3D打印技术在先天性心脏病诊疗中的应用现状

常开丽 张灿 徐云燕 戴海龙

3D打印技术（3-dimensional printing technology），简称3D打印，又称为快速成型技术，指基于目标模型文件，利用可黏合材料，制造任意几何形状的实物模型。随着3D打印的日渐成熟及影像学的发展，此项技术已广泛应用于心血管疾病领域。先天性心脏病患者解剖结构畸形且复杂，诊疗困难，传统的影像学检查方法存在一定局限性，医师需通过不同成像平面上的2D图像来理解复杂的3D空间关系，应此类患者的个性化诊疗需求，3D打印在先天性心脏病中的应用正高速发展。本文将归纳3D打印在多种典型先天性心脏病中的应用进展，并介绍其在医患沟通、教育培训和科学研究中的作用，总结该技术的现状与不足，探讨其发展前景。

1 3D 打印的概述

1.1 图像采集

医学3D打印常用的影像学采集手段主要是CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和超声心动图［1］。CT是主要成像源，其图像质量高，空间分辨能力强，能清晰显示血管结构［2］，且图像分割较其他成像方式简单，因此CT是3D打印最常用的成像方式。MRI虽然空间分辨能力不及CT，但对心脏的软组织及瓣膜成像较好［3］，且没有辐射，CT及MRI多用于3D打印心房及心室的数据采集，MRI还可作为脉管系统、大血管结构的成像源［4］。3D超声心动图近年来亦成为3D打印常用采集方式之一，其拥有最强的时间分辨能力，允许选择最佳心脏周期进行数据采集，且操作简单，成本较低，无电离辐射，但较CT与MRI视野狭窄［1］。对于解剖结构复杂、模型质量要求高的心脏3D打印，可结合多种成像方式，补充打印细节，为复杂的先天性心脏病提供更全面、准确的数据。数据采集完毕后转换为数字成像和医学通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式储存。

1.2 图像分割

将DICOM图像导入专门的图像处理软件进行分割处理，这是3D打印与真实心脏模型产生差异的一大原因。图像分割指对感兴趣的区域进行划分描绘，包括自动分割、手动分割及半自动分割。已经开发了专门的建模软件用于自动分割，通常是基于简单的阈值强度对比或区域增长，在此基础上进行手动分割，对强度相似的复杂结构予以矫正。处理完毕后的数据导出为标准镶嵌语言格式，经过计算机辅助设计软件进一步完善及优化后，发送至3D打印机进行模型打印。

1.3 模型打印

心血管3D打印方法主要包括熔融沉积建模、选择性激光烧结、立体光刻和材料喷射，打印材料主要是塑料、金属等。实践中根据模型所需要的柔软度、复杂性、应用目的选择不同的打印技术和材料。

心血管3D打印模型有心肌模型和血池模型。心肌模型即空心模型，对心脏解剖结构还原较好，使用柔软材料打印时，允许外科医师进行器械植入、缝合等外科操作，是手术模拟的理想选择。血池模型在展示脉管系统及周围结构方面有着出色的表现，但缺点是对心脏内解剖学的视图有限。有学者对两种模型的适用性进行比较，认为在房间隔缺损（atrial septal defect，ASD）、室间隔缺损（ventricular septal defect，VSD）及右心室双出口（double outlet of right ventricle，DORV）中，心肌模型是更适用的，而在动脉导管未闭、法洛四联症（tetralogy of Fallot，TOF）、大动脉转位（transposition of the great arteries，TGA）、冠状动脉瘘等先天性心脏病中，血池模型则更合适［5］。

2 3D 打印在先天性心脏病中的临床应用

先天性心脏病解剖复杂、结构特异、诊疗较为困难。对先天性心脏病患者精准的诊断和治疗依赖于对患者结构信息的精确把握，但仅依赖2D成像容易忽视重要的病变解剖结构。3D打印能将影像学与解剖学立体化联系起来，改善医师的视觉空间灵活性，并提供触觉反馈，增强诊断和治疗前对患者特异性解剖结构的把握［5］。可应用于先天性心脏病的个体化精准治疗与护理，且有多项研究表明3D打印心脏模型具有出色的可靠性［5-6］。

2.1 ASD

ASD是常见的先天性心脏病之一，占所有先天性心脏病的8%～13%［7］。随着介入器械的发展，ASD首选介入封堵治疗［8］。介入封堵术成功的关键是封堵器的精准释放，通过直视3D打印模型，全面了解缺损口细节，有助于介入封堵术的术前评估及治疗规划，以确保封堵器释放后不会影响二尖瓣的功能，防止不必要的试封堵。下腔静脉型ASD被认为是介入封堵的禁忌证［9］。因下腔型ASD临近下腔静脉开口处，下缘由下腔静脉的入口和左心房的下壁组成，残留下缘较少，无足够的缺损边缘使常规的ASD封堵器固定在房间隔上［10］。对于这类下缘缺失的ASD，医师可利用3D打印模型确定ASD位置及周围边缘细节，评估是否足够用于封堵器固定，并指导选择合适的封堵器，指导部署个性化介入诊疗方案［11-12］。3D打印为下腔型ASD提供了新的治疗策略，使下腔型ASD属于介入禁忌证这一准则有了更多的商榷空间，但仍需要大量的长期随访研究验证。多孔型ASD的治疗仍旧存在较大争议，因为缺损的大小、数量及具体位置关系差异较大，介入封堵术难以实施，易并发多个残余分流、残余分流较大（＞5 mm）、封堵器压迫二尖瓣等情况。过去只在缺损距离＜7 mm的多孔型ASD中尝试单个封堵器介入封堵［13］。准确的解剖评估是多孔型ASD成功介入封堵的基础，3D打印模型能还原患者心脏结构、缺损口之间的距离，帮助完善更细致的介入计划及封堵器选择。Li等［14］对缺损距离＞7 mm的62例多发性ASD患者进行研究，发现通过3D打印模型演练后估计的封堵器大小与术中实际采用的封堵器大小相似，但均大于医师基于传统经验估计的尺寸，可见3D打印为多孔型ASD的可靠治疗提供重要的指导意义。

2.2 VSD

VSD是最常见的先天性心脏病，占所有先天性心脏病的40%［15］。以膜周部缺损较为多见［16］，此类型VSD的修补术也较为成熟。肌部型与漏斗型较为少见，治疗也较为困难［17］。在多数情况下，VSD的主要治疗方法仍然是手术闭合［18］，对VSD缺损部位、形状、大小及周围组织形态的确定是手术方案制定的关键。但已有学者描述了术后三尖瓣功能的损伤［19］，如果在术前制定治疗方案时，掌握更多的缺损及与缺损相关的三尖瓣附件大小和延伸的相关信息，则可能降低并发症发生率。Mendez等［20］通过3D打印制作了1例诊断为多处顶端VSD、膜周VSD导致心力衰竭的3月龄女童的心脏模型。此前通过常规影像学方式，显示至少有4个缺损口，但精准的VSD总数、开口、位置等未完全可知，导致无法确定最佳手术干预方式。医师团队通过3D打印模型识别出总共有5个缺损口，并显示了各自具体的起源和出口，最终选择在模型上演练发现右心房路径是可行的，并在患者身上成功复制了该手术。可见在复杂性、多发性VSD患者中，3D打印具备独特的优势，可以帮助选择最佳手术路径，优化手术方案。虽然传统的开胸行VSD修补术适应证广泛，但其创伤大，恢复时间长。随着近年来介入的发展，借助3D打印，结合微创修补与介入封堵，成为了一种有潜力的新治疗方式，引起了学界的探索兴趣。Longinotti等［21］收治了1例多发性心尖复杂肌型VSD患儿。该患儿同时患有巨大的ASD，这些病变导致了肺动脉高压。单一的经导管或者传统手术皆难以对其进行满意的治疗，该团队在患儿8个月大时给予其姑息性的肺动脉环扎术。2年后在3D打印帮助下，选择Amplatzer封堵器封堵VSD、开胸行ASD补片修补术并解除肺动脉环扎术。可见3D打印为复杂的VSD与ASD患者的治疗带来了更多的可选择空间，它可以结合外科与介入的治疗方式，选择个性化的、更为全面的治疗方案，同时还能减少单一治疗策略的局限性。

2.3 TOF

TOF是最常见的右向左分流的发绀型复杂先天性心脏病，合并了肺动脉狭窄、VSD、主动脉骑跨、右心室肥厚四种心血管畸形［22］，治疗手段主要为手术治疗［23］。有学者认为TOF根治修复术后会出现肺动脉反流，导致发生右心功能不全［24］，而一些姑息性手术则可能导致残余右心室流出道狭窄，将来需要重新手术干预［25］。3D打印模型有利于明确患者肺血管解剖结构［26］、流出道梗阻情况，帮助制定手术策略及手术路径，并重建右心室流出道。通过模型进行术前模拟，还能辅助设计所需补片，提高外科医师的手术熟练度，缩短手术时间［27］。目前已有将3D打印用于TOF的病例报告［28］，1例22q11微缺失的男婴在22周胎龄时即被诊断为TOF和肺动脉缺如。通过3D重建后，打印出3D模型，观察主动脉、主-肺动脉侧支、肺静脉及气道之间的空间关系，通过在模型上进行术前规划及模拟，成功在该患儿长到2月龄后给予其手术治疗。3D打印呈现TOF患者复杂的解剖结构，除了指导医师进行术前规划外，模型还有利于减少与手术相关的辐射时间和对比剂用量［29］，减少心肺转流术时间，从而改善手术结果，减少并发症发生。

2.4 DORV

DORV是3D打印最常见的适应证［30］。DORV两条大动脉（肺动脉、主动脉）大部分与右心室相连，位置关系差异大，多合并VSD，这类VSD通常单一且较大［31］，解剖结构复杂，手术难度大且风险极高。需要全面、详细的诊断，以指导个性化的手术治疗。在DORV合并VSD患者中，3D模型的评分优于常规成像［32］，通过3D打印DORV患者心脏模型，可以直观地显示出主动脉、肺动脉的位置关系及VSD大小、形状，提供精确、立体的空间结构及位置关系，且模型与真实心脏具有高度一致性［6，33］。将3D打印应用于DORV可提高诊断的准确性，指导手术操作，并简化贴片修剪过程［34］，通过模型进行预手术可以指导设计最佳挡板及其放置，还可以预测术后剩余右心室的体积并评估剩余的心室腔大小，这是非常重要的，因为DORV的双心室修复术后需要足够的双心室容量。Anwar等［35］利用3D打印，成功对1例右位心、DORV伴左侧大动脉错位的患者进行了心室修复。Shearn等［36］报道了3D打印在复杂DORV手术计划及患者管理中的应用。通过对3D打印模型进行观察测量，补充VSD的准确信息以及冠状动脉位置等的成像数据，成功给予1例并发2处VSD的DORV患者手术治疗，再一次验证了3D打印在DORV精准化、个性化诊疗中的应用价值。

2.5 TGA

TGA在先天性心脏病中发生率较低，将3D打印应用于此病的报道并不多见。TGA即心室和大动脉发生异常连接，肺动脉起源于左心室，而主动脉起源于右心室，主要包括两种类型，大动脉完全转位或右转位（dextrotransposition of the great arteries，D-TGA），以及先天性校正型转位（congenitally corrected transposition of the great arteries，CCTGA），又称L-TGA。在D-TGA中，心室和心房之间的连接是一致的；在 L-TGA中，左心房连接到右心室，右心房连接到左心室［37］。未经治疗的D-TGA第一年死亡率为90%［38］，L-TGA则存在进行性功能恶化，可能在生命晚期出现，甚至在成年期，其病程及临床结果多取决于患者右心室适应不良、三尖瓣反流和电生理紊乱的程度［39］。TGA手术治疗修复已经从生理性纠正手术（包括左心室与肺动脉间的管道连接解除左心室流出道狭窄、经二尖瓣修补VSD、三尖瓣的修复及置换术等，由于该术式并未解决房室连接及心室大动脉连接不一致的问题，故被称为生理性纠正手术）演变为更具有解剖学校正意义的心房调转术和大动脉调转术［38］。TGA手术难度大、风险高，且术后易发生并发症，如肺动脉狭窄和三尖瓣疾病［40］。而任何手术干预都应考虑到患者个体的解剖结构，这要求手术团队高度掌握患者心脏异常解剖结构，完善手术细节。3D打印有助于理解心脏和大血管的解剖结构，指导制定最佳的术前决策。在1例TGA合并主动脉干下型VSD和肺动脉严重狭窄的患儿身上，Valverde等［41］认为更应该实施Nikaidoh术而不是Rastelli术。Nikaidoh术可能会更好地改善该患儿的血流动力学情况，左心室流出道梗阻的发生率也更低，因此打印了3D模型，通过精细测量及讨论，证实了进行Nikaidoh术修复的可行性，最终患儿成功接受了Nikaidoh术，术后6个月随访无左心室流出道梗阻，收缩功能良好。Sahayaraj等［42］的病例报告也证明了3D打印在指导制定TGA患者手术方式及优化手术细节方面大有用处。使用柔软材料打印TGA模型，还允许经验缺乏者真实准确地模拟修复操作。没有复杂的双心室修复经验的年轻外科医师，利用立体光刻及真空铸造技术打印出5例TGA患者的体外心脏模型，经过解剖学习及手术演练，最终成功对5例TGA患者实施了双开关手术治疗［43］。

3 3D打印在沟通与教研中的应用

先天性心脏病解剖结构复杂，导致医师与患者及其家属之间的沟通效率较低。3D打印模型有助于患方理解治疗方案和风险，提高沟通效率，加强知情同意以及有效参与决策的过程［44］。3D打印还能加强多学科团队之间的沟通与合作，以便多学科专家更加准确地掌握患者情况，综合制定更加适合患者的治疗计划［45］。在重症监护病房多学科查房中，3D打印模型也有助于解释患者目前复杂的治疗方案［46］。

3D打印在医学教育中也展现了巨大的应用前景。先天性心脏病解剖及病理机制复杂，通过二维图片和文字描述难以给缺乏经验的学习者带来直观的、立体的理解，3D打印能有效克服2D影像学显示的平面限制，帮助直观的观察病变结构，将其引入医学院校本科教育，能有效改善教育成果。一些前瞻性研究发现，借用3D打印模型进行学习的学生，对先天性心脏病的解剖及病例结构有着更深的理解［47］，且医学知识较为枯燥冗长，3D打印模型有利于提高学生学习的积极性［48］。相信未来随着3D打印成本的下降，3D打印将被大量引入医学院校，用于教育的开展。

3D打印模型大大有利于心血管疾病从业人员的培训。先天性心脏病患者术后并发症及死亡率受手术医师团队技术熟练度的影响［49］，但心血管介入和外科手术多在真实患者身上进行操作，而某些先天性心脏病较为少见，且解剖结构变异大，这限制了年轻医师学习面的拓展及手术经验的积累，且其技巧难以得到提高。3D模型将这种基于机会性的成长模式转为基于学习需求的培训模式，给心血管医师提供更多机会［41］，且经过3D打印模型培训后，操作者手术操作的熟练度与精确性均得到明显改善［50］。除此之外，由于3D打印可以准确展示患者心脏解剖结构（这也是3D打印一开始应用于医学的目的），针对于特定的先天性心脏病患者的具体模型已经被用于住院医师和护士的重症培训［51］。

3D打印在心血管医学科研方面的贡献主要是开发或优化治疗器械、技术及建模以帮助器械测试。其应用于先天性心脏病领域的未来发展方向可能包括修复器械、导管或封堵器的定制制造。传统封堵器存在腐蚀及移位等不良反应，生物相容性较高的可降解封堵器［52］作为下一代封堵器正在进行大量研究，且在动物模型中的临床前研究显示了良好的内皮化过程、可降解性和长期生物相容性［53-54］。3D打印定制患者个性化封堵器已有研究［55］，将3D打印与人工智能（artificial intelligence，AI）、计算机建模结合起来，能够制造具备患者特定血流动力学环境的3D打印模型，以模拟经皮心脏瓣膜器械和输送系统的理想测试环境［4］。未来结合3D打印、智能材料、AI及计算机建模等技术，有望定制打印患者个性化的、可完全降解的封堵器。

4 总结

3D打印在先天性心脏病的应用仍处于发展阶段，仍存在一定的不足。（1）3D打印成本高（时间、费用、人力成本），且缺乏强有力的证据证明其实际应用中的有效性、可用性及患者实际收益程度，这是制约3D打印在心血管领域大规模应用的一大因素［56］。（2）3D打印涉及多个学科，但目前缺乏具备交叉学科知识背景的人员，比如影像学医师采集的图像不一定全部适用于3D打印，图像处理师及建模师不一定能理解医学解剖需求，诸多因素导致3D打印模型容易出现细节方面还原错误。（3）静态的模型难以反映动态的心脏特征，目前的3D打印模型只能在一定程度上还原心脏的机械特性［57］，但对于病理生理关系密切的特性如稳定性、抗拉强度、弹性、柔韧性则差异较大，因为目前缺乏能够更好地模拟人体组织的材料。（4）目前3D打印在先天性心脏病中应用绝大多数是个案报道，缺少系统性的临床研究，特别是对照研究，今后应该与常规方法进行深入对比，证实3D打印的应用效果。

3D打印过程复杂，要将其大规模应用于临床，需要降低成本，提高准确性、效率和实用性，包括提高影像学成像的分辨率、优化图像处理软件及打印技术、培养交叉学科专业人员，更远期的目标主要是研发与人体器官组织结构性能相似的智能材料，这将缩小模型与真实组织之间的差距，发展可定制的个性化的修复装置、导管或者封堵器。未来甚至有望打印具备生理功能的可植入心脏补片、瓣膜假体，重建血管通道等，这一领域不在本文讨论范围内，但目前大量研究的3D生物打印与分子打印正是致力于此。此外，关于3D打印的具体益处，比如患者的获益程度、对医患沟通实际的改善程度以及在教育和培训中发挥的作用等，需要大量的随机临床试验和前瞻性研究提供客观可靠的数据支持。3D打印被称为第三次工业革命，未来国家需制定针对此项技术的法律规定，明确医师、成像师、建模师、患者等需要承担的责任，伦理审查会完善就此项技术施行的伦理审查标准，医疗从业人员及研究机构开展大量研究及交流讨论，制定此项技术的统一适用指南，共同为此项技术在医疗行业的应用保驾护航。

总之，3D 打印为先天性心脏病患者的治疗开辟了新的视野，在个体化医疗、器械开发、教育培训等方面亦具备广阔的应用前景。随着3D打印及医学影像学的发展，更清晰的影像、更多元化的材料，将会大大促进医学3D打印的发展，使其成为医学界革命性的技术。

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