3D打印技术在先天性心脏病个性化诊治中的应用

董柱 刘莹 曹一秋 王晓武

1南方医科大学（广州 510515）；2广州中医药大学（广州 510000）；3广州军区广州总医院心脏外科中心（广州 510010）

3D打印技术是一种通过3D计算机图像源文件中制作出物理模型的技术，它也被称为立体成像或加法制造。3D打印技术在医学的第一个应用为口腔颌面外科手术和整形外科［1］。近年来，随着3D打印技术在医药领域的应用迅速增加，许多医院都在购买内部3D打印机，3D打印技术在骨科［2］、神经外科［3-4］、胸外科［5］等领域的探索也正在进行，这项技术也被用于制造生物材料［6-7］，用于修复心脏缺陷，指导个性化治疗。也有研究［8-9］在探索运用3D打印技术进行器官组织的生物打印，打印出具有生物活性的器官组织。在心脏外科方面，由于心脏图像显示在2D屏幕上，我们很难理解复杂的心脏三维结构，尤其体现在复杂先天性心脏病诊治中，3D打印心脏模型可以直观地观测心脏结构，用于协助手术规划、决策和术中定位，提供个性化治疗策略，同时其也可应用于教学和临床培训等。

1 3D打印心脏模型的获得及应用

获得3D打印心脏模型的过程包括以下步骤：（1）获取3D打印医学模型的数据来源：可以通过计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic reso⁃nance imaging，MRI）和超声波（B超）等仪器扫描获得图像数据并以医学数字成像和通信（digital imaging and commu⁃nications in medicine，DICOM）格式存储。（2）分割图像：数据图像通过分割和网格生成工具处理，并转换为可以被三维打印机识别的标准STL格式的文件。（3）3D打印：把经后处理的STL格式文件输入到3D打印机内进行3D打印，最终获得3D打印心脏模型。

目前有3种3D打印机常用于医学打印，它们分别是：熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）、光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）和基于喷射的成型技术（jetting technoloy，PolyJet）的3D打印机，各种打印机各有优劣，应根据研究条件适宜选择。获得3D打印模型后，模型可以用于教学、临床培训、手术设计和模拟，手术后，患者的模型数据可以用于建立3D心脏数据库，有利于提高教学水平及手术技巧。3D打印心脏模型的获得及应用见图1。

图1 3D打印心脏模型的获得与应用Fig.1 Acquisition and application of 3D print heart model

2 心脏模型的数据来源及各自优势

标准成像方式有超声心动图、CT、MRI等，可以对先天性心脏缺陷进行准确评估。然而，这些标准方法在复杂的先天性心脏缺陷的三维心血管解剖结构的精确成像上可能还不够。基于CT或MRI数据的3D打印心脏模型是比较准确和直观的评估方法，而最近研究表明［10-11］3D心脏超声数据也可以用于3D打印。在这些数据源中，CT是诊断复杂先天性心脏病的一种精确的方法，其超空间分辨率可以清晰地显示冠状动脉和肺血管等细小结构。与其他成像方法相比，CT可以更好地显示原生血管的狭窄和管道通畅与否［12］。相比之下，心脏MRI磁共振图像空间分辨率及层厚的选择不及CT，但磁共振有较高的软组织分辨率［13］。而三维超声心动图在对瓣膜运动及缺陷的详细可视化方面优于其他成像方式［14-15］，其在经济、可操作性、便捷性等优于CT及MRI，但心脏CT和MRI可以提供更好的血液池与心肌的对比［16］。

3 3D打印技术在先天性心脏病诊疗中的应用

3.1 3D打印技术应用于简单先天性心脏病近年来，我国先心病介入治疗发展迅速，个性化及精准化治疗深入人心，患者越来越愿意接受这种创伤小、恢复快的治疗方法。据研究表明［17］现今大部分动脉导管未闭可行介入治疗，但在多发、形状不规则和边缘欠佳的房间隔缺损和多孔的室间隔缺损，选择适合的封堵器常存在困难，术中常有更换封堵器的情况，造成医疗资源的浪费。近年来国内阜外心血管病医院郑宏团队［18］在3D打印技术辅助下经皮房间隔缺损封堵方面取得了成功，在多发孔型房间隔缺损和以往被视为禁忌证的下腔型房间隔缺损封堵方面也取得了突破性进展，术前通过3D打印的实物模型上模拟手术，应用动脉导管未闭封堵器实现下腔型房间隔缺损经皮封堵术。SO等［19］报道了1例56岁的已行经皮房间隔封堵术的女性患者封堵器局部咬合不牢，经食道超声显示出现左向右分流量较大，需再次手术，采用3D打印技术对患者心脏进行打印，模拟并指导介入手术的进行，手术成功。3D打印技术应用于简单先天性心脏病的介入治疗具有其独特的优越性，不仅可以指导经皮的先天性心脏病介入手术，我们也可以尝试用于经胸的先天性心脏病介入手术，通过重建心脏及胸廓模型，我们可以于术前准确的选择手术入路，制定导丝进入的角度及封堵器的类型及大小，减少更换封堵器的情况，使手术更加顺利的进行。

3.2 3D打印技术应用于复杂先天性心脏病

3.2.1 3D打印技术应用于复杂先天性心脏病心内畸形GAREKAR等［20］报道了从2015年4-9月，对5例右室双出口（double outlet right ventricle，DORV）合并VSD室间隔缺损（ventricular septal defect，VSD）患者行心脏CT或MRI并对患者心脏进行3D打印获得3D打印心脏模型，用于指导心脏手术策略的制定及手术规划。ANWAR等［21］同样报道了3D打印技术应用于DORV患者中，用于精确地理解复杂的解剖结构、规划外科手术、教导学员和更好地与患者沟通。在VALVERDE等［22］报道的多中心研究中，也有大量的DORV患者使用3D打印心脏模型指导手术的进行，提高手术的成功率。研究表明在DORV（主动脉瓣下室间隔缺损）的这种更简单的情况下，左心室可以通过VSD手术“挡板”到主动脉，但在更复杂的情况下，VSD与主动脉之间的关系不太清楚，3D打印心脏模型能更为直观地向我们展示DORV患者心内结构的毗邻关系，指导个性化治疗。RYAN 等［23］对法洛四联症（tetralogy offallot，TOF）合并肺动脉闭锁的患者进行3D打印，用于探讨3D打印技术识别MAPCAs位置的新方法，并得出有利于手术的顺利进行并减少术中出血的结论。最近OLEJNIK等［24］又报道了3D打印技术应用于TOF，探索3D打印心脏模型在描述发育不良的右心室流出道及其他毗邻空间结构的优势。TOF患儿的预后主要取决于肺动脉狭窄程度及侧支循环情况。而3D打印心脏模型在显示右室流出道和侧支循环中有其独特的优势，更好的心脏结构显露可以让临床医生更好地制定治疗计划，改善预后。

3.2.2 3D打印技术应用于复杂先天性心脏病血管畸形及异常主动脉弓中断（interrupted aortic arch，IAA）是一种罕见先天性血管畸形疾病。这种疾病常伴室间隔缺损并出口隔后不良。VODISKAR等［25］研究了1例新生儿患B型IAA、VSD合并出口隔后不良患者，研究人员对患者心脏进行3D打印，用于研究3D心脏模型辅助医生理解复杂结构，指导手术入路。3D打印技术也有用于完全型大动脉转位（transposition of the great arteries，TGA）诊疗的研究，TGA是主动脉与肺动脉在解剖上互换位置，形成体循环与肺循环异常的一种先天性血管畸形。VALVERDE等［26］报道了1例1.5岁的TGA伴VSD，肺动脉狭窄的男孩病例，在患者出生1个月时，患者行B-T分流手术，手术后患者仍有嘴唇紫绀，氧饱和度是80%，研究者对患者心脏进行3D打印，并根据3D心脏模型对其进行手术设计及模拟手术，随后患者接受了Nikaidoh手术，手术非常成功，患儿康复良好。在主动脉缩窄和共同动脉干等血管畸形中也有相关研究，HADEED等［27］研究3D打印技术应用于4例复杂先天性心脏病患者，其中包含主动脉缩窄伴VSD，共同动脉干患者，用于手术模拟及术式选择，以更好地进行血管畸形的矫正。

3.2.3 3D打印技术应用于复杂先天性心脏病介入治疗VELASCO FORTE等［28］对3例静脉窦型房间隔缺损伴部分异常肺静脉引流患者的心脏进行3D打印，更准确地评估静脉窦型房间隔缺损和部分异常肺静脉引流的解剖结构，从而开发出一种安全的、临床上有效的介入式插管治疗方式。RATNAYAKA等［29］在单心室伴严重肺动脉狭窄患者的介入治疗中使用了3D打印技术，3D打印心脏模型用于辅助单心室的介入治疗，使得在当前治疗单心室开放心脏手术之外提供了一种新的手术方式。笔者认为使用3D打印心脏模型指导先天性心脏病的介入治疗，帮助改进介入治疗的方式和在现有治疗方式上提供一种新的治疗手段，这将是3D打印在先天性心脏病诊治中应用的趋势。

4 3D打印心脏模型的优势及不足

4.1 3D打印心脏模型的优势3D打印心脏模型对患者心脏的评估相比于传统成像方式具有许多优势，首先，3D打印心脏模型可以很好地减少手术时间和并发症发生率。这已在分流病灶、经导管主动脉和肺动脉瓣植入术和主动脉缩窄的支架等［14-15，30］临床术前决策上进行了论证。其次3D打印心脏模型可以帮助心脏外科医生形成良好的心脏和大血管空间思维模式，并通过对少见病、罕见病模型的观摩，理解其机制和产生的血流动力学等病理结果，丰富其专业知识，提高其分析能力和诊治能力［31］；另外有研究［32-33］使用心脏模型3D打印技术融入到基于模拟的先天心脏中疾病和重症监护培训课程，用于培训年轻住院医生和护士，所以3D打印的心血管异常模型可以作为宝贵的教学和培训工具。最后，心脏外科医生可以根据3D打印心脏模型进行准确的术前手术设计及模拟［34］，并准确地测量分流或通道的长短及判断其是否狭窄，这是对术中解剖学的精确描述，以确定把补片放于最符合血流动力学的位置。

4.2 3D打印技术的不足3D打印技术尽管理论上在医学上的应用是无止境的，但在它的潜力得到充分利用之前，还需要跨越一些障碍。3D打印模型的主要局限性在于它是动态器官的静态表示，同时数据集与增益设置、轮廓检测和交互间变化的差异，也可能导致在实体模型中出现微小的偏差。另外3D打印技术应用还需考虑其成本效益，首先是时间成本，打印一颗心脏的时间为15 h，包括分割和快速成型的2～3 h，打印和后处理10 h。其次是物质成本，根据CHD的大小、材料和复杂性，简单模型或复杂模型的成本可能从500美元到3 500美元不等。最后，制作3D打印心脏模型需要的是整个团队的合作，包括心脏外科医生、影像科医生、3D打印工程师等，需要极大的人力成本［35］。

5 3D打印技术在心脏外科应用的未来展望

3D打印心脏模型是直观、准确，能够实现与实物间1∶1的复制的一种技术，可以为术者全方位展示病变部位及其与周边组织的关系，指导选择手术方式及手术的路径设计，并且随着打印材料及技术的研发，未来有望打印出具有一定柔软性且可切割的甚至是具有生物活性的心脏模型。在本综述中，我们讨论了目前3D打印技术在先天性心脏病中的应用，并介绍了应用3D打印技术在先天性心脏病应用中的优势和不足。现阶段，3D打印技术的应用大多局限于诊断与指导治疗，而应用3D打印技术指导选择或制造封堵器和瓣膜个性化治疗方面研究较少。我们相信在3D打印技术飞速发展的今天，3D打印技术在心脏外科的应用前景会更加广阔与普及，这需要更多的研究及科学数据。