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)?？祁I(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］?，F(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)脈三分支起源異常患者應(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?。?］。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?？祁I(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。