3D打印技术在心脏外科教学中的应用

张超宇 庄康乐 张锡栋 魏 宇 孙海磊 葛建军 程光存

心胸外科教学中的难点和重点是冠心病和主动脉夹层，如何提高教学质量使学生能够尽快地熟悉和掌握这两大类疾病，是临床教学关注的问题，我们尝试性地将3D打印模型技术运用于这两种疾病的教学中。3D打印（3D Printing technology）技术即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，通过计算机处理与重建，运用金属、陶瓷、高聚物、复合材料以及生物墨水等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其作为新兴的技术已被广泛地应用于材料应用、化工设计、机械工程以及医学领域等不同领域[1]。为促进临床教学的创新以及质量的提高，现将3D的打印技术应用于心胸外科教学情况进行讨论。

1 3D打印构建原理及步骤

3D打印技术可以通过对物体进行逐层的CT扫描或者3D扫描，以获得物体的三维数据，然后经过机算机进行重建并设计模型数据，将图像分割为不同的二维的平面数据和三维重建，把二维的图像转化为三维立体的模型。采用3D打印技术打印出正常的冠状动脉和冠心病的冠状动脉模型及主动脉夹层的模型，研究其在心胸外科临床教学中的应用。

1.1 获取数据 在医学研究中MRI、CT等数据基础是比较容易获得，并贴合临床特点的。64排MSCT对于正常的冠状动脉和冠心病及主动脉夹层的诊断具有重要的诊断价值[2]。随机抽取临床为正常的冠状动脉和冠心病及主动脉夹层患者，通过64排多层螺旋CT扫描仪（Discovery CT 750 HD）对其进行心脏及胸腹主动脉扫描，扫描范围则为胸廓入口至耻骨联合，采集原始数据，并保存为DICOM格式以便下一步对数据进行处理。

1.2 重建模型 将获得的初步DICOM数据导入医学三维图像处理系统Minmics，进行进一步的数据处理重建，把0.625 mm厚度平扫断面按照不同切面进行数据堆叠，对目标区域分别进行分割，划分为正常的冠状动脉和冠心病及主动脉夹层，正常的冠状动脉及冠心病的冠状动脉，主动脉夹层的主动脉、主动脉真腔以及主动脉假腔，并通过Boolean运算来计算正常的冠状动脉及冠心病的冠状动脉及主动脉夹层，从而将患者的数据进行区域化三维重建并整合，保存重建模型为STL格式。

1.3 模型打印 将三维数据导入3D打印机，选取现在的主流材料之一ABS材料作为打印材料，采用当前常规喷嘴，并通过高温熔液以及粘合剂的堆叠进行逐层打印，最终得到与正常的冠状动脉和冠心病的冠状动脉及主动脉夹层血管实体1:1大小的三维模型。再用同样的方法获得患者术后的CTA数据，打印出术后主动脉夹层模型。

2 3D打印在教学中的应用

随着3D打印技术的不断更新与发展，快速成型技术广泛的应用于生物医学领域，并应用而生出更多的新的技术，主要包括选择性激光烧结技术（SLA）、选区激光融化技术（SLM）、熔融沉积制造（FDM）、三维喷印（3DP）和直接携带细胞的生物打印等[3]，这些技术再次推动了临床诊疗水平及相关教学水平的进一步提高。

2.1 心胸外科教学中的解剖难点 心脏作为人体循环系统中非常重要的器官，位于胸腔的中纵隔，毗邻左右肺、食管和膈肌等，有着复杂的腔室结构，连接着主动脉、肺动脉、肺静脉、腔静脉等重要的大血管，内含复杂而精细的传导系统和瓣膜结构[4]。因此有关于心脏大血管的疾病，需要医学生掌握基础而扎实的心血管解剖学、生理学、病理学以及药理学等诸多知识，这些为医学生学习心胸外科疾病增加了更多的难度。心胸外科较高要求的专业性，极强的动手能力实践，以及严谨的术式研究，使得心胸外科医学生在临床技能实践中往往遇到很大的困难。过去的教学模式大多为书本教学与临床影像学教学相结合对临床病例分析，医学生在学习的过程中面临着对解剖不够了解、影像资料较为抽象以及疾病机理不甚直观等问题。复杂的心脏解剖结构和存在一定变异度的冠状动脉血管，主动脉夹层撕裂位置及累及冠状动脉开口、主动脉瓣膜情况，夹层真腔及夹层假腔情况等，这些疑难疾病的病理生理特点往往导致医学生在临床中不能及时理解和准确判断这类疑难疾病。3D打印技术的应用改变了传统教学模式，使得教学技术不再局限于书本以及CT、MRI、超声等影像对临床的分析。

2.2 3D打印在冠心病中的教学应用 以对比正常的冠状动脉及冠心病患者的冠状动脉及主动脉夹层为例，通过对于健康人的冠状动脉和冠心病患者的冠状动脉及主动脉夹层患者术前的CTA数据的采集，进行三维的重建，打印出与正常的冠状动脉和冠心病的冠状动脉及主动脉大小为1:1的3D打印模型，并分析对比正常的冠状动脉及冠心病患者的冠状动脉模型。图1A为正常人的心脏冠状动脉模型，图1B为冠心病患者的冠状动脉病变情况，通过3D打印模型，医学生能够更加直观地观察到正常的冠脉血管和异常病变的冠脉血管情况。同时通过判断异常病变的冠脉血管部位，进一步测量冠脉血管及其周围和分支血管的狭窄和受累程度，完善术前评估，做好充足的术前准备，进行实体模型的术前演练，更加丰富医学生对于冠心病的理解以及手术知识。以对比正常的冠状动脉及冠心病患者的冠状动脉及主动脉夹层为例，通过对于健康人的冠状动脉和冠心病患者的冠状动脉及主动脉夹层患者术前的CTA数据的采集，进行三维的重建，打印出与正常的冠状动脉和冠心病的冠状动脉及主动脉大小为1:1的3D打印模型，并分析对比正常的冠状动脉及冠心病患者的冠状动脉模型。图1A为正常人的心脏冠状动脉模型，图1B为冠心病患者的冠状动脉病变情况，通过3D打印模型，医学生能够更加直观地观察到正常的冠脉血管和异常病变的冠脉血管情况。同时通过判断异常病变的冠脉血管部位，进一步测量冠脉血管及其周围和分支血管的狭窄和受累程度，完善术前评估，做好充足的术前准备，进行实体模型的术前演练，更加丰富对于冠心病的理解以及手术知识。

图1 冠心病和主动脉夹层血管3D打印图

2.3 3D打印在主动脉夹层中的教学应用 通过标注主动脉真腔、假腔以及夹层的区域，直接让医学生更加直观地观测到主动脉夹层的撕脱方式及起始部位等，对比学习Stanford A型和Stanford B型主动脉夹层相同点与不同之处。图1C为3D打印技术打印出的Stanford A型主动脉夹层的模型，图1D为3D打印技术打印出的Stanford B型主动脉夹层的模型，模型中红色部分是主动脉夹层中的真腔，绿色则是假腔，黄色则为内膜片的位置。医学生可通过对比模型中不同颜色的真假腔的相对位置、同行长度、主动脉壁的撕裂程度，拆分区域模块来确定夹层大小、夹层范围，理解不同分型的主动脉夹层中假腔起始部位、撕脱长度、累积血管等，从而快速熟悉和掌握主动脉夹层的不同分型的疾病特点。主动脉夹层的撕裂口往往位于主动脉瓣上处及左锁骨下动脉起源处的胸降主动脉[5]，夹层从破口处可以延至主动脉弓、胸主动脉或腹主动脉及其分支。譬如Stanford A型主动脉夹层病情紧急且危重，自然预后较差，因此早期手术作为Stanford A型主动脉夹层治疗的理想方法，在手术前选择合适的手术术式就显得尤为重要。对主动脉夹层进行手术术式的选择及研究，过去往往通过结合CT、MRI、床旁X线等影像学来进行临床病例分析，从而选择较为合适的术式。但传统二维的影像学资料往往不够直观与具体。通过快速成型技术打印出来的模型，可以让医学生快速找到破口位置、撕破口距离主动脉瓣的位置、夹层累积情况。术前通过快速成型技术打印的患者主动脉及大血管而成的等比模型，能够让医学生早期诊疗，进行手术术式的选择以及模拟手术进程。可以根据等比打印模型，判断心脏周围血管受累情况，直接观测其余动脉走行及其分支的血管状态、分支血管的血供状态，血管直径大小和累积主动脉弓的范围，以及胸主动脉、腹主动脉乃至更长分支的受累情况，获得客观数据等[6]。

2.4 3D打印技术对于术前准备的应用 心脏因其作为循环系统中特别重要的器官，其复杂的解剖位置，丰富的血管分布，重要的功能，成为外科手术中比较困难的部位。冠心病和主动脉夹层作为心脏外科的难点，也是心胸外科教学中的不易学习与掌握的重难点。以主动脉夹层为例，手术原则是消除假腔、置换病变血管、重建分支血管血供。对于术式具体选择应用，较新的快速成型技术结合传统的床边X光、床边B超能够提供更多平常影像学不能直接观测到的信息。手术术前在等比大小的3D打印模型上进行精确定位后的反复手术演练，可以为挑选较佳手术方式和合适切入口提供帮助。根据主动脉夹层的病变情况进行手术模拟，术前判断主动脉夹层是否累及冠状动脉情况，确定手术方式，做好术前准备。对于受累血管的管腔直接测量数据（近端破口处血管直径、总共受累血管长度、远端假腔终点处血管撕裂程度等），可以提前准备支架类型和支架型号，通过对手术术前的积极准备减少实际手术时间以及停循环时间，能够减少吻合口出血以及术后的呼吸衰竭、肾脏衰竭以及脑部等并发症的可能[7]。

3 3D打印在心脏外科教学中的优势及前景

3.1 3D打印在外科教学中的优势 心脏解剖作为心脏外科的基础，结构较为复杂，心脏生理以及心脏疾病的病理生理变化也很复杂，医学生在心胸外科学习的过程中缺乏直通学习的机会，感觉比较抽象，不能将心脏血管解剖与疾病的发生发展有机结合起来，从而对于冠心病以及主动脉夹层这两大难点的学习更加困难。3D打印技术打印而成的模型可以具现出传统影像学资料所不能体现的立体结构特点，学生可以通过正常的心脏血管模型对心脏及其周围大血管进行局部与整体的解剖学习，对比疾病下的模型，从而掌握疾病发生的解剖基础与病理生理等理论结合知识。术前通过在3D打印的模型上对病变的结构区块的识别拆分，精准地选择手术术式，通过术前进行反复的手术演练，可以为实际操作提供思路和经验，减少术后并发症。授课老师也可通过术前疾病状态的模型来教学讲授疾病特点，更加有利于学生学习理解。

3.2 3D打印技术在心脏外科教学应用的前景及限制 通过快速成型技术打印出的模型在心脏外科的教学中具有明显的优势，但同时3D打印技术也有着打印成本较高，耗时较长、打印材料受限等问题。打印出的模型不能精细到可以表现出心脏以及血管流动力学特点，不能完全复制出血液流动状态等问题。这些问题将会伴随新一代的计算机科学、高分子材料学、人工智能化等不断地发展以及机械的革新在不远的将来得到完善，3D打印技术将会在心脏外科教学乃至外科教学中更加精细而准确地应用与发展。