3D打印技术在先天性室间隔缺损治疗中的应用现状及展望

覃雄海综述，康凯、蒋树林审校

综述

3D打印技术在先天性室间隔缺损治疗中的应用现状及展望

覃雄海综述，康凯、蒋树林审校

随着科学技术的进展，3D 打印技术不仅能够提供重要的解剖学信息，而且可以构建出 3D 的心脏模型，逐渐被应用在先天性心脏病的的诊断和手术治疗。3D 打印技术克服了2D 技术不能切换角度的缺点，能够更直观地显露出室间隔缺损的具体解剖结构，便于采用个体化治疗措施，根据患者异常解剖学制定最佳的治疗方案。本文就3D 打印技术在室间隔缺损应用的现状和展望与不足做一综述。

综述；室间隔缺损；3D 打印技术；心脏外科手术

室间隔缺损（VSD） 是先天性心脏病（先心病）最常见的畸形之一，占所有先心病的 20%[1-3]。3D 打印技术是一种通过数字化技术设计再现人体解剖结构的技术，已存在三十多年，近几年逐渐被大众广泛认识和接受，利用 3D 打印技术根据疾病的病理生理学结构进行鉴别诊断，对复杂解剖学结构有更深入的理解，依据个体化原则，制定更加谨慎且精确的术前方案，确定更加准确的手术步骤，减少潜在并发症的发生率，通过减少手术的时间，进而降低手术等治疗的费用。本文就 3D 打印技术在室间隔缺损治疗中应用的现状和展望与不足做一综述。

1 3D打印技术的概念

3D 打印技术，是一门借助多学科交叉而发展的技术，是指在计算机断层摄影术（CT）或磁共振成像（MRI）扫描收集获得的数据或计算机技术辅助设计的数字化模型的基础上，运用粉末状、液态塑料或金属等各种可粘合材料，根据目标的形状，通过串联、逐层精确定位打印的方式来构造与活体生物器官相近的复合固体物理模型的技术[4,5]。

3D 打印技术起始于20 世纪 80 年代，使用喷墨打印技术来完成对粉状材料的加工。粉状材料大部分包括聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、金属和陶瓷等，造就了 3D打印技术的多功能作用和简便性的特点。在制作期间，打印机针头把打印液体的粘合剂打印成在粉末状材料的薄层，通过电脑系统完成目标物质的初步制作，再通过在之前制作材料的顶端上堆积和打印材料层，完成重新组建靶向目标的完整结构。简单地说就是，3D 打印技术是一种通过三维可视化来完成模型的快速堆积成型的技术，通过三维可视化扫描,结合计算机设计出三维数字化模型，对三维数字化模型进行分层和数控编程，把完成后的文件输入打印机[6]。第一台商业用3D 打印机是 Charles W.Hull 在 1986 年开发成功的。此后逐渐被应用在构建生物学材料。3D 技术能够很大程度地降低制造复杂产品结构的的难度，具有可重复性、精确性和分辨率高等的优点，使其逐渐应用于包括医疗在内的很多领域当中。

3D 打印技术是一项具有良好医学应用前景及临床价值的技术。在临床应用中，3D 打印技术能够向医生显露出靶向组织器官的精确解剖学结构，使临床医生更精确地对患者疾病进行诊断和讨论，对疾病情况了解更透彻，从而能够根据患者的个性化特点制作出最合适的手术治疗措施，同时能丰富手术方式和完成器官替代等，这样提高手术的精确度的同时，提高患者术后存活的成功率，提高术后生活质量。

2 3D 打印技术原始三维数据的采集

为了对功能组织或器官的复杂、异质的组成部分有个充分的了解，从而再生其结构，我们需要借助医学影像学技术来获取在细胞、组织、器官和机体水平的信息和3D 结构，从而能够辅助重建患者特异性的机体结构[5]。其中包括非侵入性的物理方法和侵入性的检查方法。我们通常可以通过3D扫描仪、CT、MRI 和超声图像获取到目标物质的三维结构，经专用的计算机辅助设计处理后以 STL 文件格式传输到 3D打印机中。

3 3D 打印技术的技术方法和原理

目前，3D 打印技术常用的主要技术包括 5 种主要类型：选择性激光烧结术（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、光固化立体印刷（SLA）、三 维 喷 印（3DP）和直接携带细胞的生物打印[7-10]。随着医学影像学技术的进一步发展，3D打印技术能够精确地打印靶向器官解剖3D 模型，已开始应用在众多临床医学领域当中，包括口腔科、骨科、普外科、器官移植[11]、心血管病[12]和神经外科等，并且展示出了较好的临床应用价值。Kim等[13]对 3D 和 2D 打印技术在先天性心脏病患者心脏内空间结构关系的应用进行了比较，发现3D 打印技术具有更高的精准度，能更准确地可视化展示先天性室间隔缺损的解剖学结构。但是有研究表明很多因素不同程度地影响心脏模型构建的精确度，这些因素包括 CT 在扫描过程中因为金属异物等造成较差的成像质量、3D 打印机类型和打印材料等[10]。

3D 打印技术的原理：通过传输辅助检查获取的3D 结构数据至计算机建模软件建立出目标模型，然后将目标模型沿着某一个具体方向，根据不同的异质性结构要求，按一定厚度分层进行切片，然后使用专门的软件对切片后的数据信息进行恰当处理，将这些信息与打印机的加工参数设置相结合，生成3D 打印机可识别的代码信息，驱动打印机有序地加工出每一层并这些薄型层面堆叠黏合，直至形成一个实体模型，完成叠加的过程。

4 3D 打印技术在先天性室间隔缺损的治疗现状

随着医疗技术的发展，3D 技术已经开始被广泛应用在心脏介入治疗中，克服了以X线胸片、CT、MRI 等影像学技术为主的2D 技术对疾病的评估和分析误差性，克服了这些技术无法识别复杂的室间隔缺损的解剖学结构的缺点，使医生对于复杂心脏病有更加精确的认识和了解，从而制定精确的手术治疗方案。3D 技术能够从多角度识别包括室间隔缺损等先心病的复杂解剖和空间结构关系，可以打印出不同材质、颜色和高分辨率的图像，更直接地显露出心脏的具体解剖学结构和空间关系，从而使外科医生对室间隔缺损患者的解剖学和心腔内传导系统有更透彻的认识，进而根据患者的具体解剖学异常制定最佳的手术治疗方案。

4.1 3D 打印技术在室间隔缺损疾病解剖学认识

最近的一些研究表明了 3D 打印技术在室间隔缺损的诊断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 岁复杂先天性心脏病患儿的心脏模型，用以评估室间隔缺损的位置、大小及其与主动脉和肺动脉之间的关系。他们指出对于复杂先天性心脏病患者，快速成型技术制作的心脏模型对于制定精准手术方案是非常重要的，既可以减少手术时间，也能够显著降低围手术期和术后死亡率。Bhatla 等[15]依据每位患者的独特性的基础，通过使用不同的的显像模式制作出先天性心脏病的3D 打印解剖模型，结果表明 3D 打印模型能够更显著暴露缺损大小，从而能够指导决策的制定。对于复杂的室间隔缺损患者来说，3D 打印技术的优势明显优于传统的 MRI 和 CT，因为 3D 打印技术能够更加准确地明确室间隔缺损部位与周围组织的解剖学结构关系，而这在外科手术治疗中是更重要。

4.2 3D打印技术在室间隔缺损疾病的治疗应用

在国外目前已经有很多关于 3D 打印技术在先天性室间隔缺损的患者的应用研究。2008 年，Kim 等[13]对 1 例 30 岁的先天性室间隔缺损患者进行研究。他们使用多普勒超声检查确认了存在双向分流的室间隔缺损心脏病后，利用扫描的数据打印了其心脏模型，根据打印出来的解剖学结构和空间结构关系的模型完成了室间隔缺损的成功封堵。这个研究证明了 3D 心脏物理模型有助于了解室间隔缺损的解剖的病理生理学，更精确地明确缺损部位解剖结构，同时有助于区分不同手术和介入治疗的优劣势，在手术前制定更详细、精确的手术方案。但是在我国却鲜有报道，就连此技术的综述也是不多[11]。在我国，南京市儿童医院的孙剑等心外科医生使用最先进的 3D 打印技术顺利完成了对室间隔缺损和房间隔缺损患儿的手术封堵。他们通过 3D 打印技术打印了患儿的心脏模型，明确了室缺与周围组织的关系，从而成功完成了封堵，证明了 3D 打印技术可以克服传统影像学检查不能明确解剖学位置的缺点。胡立伟等[16]通过一个患有复杂先天性心脏病的的 4 个月患者的诊断和治疗方法来探讨 3D 打印的心脏模型在临床上先心病的诊断和治疗的现实意义。他们发现 3D 模型不仅能更好地向医生展示了室间隔缺损的位置和大小，也显示了室间隔缺损与其周围组织（心脏瓣膜、血管）的立体结构关系。这表明了 3D 打印能够更好地明确室间隔缺损的诊断，更确切地对疾病进行评估，制定更合理、有效、精确的术前、术后的治疗方案，减少手术时间和提高手术治疗的成功率，实现先天性心脏病患者治疗的精准化。

由此可见，对心脏和大血管的解剖结构的准确认识是制定更加精准的个体化手术方案的重要前提，我们既可以快速地完成手术，也能够避免出现损伤无法预知的心脏解剖结构的意外，从而在术前制定最佳的手术方案、减少手术时间和死亡率。

5 展望和不足

3D 打印技术是一种更精确和非侵入性评估室间隔缺损的技术，通过 3D 空间的可视化解剖设备，术者更了解剖结构、提高诊断的准确性和预测潜在的复杂性。3D 打印技术在外科领域展示出了潜在的发展潜力和优势。尽管3D 打印技术展示出室间隔缺损等先天性心脏病患者的解剖学结构[17]，但是并不能完全提供患者3D 解剖学结构信息，对于我们来说，这恰恰是个挑战。3D 打印技术使心脏大血管外科医师更加准确地熟悉室间隔缺损患者的解剖学结构，充分地了解和评估患者的病情，从而制定更恰当的手术治疗方案。但是由于这是一项新的技术，所以固然也会存在不足之处：（1） 我们需要从不同的方向、不同的观点出发考虑和评估期室间隔的解剖结构，但是尽管如此，也不能够轻易地评估暴露范围。（2）这项技术显得很高端，但是目前还不能够实现诊断、治疗的最优化和满足基础诊治水平，特别对于具有那些极小的结构的患者更是这样。（3） 3D 技术应在临床的一系列材料都是一次性的，是无法循环利用的。（4） 对环境会产生很大的负面影响的同时，会产生一般人负担不起的高额费用[18]。

对于我们新一代的医学生来说，接受新技术固然重要，但是更重要的是我们能够充分地把 3D 打印技术这一项全新的技术和各学科紧密的联系在一起，更好地统一应用于临床中。这样，我们满足现在新世纪需求的同时更好的把 3D 打印技术应用于临床领域。我们有理由相信，当我们克服包括3D打印技术的可行性、巨额费用和准确性等一系列的障碍后，研究出新的领域，有朝一日 3D 打印技术能够彻底应用在临床中，拯救更多人的生命。

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2017-03-12）

（编辑：曹洪红）

150086，黑龙江省哈尔滨市，哈尔滨医科大学附属第二医院 心脏外科

覃雄海 硕士研究生 主要从事心血管疾病的外科治疗研究 Email：qxh9069@163.com 通讯作者：蒋树林 Email：sljiang36@163.com

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1000-3614（2017）11-1136-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2017. 11.026