3D打印指导介入技术在左心瓣膜病变的临床应用及进展

陈厚良，丁汝跃，高彦琳

3D打印技术也称为增材制造技术，采用逐层叠加成型的方式构造产品，其制造精度高，更加适用于复杂的个性化产品的制造。目前数字化精准医疗逐步成为医疗领域研究的焦点，CT、磁共振成像、三维食道超声以及材料科学的进展为3D打印技术的发展提供了更大的空间，越来越多的手术借助3D打印的医疗模型进行术前规划。医务人员根据患者术前的CT或核磁共振数据进行三维建模，然后通过3D打印机制造出所需的医疗模型，该模型可为临床医师提供准确的局部解剖信息，更好的认识到患者的病理生理特征，制定完善的手术方案，减少术中意外发生，缩短手术时间，改善手术效果［1］。

目前3D打印中计算机断层扫描是最常见的成像方式（62%），其次是超声（28%）、计算机辅助设计（7%）和磁共振成像（3%）。丙烯腈－丁二烯－苯乙烯（占比29%）和Tango Plus Full Cure 930新型类橡胶弹性材料（占比36%）是使用最多的打印材料。立体光刻（40%）和熔凝沉积建模（30%）是首选的打印技术，3D打印技术最多的应用领域是术前计划（63%），其次是培训（19%），设备测试（11%）和回顾性评估（7%）［2］。

1 3D打印技术在主动脉瓣膜病变的临床应用

左心瓣膜病变主要表现是主动脉瓣病变和二尖瓣病变，主动脉瓣疾病是一种常见的心脏瓣膜病，流行病学数据显示其发病率在65岁以上老人高达3%～7%，且随着年龄的增长，呈现出递增的趋势。经导管主动脉瓣置换术（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）是一种微创瓣膜置换手术，通过介入导管技术将支架与人工心脏生物瓣膜在体外压缩后，输送至主动脉瓣位置，从而完成人工瓣膜植入，恢复瓣膜功能。TAVR是高龄手术中高危主动脉瓣患者的首选治疗手段［3］。2019年美国心脏病学会年会发布了PartnerⅢ研究的结果表明在低危的主动脉瓣狭窄患者中进行TAVR与外科瓣膜置换手术相比，主要终点事件发生率（全因死亡、中风或1年内再住院）明显降低［4］。

TAVR手术中医生无法直视主动脉根部全貌，无法切开心脏，观察其内部细微结构，因此术前的影像学评估和术中导航至关重要。3D打印可以将患者的主动脉根部影像模型1∶1的转化为实物呈现于眼前，TAVR术前后3D打印模型，以便更好地了解主动脉根部解剖提供更多的影像学的信息，来评估植入假体与瓣膜平面和冠状动脉起源的关系，帮助选择假体的尺寸，从而将复杂的手术过程大大的简化和标准化，使手术更加的安全、准确［5－6］。

3D打印依赖于多种成像方式的结合使用，大多数模型数据来源于CT血和成像或者磁共振成像，部分应用食道三维超声心动图，超声心动图可以根据时间分辨率对快速移动的瓣膜、乳头肌等清晰成像，动态评估瓣膜解剖结构。多层螺旋CT可用来评估冠状动脉开口距离主动脉瓣环的高度、瓣膜钙化的准确位置和程度。瓣膜钙化程度和主动脉瓣根部的形态决定了植入假体大小尺寸，如仅依赖三维经食道超声心动图测量数据来指导选择植入假体，有尺寸选大的趋势；超声心动图和多层螺旋CT是互补的成像方式，应相互配合使用提高3D打印参数的可靠性［7］。

3D打印技术在TAVR手术的应用还可以预判传导阻滞的发生，TAVR术后出现这一并发症的原因可能是由于钙化斑块的移位，使得右冠瓣和无冠瓣连接处的房室传导系统持续的受压造成了永久的损伤。通过3D打印技术，将主动脉瓣狭窄伴钙化的模型打印出来，结合测量数据选择合适大小的球囊进行预扩张，并进一步选择不同支架瓣膜置换模拟。通过在高仿真的3D模型上进行模拟训练，从而可以轻易的判断出球囊扩张时瓣膜的偏移方向，进一步的观察到支架瓣膜受严重钙化影响后的方位移动，降低传导阻滞的发生概率［8］。

定制硅基聚合物油墨的3D打印技术，可以精确模拟组织的物理特性［9］。定制硅基聚合物材料体系主要包括硅酮密封胶和硅酮润滑脂，硅酮密封胶是一种乙酰氧基通过缩合反应固化的硅酮，提供柔韧性。实验设计了一个电容式压力传感器阵列，阵列中的每个传感元件由以两层聚丙烯酰胺基离子水凝胶为导电电极，中间由一层介电层组成，应用外部对传感器的压力导致介电弹性体层的变形塑形，然后通过填充通道注入离子导电水凝胶的水溶液，最后进行紫外线光聚合，3D打印主动脉根部模型，内置传感器阵列，显示瓣膜植入后的局部压力。目前该技术临床实践主要在TAVR术前规划和复杂主动脉瓣狭窄个案的决策过程，预测电位传导阻滞、测量传导干扰的接触压力阈值［10］。

二叶主动脉瓣狭窄行TAVR手术治疗具有挑战，早期指南将二叶主动脉瓣狭窄作为TAVR的相对禁忌［11］，3D打印技术用于二叶主动脉瓣狭窄行TAVR手术有很明确的优点，首先3D模型可以清晰的展示主动脉瓣根部的结构，如二叶瓣的空间分布位置和钙化的分布，主动脉窦的大小，冠脉开口等；其次3D打印模型可以为术者提供较好的投照角度，找到跨瓣的技巧和预先适应手术时的手感，最后体外模拟使用不同的器械进行手术，横向比较各瓣膜对于不同的患者的适应性，从而可以挑选出最佳的个体化的介入瓣膜［12］。李兰兰等［13］将3D打印模型用于20例主动脉瓣狭窄患者行TAVI手术评估，不仅能够准确辅助选择介入主动脉瓣类型及型号，而且能够评估支架不同位置导致的主动脉瓣形变情况。

2 3D打印技术在二尖瓣瓣膜病变的临床应用

二尖瓣疾病是最常见心脏瓣膜病。目前，专家共识推荐经导管二尖瓣成形术以及置换术主要通过经食道超声进行事先评估，评估的精确度十分有限，考虑到二尖瓣是空间立体结构，病变多样化，具有复杂的瓣下结构，在心动周期中二尖瓣是动态变化的，故而经食道超声和CT平面分析都有很大的局限性，其直观性和可控性也很差，难以在实际操作中发现潜在的风险和问题，因此临床亟待一种可提供空间立体化模型进行观察和模拟的评估方法［14－16］。3D打印技术在某种程度上可以弥补心脏超声二维平面评估的不足，通过获得患者心脏CT或经食道超声采集的文件，分别在心室舒张期、收缩期进行3D建模，进一步将瓣叶瓣环病变部分分成后，使用不同硬度的材料分别进行打印，从而获得患者特异性的左心系统模型，通过这样的模型可以更好的评估二尖瓣情况［17］。

在3D打印技术指导外科二尖瓣手术治疗的实践中可以看到：Sardari等［18］为1例二尖瓣关闭不全的患者通过3D打印并铸模的方法制造了个性化的二尖瓣模型，并进行腔镜二尖瓣修复术前模拟手术训练。Yamada等［19］通过开发一种与真实心脏触感相似的材料，并通过3D打印铸模的方法制造出高仿真的微创二尖瓣手术训练系统，避免使用猪心进行手术训练的动物实验伦理问题。

二尖瓣介入治疗技术分为两大类，一类是经导管二尖瓣成形术，另一类是经导管二尖瓣置换术。目前美国心脏协会2017年指南及美国食品药品管理局建议Mitra Clip用于原发性二尖瓣关闭不全的治疗［20－21］。EVEREST系列研究以及其他注册研究（TRAMI GRASP COAPT）同样证实了Mitra Clip用于功能性二尖瓣关闭不全的效果是良好的，随着更多的大型研究结果的揭示，将来Mitra Clip的适应证可能进一步扩展［22］。但是这一个器械也是有不足：型号比较单一，操作复杂，学习曲线长，手术时间长，患者的选择筛选非常严格，评估的难度较大；因此需要通过获取患者3D食道超声数据，进行建模加工，打印出特异性的3D二尖瓣膜型，立体的看到二尖瓣叶的病变区以及左心室左心房的结构，从而在体外分析手术方案，选择夹合的位置提供参考。Little等［23］为1例二尖瓣重度反流及后叶穿孔的患者制作3D打印心脏模型，并进行经皮二尖瓣环成形术的术前模拟训练，有利于经皮二尖瓣成形术的术前规划，选择合适的封堵器型号。

一直以来，经导管二尖瓣置换术被认为是难以攻克的难题，随着微创瓣膜置换研究的深入，器械的不断改进和术者操作技术的提高，这一难题也在逐渐被攻克。3D打印模型有助于帮助术者选定精确的穿刺点，避开冠脉以及乳头肌和腱索的解剖结构，减少手术并发症，同时也可以指导器械研发公司针对新型介入器械进行改进［24］。El等选择8例重度二尖瓣环钙化的患者进行CT扫描，并为其中6例打印了3D心脏模型，用于经导管二尖瓣置换术的术前规划及术后评估，有助于二尖瓣置换术的术前规划，选择合适的瓣膜尺寸、植入位置及评估术后瓣周漏、左室流出道梗阻等术后并发症［25］。对于置换术或成形术的选择通常由病变累及的部位、病情的严重程度及术者的经验等因素综合决定［26］。基于3D模型的术前演练有助于临床医生选择合适的手术方案，提高一次手术成功率。

3 3D打印技术在左心瓣膜病变应用的趋势以及问题

目前3D打印只能部分复制心血管组织的机械以及生理特性。心脏组织的多样性且每个组织都随年龄和生理状态变化而产生复杂的动态改变难以模拟。3D打印技术在左心瓣膜的应用趋势体现在个性化3D打印心脏瓣膜模型与流体动力学平台相结合，通过模拟每搏输出量、心率及射血时间等临床真实流体条件，提高术前模拟操作的准确性与真实性。实验证明以超声为数据源3D打印结合模拟循环系统制作体外动态二尖瓣模型是可行的，且准确性较高，体外再现了二尖瓣生理和病理状态下的血流动力学特征［17］。

目前仍未形成3D打印心血管模型完整流程的指南以及统一的评价标准，所以3D打印心脏瓣膜模型的优化过程需要多学科的支持，包括计算流体动力学、数字图像处理、人工智能等新兴学科领域的全面支持，丰富对心脏瓣膜疾病的生物力学因素的理解，开发出更优质的心脏瓣膜的3D打印模拟材料［27］。