阻斷時(shí)間30 min,術(shù)后呼吸機(jī)使用時(shí)間179 h。隨訪心臟彩超提示吻合口壓差14 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa),流速1.86 m/s,大動(dòng)脈水平未見(jiàn)殘余分流。對(duì)本例患者我們充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì),術(shù)前通過(guò)對(duì)重建的模型進(jìn)行反復(fù)的手術(shù)入路設(shè)計(jì)及吻合方式選擇,術(shù)中進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性,術(shù)后總結(jié)經(jīng)驗(yàn),對(duì)復(fù)雜型先天性心臟病應(yīng)用3D打印技術(shù)協(xié)助術(shù)前評(píng)估及手術(shù)規(guī)劃是有意義的。
CoA是一種胸主動(dòng)脈的先天性狹窄,以外科治療為主,手術(shù)的目的是切斷狹窄段血管并重獲血管的通暢。本例患者主動(dòng)脈縮窄程度重,狹窄段長(zhǎng),解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,手術(shù)難度極大,心臟CTA雖能準(zhǔn)確顯示患者的心臟血管結(jié)構(gòu)性畸形,但其僅能以二維圖像的形式呈現(xiàn),無(wú)法切換視角,多參數(shù)、立體、可測(cè)、可觸地顯示患者的心外結(jié)構(gòu)性病變[6]。超聲心動(dòng)圖雖能清晰顯示心臟內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性缺陷,但對(duì)心臟的大血管病變的觀察與診斷存在局限,這容易使醫(yī)生對(duì)術(shù)前評(píng)估及疾病的分析產(chǎn)生偏差[4,6]。3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種,是以三維幾何模型為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過(guò)增加材料逐層打印的方法來(lái)制造物體的技術(shù)[7]。3D打印技術(shù)克服了其他影像觀察診斷的局限性,其基于CT、MRI以及3D心臟超聲數(shù)據(jù)的三維成像能360°顯示心臟內(nèi)外結(jié)構(gòu)。一方面使得醫(yī)師對(duì)患者的病變有了整體性的空間認(rèn)知,有利于手術(shù)規(guī)劃;另一方面也便于醫(yī)師向患者家屬描述病情,更直觀地溝通手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
目前,3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:一是用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃或練習(xí),以及以標(biāo)本制作為代表的模型制造;二是用于如骨骼、瓣膜等替換為代表的可移植性假體制造;三是用于組織工程領(lǐng)域中,主要包括生物材料、生物化學(xué)物質(zhì)和細(xì)胞為基礎(chǔ)制造的生物3D打印[8]。1987年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)正式提出和確定“組織工程”這一概念,其核心是利用細(xì)胞生物學(xué)和工程學(xué)原理,在體外培養(yǎng)、擴(kuò)增種子細(xì)胞,再種植于生物相容性好、并可降解的生物材料上,形成細(xì)胞-生物材料復(fù)合物,植入體內(nèi)與宿主組織融合生長(zhǎng),以達(dá)到對(duì)宿主組織結(jié)構(gòu)修復(fù)和功能重建的目的。隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展不斷細(xì)化,我中心正在嘗試規(guī)劃將3D打印實(shí)物技術(shù)用于教學(xué)及術(shù)前手術(shù)演練方案的制定。
近年來(lái),隨著3D打印技術(shù)的不斷完善,其在協(xié)助診斷復(fù)雜型先天性心臟病及提供術(shù)前指導(dǎo)方面扮演著越來(lái)越重要的角色。楊帆等[9]利用3D打印技術(shù)打印出心臟模型,指導(dǎo)心臟介入手術(shù)并取得成功。2006年國(guó)外已有學(xué)者根據(jù)患者個(gè)體化解剖數(shù)據(jù),利用3D打印技術(shù)制作彈性心臟模型,用于手術(shù)的規(guī)劃與研究[10]。Riesenkampff等[11]首先采用CT及MRI對(duì)11例復(fù)雜先心病患者進(jìn)行掃描,獲取二維心臟掃描數(shù)據(jù),隨后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維重建,再采用3D打印技術(shù)打印出患者的心臟三維模型,從而得到心臟內(nèi)外結(jié)構(gòu)空間關(guān)系的準(zhǔn)確信息,并根據(jù)模型在術(shù)前制訂出個(gè)體化手術(shù)方案。Vettukattil等[3]對(duì)5例復(fù)雜先心病患者進(jìn)行3D心臟解剖模型的打印,不僅使醫(yī)師團(tuán)隊(duì)更容易通過(guò)術(shù)前模擬改善或制定手術(shù)決策,也可更簡(jiǎn)便、清楚地向患者家屬描述病情。3D打印技術(shù)不僅為患者帶來(lái)了更佳清晰的手術(shù)方案設(shè)計(jì),也減少了主刀醫(yī)師術(shù)中反復(fù)探查、思考和手術(shù)設(shè)計(jì)的時(shí)間,減少了對(duì)鄰近重要組織結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險(xiǎn),使患者能在最短的時(shí)間內(nèi)完成手術(shù)治療,減少了體外循環(huán)轉(zhuǎn)機(jī)以及在患者的ICU停留時(shí)間,有助于外科醫(yī)生真正提高手術(shù)技術(shù)。
個(gè)體化精準(zhǔn)治療是未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展的趨勢(shì),如何為患者設(shè)計(jì)個(gè)體化最優(yōu)精準(zhǔn)治療方案、提高患者治愈率、減少并發(fā)癥、減輕患者病痛、縮短住院時(shí)間及節(jié)省治療費(fèi)用等內(nèi)容值得研究,而3D打印技術(shù)開(kāi)辟了個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療的新認(rèn)知。Ryan等一項(xiàng)為期3年的回顧性研究發(fā)現(xiàn),是否打印解剖模型與手術(shù)結(jié)局并無(wú)明顯關(guān)系,但對(duì)于提高手術(shù)醫(yī)師對(duì)病變的術(shù)前認(rèn)知及減少手術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)間是有用的。Valverde等[2]聯(lián)合多中心對(duì)40例先天性心臟病患者的前瞻性研究表明,經(jīng)過(guò)對(duì)3D打印模型的思考設(shè)計(jì)后,有19例改變了原先擬定的手術(shù)方案。由此可見(jiàn),加快深入開(kāi)展3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。但3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)還屬于新技術(shù),在學(xué)科發(fā)展過(guò)程中還有很多問(wèn)題亟待解決,一是三維輔助模型的設(shè)計(jì)并非正規(guī)的醫(yī)療收費(fèi)項(xiàng)目,大部分醫(yī)學(xué)建模和實(shí)物打印都由相關(guān)公司完成,各家單位沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案及規(guī)范化培訓(xùn)的技術(shù)人員;二是目前的3D打印數(shù)據(jù)均來(lái)源于CT、MRI或3D超聲心動(dòng)圖的底層數(shù)據(jù),但原始的影像資料并不能完全達(dá)到醫(yī)學(xué)三維建模的標(biāo)準(zhǔn),可能得出無(wú)臨床價(jià)值的三維數(shù)據(jù);三是由于醫(yī)學(xué)圖像分割算法存在一定的局限性,對(duì)于瓣膜、冠狀動(dòng)脈等解剖結(jié)構(gòu)的打印存在缺陷;四是3D打印的生物材料必須擁有良好的組織相容性、可降解性以及具有組織活動(dòng)等特性,而目前材料學(xué)的學(xué)科發(fā)展相對(duì)滯后;五是目前只能打印簡(jiǎn)單的器官,在器官內(nèi)打印微小血管變得困難,打印的器官不具有其原生物體的組織細(xì)胞功能;六是3D打印的結(jié)局是產(chǎn)生了一個(gè)動(dòng)態(tài)器官的靜態(tài)模型,對(duì)于理解心臟的血流動(dòng)力學(xué)變得困難;七是3D打印的耗時(shí)太久,通常8~24 h的打印成型時(shí)間可能導(dǎo)致復(fù)雜先心病患者錯(cuò)過(guò)最佳手術(shù)時(shí)機(jī)[2]。
綜上所述,涵蓋了計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、精密器械以及醫(yī)學(xué)的3D打印技術(shù)搭建起了傳統(tǒng)影像學(xué)和醫(yī)學(xué)解剖之間的橋梁,對(duì)患有先心病特別是復(fù)雜型先心病的患者,3D打印技術(shù)用于協(xié)助術(shù)前診斷及手術(shù)模擬方面展示了良好的應(yīng)用前景,在心臟移植方面也具有一定的優(yōu)勢(shì),雖然現(xiàn)階段的3D打印還存在諸多不足,但相信隨著各專科領(lǐng)域合作研究的深入,生物醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)在小兒復(fù)雜型先天性心臟病中的應(yīng)用將更加廣泛與深入。