3D打印技術(shù)在先天性室間隔缺損治療中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

覃雄海綜述，康凱、蔣樹林審校

綜述

3D打印技術(shù)在先天性室間隔缺損治療中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

覃雄海綜述，康凱、蔣樹林審校

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，3D 打印技術(shù)不僅能夠提供重要的解剖學(xué)信息，而且可以構(gòu)建出 3D 的心臟模型，逐漸被應(yīng)用在先天性心臟病的的診斷和手術(shù)治療。3D 打印技術(shù)克服了2D 技術(shù)不能切換角度的缺點(diǎn)，能夠更直觀地顯露出室間隔缺損的具體解剖結(jié)構(gòu)，便于采用個(gè)體化治療措施，根據(jù)患者異常解剖學(xué)制定最佳的治療方案。本文就3D 打印技術(shù)在室間隔缺損應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望與不足做一綜述。

綜述；室間隔缺損；3D 打印技術(shù)；心臟外科手術(shù)

室間隔缺損（VSD） 是先天性心臟?。ㄏ刃牟。┳畛Ｒ姷幕沃唬妓邢刃牟〉?20%[1-3]。3D 打印技術(shù)是一種通過數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)再現(xiàn)人體解剖結(jié)構(gòu)的技術(shù)，已存在三十多年，近幾年逐漸被大眾廣泛認(rèn)識(shí)和接受，利用 3D 打印技術(shù)根據(jù)疾病的病理生理學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒別診斷，對(duì)復(fù)雜解剖學(xué)結(jié)構(gòu)有更深入的理解，依據(jù)個(gè)體化原則，制定更加謹(jǐn)慎且精確的術(shù)前方案，確定更加準(zhǔn)確的手術(shù)步驟，減少潛在并發(fā)癥的發(fā)生率，通過減少手術(shù)的時(shí)間，進(jìn)而降低手術(shù)等治療的費(fèi)用。本文就 3D 打印技術(shù)在室間隔缺損治療中應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望與不足做一綜述。

1 3D打印技術(shù)的概念

3D 打印技術(shù)，是一門借助多學(xué)科交叉而發(fā)展的技術(shù)，是指在計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)（CT）或磁共振成像（MRI）掃描收集獲得的數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用粉末狀、液態(tài)塑料或金屬等各種可粘合材料，根據(jù)目標(biāo)的形狀，通過串聯(lián)、逐層精確定位打印的方式來構(gòu)造與活體生物器官相近的復(fù)合固體物理模型的技術(shù)[4,5]。

3D 打印技術(shù)起始于20 世紀(jì) 80 年代，使用噴墨打印技術(shù)來完成對(duì)粉狀材料的加工。粉狀材料大部分包括聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、金屬和陶瓷等，造就了 3D打印技術(shù)的多功能作用和簡(jiǎn)便性的特點(diǎn)。在制作期間，打印機(jī)針頭把打印液體的粘合劑打印成在粉末狀材料的薄層，通過電腦系統(tǒng)完成目標(biāo)物質(zhì)的初步制作，再通過在之前制作材料的頂端上堆積和打印材料層，完成重新組建靶向目標(biāo)的完整結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單地說就是，3D 打印技術(shù)是一種通過三維可視化來完成模型的快速堆積成型的技術(shù)，通過三維可視化掃描,結(jié)合計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出三維數(shù)字化模型，對(duì)三維數(shù)字化模型進(jìn)行分層和數(shù)控編程，把完成后的文件輸入打印機(jī)[6]。第一臺(tái)商業(yè)用3D 打印機(jī)是 Charles W.Hull 在 1986 年開發(fā)成功的。此后逐漸被應(yīng)用在構(gòu)建生物學(xué)材料。3D 技術(shù)能夠很大程度地降低制造復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的的難度，具有可重復(fù)性、精確性和分辨率高等的優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸應(yīng)用于包括醫(yī)療在內(nèi)的很多領(lǐng)域當(dāng)中。

3D 打印技術(shù)是一項(xiàng)具有良好醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景及臨床價(jià)值的技術(shù)。在臨床應(yīng)用中，3D 打印技術(shù)能夠向醫(yī)生顯露出靶向組織器官的精確解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，使臨床醫(yī)生更精確地對(duì)患者疾病進(jìn)行診斷和討論，對(duì)疾病情況了解更透徹，從而能夠根據(jù)患者的個(gè)性化特點(diǎn)制作出最合適的手術(shù)治療措施，同時(shí)能豐富手術(shù)方式和完成器官替代等，這樣提高手術(shù)的精確度的同時(shí)，提高患者術(shù)后存活的成功率，提高術(shù)后生活質(zhì)量。

2 3D 打印技術(shù)原始三維數(shù)據(jù)的采集

為了對(duì)功能組織或器官的復(fù)雜、異質(zhì)的組成部分有個(gè)充分的了解，從而再生其結(jié)構(gòu)，我們需要借助醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)來獲取在細(xì)胞、組織、器官和機(jī)體水平的信息和3D 結(jié)構(gòu)，從而能夠輔助重建患者特異性的機(jī)體結(jié)構(gòu)[5]。其中包括非侵入性的物理方法和侵入性的檢查方法。我們通常可以通過3D掃描儀、CT、MRI 和超聲圖像獲取到目標(biāo)物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，經(jīng)專用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)處理后以 STL 文件格式傳輸?shù)?3D打印機(jī)中。

3 3D 打印技術(shù)的技術(shù)方法和原理

目前，3D 打印技術(shù)常用的主要技術(shù)包括 5 種主要類型：選擇性激光燒結(jié)術(shù)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、光固化立體印刷（SLA）、三 維 噴 ?。?DP）和直接攜帶細(xì)胞的生物打印[7-10]。隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D打印技術(shù)能夠精確地打印靶向器官解剖3D 模型，已開始應(yīng)用在眾多臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，包括口腔科、骨科、普外科、器官移植[11]、心血管病[12]和神經(jīng)外科等，并且展示出了較好的臨床應(yīng)用價(jià)值。Kim等[13]對(duì) 3D 和 2D 打印技術(shù)在先天性心臟病患者心臟內(nèi)空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的應(yīng)用進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)3D 打印技術(shù)具有更高的精準(zhǔn)度，能更準(zhǔn)確地可視化展示先天性室間隔缺損的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。但是有研究表明很多因素不同程度地影響心臟模型構(gòu)建的精確度，這些因素包括 CT 在掃描過程中因?yàn)榻饘佼愇锏仍斐奢^差的成像質(zhì)量、3D 打印機(jī)類型和打印材料等[10]。

3D 打印技術(shù)的原理：通過傳輸輔助檢查獲取的3D 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)建模軟件建立出目標(biāo)模型，然后將目標(biāo)模型沿著某一個(gè)具體方向，根據(jù)不同的異質(zhì)性結(jié)構(gòu)要求，按一定厚度分層進(jìn)行切片，然后使用專門的軟件對(duì)切片后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行恰當(dāng)處理，將這些信息與打印機(jī)的加工參數(shù)設(shè)置相結(jié)合，生成3D 打印機(jī)可識(shí)別的代碼信息，驅(qū)動(dòng)打印機(jī)有序地加工出每一層并這些薄型層面堆疊黏合，直至形成一個(gè)實(shí)體模型，完成疊加的過程。

4 3D 打印技術(shù)在先天性室間隔缺損的治療現(xiàn)狀

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，3D 技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用在心臟介入治療中，克服了以X線胸片、CT、MRI 等影像學(xué)技術(shù)為主的2D 技術(shù)對(duì)疾病的評(píng)估和分析誤差性，克服了這些技術(shù)無法識(shí)別復(fù)雜的室間隔缺損的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使醫(yī)生對(duì)于復(fù)雜心臟病有更加精確的認(rèn)識(shí)和了解，從而制定精確的手術(shù)治療方案。3D 技術(shù)能夠從多角度識(shí)別包括室間隔缺損等先心病的復(fù)雜解剖和空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，可以打印出不同材質(zhì)、顏色和高分辨率的圖像，更直接地顯露出心臟的具體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系，從而使外科醫(yī)生對(duì)室間隔缺損患者的解剖學(xué)和心腔內(nèi)傳導(dǎo)系統(tǒng)有更透徹的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而根據(jù)患者的具體解剖學(xué)異常制定最佳的手術(shù)治療方案。

4.1 3D 打印技術(shù)在室間隔缺損疾病解剖學(xué)認(rèn)識(shí)

最近的一些研究表明了 3D 打印技術(shù)在室間隔缺損的診斷均取得了良好的效果。Valverde 等[14]采用半透明的聚乳酸聚合物制作出 1 例 1.5 歲復(fù)雜先天性心臟病患兒的心臟模型，用以評(píng)估室間隔缺損的位置、大小及其與主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈之間的關(guān)系。他們指出對(duì)于復(fù)雜先天性心臟病患者，快速成型技術(shù)制作的心臟模型對(duì)于制定精準(zhǔn)手術(shù)方案是非常重要的，既可以減少手術(shù)時(shí)間，也能夠顯著降低圍手術(shù)期和術(shù)后死亡率。Bhatla 等[15]依據(jù)每位患者的獨(dú)特性的基礎(chǔ)，通過使用不同的的顯像模式制作出先天性心臟病的3D 打印解剖模型，結(jié)果表明 3D 打印模型能夠更顯著暴露缺損大小，從而能夠指導(dǎo)決策的制定。對(duì)于復(fù)雜的室間隔缺損患者來說，3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的 MRI 和 CT，因?yàn)?3D 打印技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確地明確室間隔缺損部位與周圍組織的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系，而這在外科手術(shù)治療中是更重要。

4.2 3D打印技術(shù)在室間隔缺損疾病的治療應(yīng)用

在國(guó)外目前已經(jīng)有很多關(guān)于 3D 打印技術(shù)在先天性室間隔缺損的患者的應(yīng)用研究。2008 年，Kim 等[13]對(duì) 1 例 30 歲的先天性室間隔缺損患者進(jìn)行研究。他們使用多普勒超聲檢查確認(rèn)了存在雙向分流的室間隔缺損心臟病后，利用掃描的數(shù)據(jù)打印了其心臟模型，根據(jù)打印出來的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的模型完成了室間隔缺損的成功封堵。這個(gè)研究證明了 3D 心臟物理模型有助于了解室間隔缺損的解剖的病理生理學(xué)，更精確地明確缺損部位解剖結(jié)構(gòu)，同時(shí)有助于區(qū)分不同手術(shù)和介入治療的優(yōu)劣勢(shì)，在手術(shù)前制定更詳細(xì)、精確的手術(shù)方案。但是在我國(guó)卻鮮有報(bào)道，就連此技術(shù)的綜述也是不多[11]。在我國(guó)，南京市兒童醫(yī)院的孫劍等心外科醫(yī)生使用最先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)順利完成了對(duì)室間隔缺損和房間隔缺損患兒的手術(shù)封堵。他們通過 3D 打印技術(shù)打印了患兒的心臟模型，明確了室缺與周圍組織的關(guān)系，從而成功完成了封堵，證明了 3D 打印技術(shù)可以克服傳統(tǒng)影像學(xué)檢查不能明確解剖學(xué)位置的缺點(diǎn)。胡立偉等[16]通過一個(gè)患有復(fù)雜先天性心臟病的的 4 個(gè)月患者的診斷和治療方法來探討 3D 打印的心臟模型在臨床上先心病的診斷和治療的現(xiàn)實(shí)意義。他們發(fā)現(xiàn) 3D 模型不僅能更好地向醫(yī)生展示了室間隔缺損的位置和大小，也顯示了室間隔缺損與其周圍組織（心臟瓣膜、血管）的立體結(jié)構(gòu)關(guān)系。這表明了 3D 打印能夠更好地明確室間隔缺損的診斷，更確切地對(duì)疾病進(jìn)行評(píng)估，制定更合理、有效、精確的術(shù)前、術(shù)后的治療方案，減少手術(shù)時(shí)間和提高手術(shù)治療的成功率，實(shí)現(xiàn)先天性心臟病患者治療的精準(zhǔn)化。

由此可見，對(duì)心臟和大血管的解剖結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)是制定更加精準(zhǔn)的個(gè)體化手術(shù)方案的重要前提，我們既可以快速地完成手術(shù)，也能夠避免出現(xiàn)損傷無法預(yù)知的心臟解剖結(jié)構(gòu)的意外，從而在術(shù)前制定最佳的手術(shù)方案、減少手術(shù)時(shí)間和死亡率。

5 展望和不足

3D 打印技術(shù)是一種更精確和非侵入性評(píng)估室間隔缺損的技術(shù)，通過 3D 空間的可視化解剖設(shè)備，術(shù)者更了解剖結(jié)構(gòu)、提高診斷的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)潛在的復(fù)雜性。3D 打印技術(shù)在外科領(lǐng)域展示出了潛在的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢(shì)。盡管3D 打印技術(shù)展示出室間隔缺損等先天性心臟病患者的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)[17]，但是并不能完全提供患者3D 解剖學(xué)結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于我們來說，這恰恰是個(gè)挑戰(zhàn)。3D 打印技術(shù)使心臟大血管外科醫(yī)師更加準(zhǔn)確地熟悉室間隔缺損患者的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，充分地了解和評(píng)估患者的病情，從而制定更恰當(dāng)?shù)氖中g(shù)治療方案。但是由于這是一項(xiàng)新的技術(shù)，所以固然也會(huì)存在不足之處：（1） 我們需要從不同的方向、不同的觀點(diǎn)出發(fā)考慮和評(píng)估期室間隔的解剖結(jié)構(gòu)，但是盡管如此，也不能夠輕易地評(píng)估暴露范圍。（2）這項(xiàng)技術(shù)顯得很高端，但是目前還不能夠?qū)崿F(xiàn)診斷、治療的最優(yōu)化和滿足基礎(chǔ)診治水平，特別對(duì)于具有那些極小的結(jié)構(gòu)的患者更是這樣。（3） 3D 技術(shù)應(yīng)在臨床的一系列材料都是一次性的，是無法循環(huán)利用的。（4） 對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一般人負(fù)擔(dān)不起的高額費(fèi)用[18]。

對(duì)于我們新一代的醫(yī)學(xué)生來說，接受新技術(shù)固然重要，但是更重要的是我們能夠充分地把 3D 打印技術(shù)這一項(xiàng)全新的技術(shù)和各學(xué)科緊密的聯(lián)系在一起，更好地統(tǒng)一應(yīng)用于臨床中。這樣，我們滿足現(xiàn)在新世紀(jì)需求的同時(shí)更好的把 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于臨床領(lǐng)域。我們有理由相信，當(dāng)我們克服包括3D打印技術(shù)的可行性、巨額費(fèi)用和準(zhǔn)確性等一系列的障礙后，研究出新的領(lǐng)域，有朝一日 3D 打印技術(shù)能夠徹底應(yīng)用在臨床中，拯救更多人的生命。

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2017-03-12）

（編輯：曹洪紅）

150086，黑龍江省哈爾濱市，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 心臟外科

覃雄海 碩士研究生 主要從事心血管疾病的外科治療研究 Email：qxh9069@163.com 通訊作者：蔣樹林 Email：sljiang36@163.com

R541

A

1000-3614（2017）11-1136-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2017. 11.026