3D打印技术在经导管主动脉瓣置换手术中应用价值分析

陈 强， 姜 益， 郝军军， 郭锋伟， 何 勇， 屈航英， 郑幸龙， 郜 扬

西安交通大学第一附属医院 心血管外科，陕西 西安 710061

心脏瓣膜病是心血管外科常见的疾病类型，现有的治疗方式主要包括外科手术和介入手术两种。针对主动脉瓣病变，2017年欧洲心脏病学会指南和2017年美国心脏协会/美国心脏病学会发布瓣膜性心脏病相关标准[1]。长期随访和大型临床试验研究表明，在中危主动脉瓣狭窄患者中，经导管主动脉瓣置换术的患者远期预后不劣于传统外科手术[2-3]。二尖瓣病变病因多见于风湿热、心肌梗死后瓣下结构病变等，手术治疗的长期效果优于药物治疗[4]。由于目前瓣膜病变患者主动脉瓣钙化严重，二尖瓣病变多样、瓣下结构复杂，术前病情评估尤其重要[5]。3D打印技术通过术前采集患者高分辨率CT及心脏超声影像，应用3D打印软件重建患者的心血管模型，可直观地展示瓣膜结构及细节特征。临床医师可以术前应用等比例大小的3D打印模型直接观察、模拟及优化手术过程，精准定位瓣膜释放部位，从而缩短手术时间，提高手术安全性[6]。本研究旨在探讨3D打印技术在经导管主动脉瓣置换术中的应用价值。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取自2019年4月至2021年4月于西安交通大学第一附属医院心血管外科行经导管主动脉瓣置换术的16例患者为研究对象。纳入标准：(1)年龄≥65岁；(2)主动脉瓣重度狭窄、主动脉瓣关闭不全的中高危患者，具有经导管瓣膜置换手术指征；(3)手术均由同一组医师完成，术后规律随访；(4)经心脏超声、计算机断层扫描血管造影(computed tomography angiography，CTA)等影像检查后制定3D打印模型。排除标准：(1)凝血功能异常，合并其他严重心血管疾病者；(2)肝、肾、肺功能异常者；(3)合并恶性肿瘤者。根据术前是否进行3D打印将患者分为A组(n=9)与B组(n=7)。A组中，男性4例，女性5例；年龄65～81岁，平均年龄(70.1±4.7)岁；欧洲心脏手术危险因素评分中危6例，高危3例；病变类型：主动脉瓣狭窄7例，主动脉瓣关闭不全2例；主动脉瓣结构特点：二叶畸形4例，瓣叶钙化8例。B组中，男性4例，女性3例；年龄65～82岁，平均年龄(70.7±4.6)岁；欧洲心脏手术危险因素评分中危5例，高危2例；病变类型：主动脉瓣狭窄6例，主动脉瓣关闭不全1例；主动脉瓣结构特点：二叶畸形5例，瓣叶钙化6例。两组患者一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。本研究经医院伦理委员会批准。所有患者均签署知情同意书。

1.2 研究方法 两组患者均行经导管主动脉瓣置换术。A组术前通过心脏超声、CTA等影像资料制定手术方案，选取匹配的瓣膜型号。B组术前通过3D打印的心脏局部模型制定手术方案，选择匹配的瓣膜型号，在术前实物模型上模拟瓣膜释放部位、角度、锚定点及释放过程。

1.3 3D打印心脏模型制作过程 采集CTA数据，将DICOM格式图像资料直接导入Materialise(比利时鲁汶)公司制作的Mimics软件进行手动、自动和半自动图像分割，使用阈值分割功能提取心血管结构，重建完成后导出STL格式文件，然后导入到Geomagic Studio软件进行模型优化处理，为3D打印做准备。最后，将优化后的STL文件导入3D打印软件进行打印，打印完成后去除支撑填充物并用溶剂进行清洗，得到所需的心脏模型。见图1。

图1 3D打印心脏模型的制作过程

1.4 观察指标 观察两组的手术情况及预后情况。手术情况包括手术时间、造影剂用量、术后ICU滞留时间及住院时间。并发症包括瓣周漏、新发心律失常/传导阻滞。

2 结果

2.1 B组患者3D打印瓣膜模型 3D打印模型可精确地呈现出主动脉根部解剖结构，清晰地显示瓣膜及瓣环结构、形态、位置、钙化部位及其毗邻结构关系。见图2。

病例号主动脉瓣类型正面观背面观上面观底面观1二叶畸形2四叶畸形3二叶畸形4二叶畸形5二叶畸形6三叶畸形7二叶畸形 ②

2.2 两组患者手术情况比较 B组手术时间短于A组，造影剂用量低于A组，两组比较，差异有统计学意义(P<0.05)。两组患者术后ICU滞留时间、住院时间比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 两组患者手术情况比较

2.3 两组患者并发症发生情况比较 A组术后发生瓣周漏6例，新发心律失常/传导阻滞3例。B组术后发生瓣周漏1例，新发心律失常/传导阻滞1例。B组并发症发生率为28.6%(2/7)，低于A组的100.0%(9/9)，两组比较，差异有统计学意义(P<0.05)。

3 讨论

经导管主动脉瓣置换术是一种相对较新且发展迅速的治疗方法。该技术需要大量临床经验的积累，且学习曲线陡峭。目前，传统的医学训练方法需要使用动物模型，但代价高昂且难以获得；使用人工心脏模型练习解剖结构设定有限，制造成本高。而3D打印技术的3D数据信息及实体模型可以在相应患者治疗结束后长期保存，在临床教学中作为训练样本，通过建立血流动力学模型，模拟重建手术操作过程。

2020年，Ali等[7]根据《3D打印指南和临床适用场景》[8]，对不同成人心脏病是否适用于3D打印进行评分，其中，经导管主动脉瓣置换术、经导管二尖瓣置换术均为9分(最适用)[9]。在适合应用的基础上，临床对3D打印技术不断优化，以期获得确切的临床获益。与常规外科手术正中开胸心内直视下完成不同，经导管心脏瓣膜置换手术需在心血管外科、影像科、麻醉科、介入科等多学科协作诊疗下进行。术前通过X线、超声心动图、CTA等影像检查得到心脏及大血管的影像数据，术中应用造影剂显影心脏结构，调整DSAX球管投照角度，判断瓣膜释放位置[10]。整个过程基于二维平面或模拟重建图像，要求医师具备丰富的手术经验及较强的空间思维能力。而借助3D打印技术，通过将瓣膜图像实物化，将平面数据及图形转换为立体模型，可直接地观察到主动脉环的形状和大小、钙化分布情况、冠状动脉开口位置等细节特征，选择合适的瓣膜型号，模拟手术操作，从多角度观察、评估手术效果，预防手术并发症及冠状动脉阻塞。因此，在经导管主动脉瓣置换手术中应用3D打印技术可以提高手术方案的安全性和有效性[11-12]。

本研究中，B组手术时间短于A组，造影剂用量低于A组，说明3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术可以避免术中转变手术方案，减少造影剂用量及透视次数，从而起到缩短手术时间、加速康复的作用。瓣周漏和传导阻滞是介入瓣术后常见的并发症，与瓣膜解剖结构、手术操作和生物瓣膜特点相关。因此，通过对3D心脏瓣膜模型进行观察，可以明确生物假体瓣膜与心脏解剖结构之间的匹配程度，改进手术方案，从而降低术后并发症和死亡的发生风险[13]。术后瓣周漏是由于生物瓣膜框架与原瓣环之间密封不充分、存在间隙，血液经瓣周出现回流[14]。有研究表明，使用3D模型的经导管瓣置换术可降低瓣周漏的发生率并改善预后[15]。本研究中，B组患者术前通过3D模型反复模拟手术操作过程，选择合适的释放与锚定位置，避免了反复试探性操作及位置判断失误，该组患者手术过程无瓣膜脱落或脑梗死发生，仅1例术后轻度瓣周漏，未特殊干预；A组6例患者术后出现不同程度的瓣周漏，其中，2例在首次释放瓣膜后移位明显、造影见大量反流，再次放置瓣膜支架后反流消失，另有1例术中瓣膜脱落、术后发生脑梗死，结合术前CT影像可见主动脉及瓣膜多发钙化，考虑该例患者因主动脉瓣环钙化严重，术中瓣膜释放后生物瓣膜框架与瓣环难以充分贴合，移位过程中引起瓣膜及主动脉钙化斑块脱落，引起脑梗死，后期循环稳定后转神经内科进一步治疗。

综上所述，3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换术效果显著，能够缩短手术时间，提高手术安全性，减少并发症。但本研究样本量少，仍需进一步研究。