3D打印技術(shù)在主動脈疾病中的應(yīng)用

羅 康，段玉印，夏建明，張桂敏*

（1.昆明醫(yī)科大學(xué)，云南 昆明 650032；2.云南省阜外心血管病醫(yī)院，云南 昆明 650000）

3D打印技術(shù)也稱快速成型技術(shù)（Rapid prototyping technology）或立體平版印刷（stererolithography），依據(jù)計(jì)算機(jī)對物體收集數(shù)據(jù)的進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理，圖像輔助設(shè)計(jì)，并應(yīng)用特定機(jī)器對特定材料進(jìn)行物理堆積或切割等方法來還原物體真實(shí)三維結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)自出現(xiàn)發(fā)展至今，已有20余年歷史，其技術(shù)已應(yīng)用并不斷發(fā)展于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程施工、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。醫(yī)療3D打印首次出現(xiàn)于1990年，研究者應(yīng)用CT（computer tomography）圖像制作出了一個(gè)顱骨解剖模型，其詳細(xì)呈現(xiàn)出了顱骨內(nèi)外結(jié)構(gòu)[1]。自此以后其技術(shù)被廣泛應(yīng)用于骨性結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，已逐步涉及到心[9]、腦等復(fù)雜器官領(lǐng)域[2]，并取得了一定效果[1]。

本文將介紹目前國內(nèi)外3D打印技術(shù)在主動脈疾病診療、教學(xué)、組織工程等科研方面中的運(yùn)用現(xiàn)狀，該技術(shù)的優(yōu)越性，目前存在的不足及展望未來的發(fā)展方向。

1 3D打印模型在主動脈疾病診斷、手術(shù)方案和術(shù)中材料的制定及術(shù)前模擬中的運(yùn)用

主動脈疾病（aortic disease），包括主動脈夾層（dissection）、主動脈瘤（aortic aneurysm）、主動脈潰瘍（aortic ucler）、主動脈壁血腫（intramural aortic hematoma）以及各類主動脈畸形，涉及到此類疾病，尤其是主動脈夾層這種嚴(yán)重威脅生命的急重癥，往往病情嚴(yán)重，病變復(fù)雜多變，涉及手術(shù)步驟繁瑣，技術(shù)復(fù)雜，手術(shù)創(chuàng)傷大，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率及死亡率高。如何決定對其實(shí)施精確的外科手術(shù)或介入手術(shù)很大程度取決于對主動脈病變結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的認(rèn)識（以主動脈夾層為例術(shù)者需了解破口位置、真假腔結(jié)構(gòu)、真假腔血流情況、內(nèi)膜片破損情況及分支血管比鄰[3][7-8]。

盡管目前CT、MRI（magnetic resonnance imaging）、超聲心動圖（echocardiography）等傳統(tǒng)影像學(xué)已發(fā)展到較高診斷水平，但此類檢查只局限于提供二維圖像，無法為醫(yī)師提供精確的三維立體直觀組織解剖關(guān)系，醫(yī)師必須自己在大腦中重構(gòu)其空間結(jié)構(gòu)，然而在此過程中，可能由于個(gè)人空間思維能力的差異而得出與實(shí)際組織結(jié)構(gòu)或多或少有偏差的結(jié)論，而造成誤診和不夠完善甚至錯(cuò)誤的手術(shù)方案[3]。3D打印技術(shù)則可以為醫(yī)師呈現(xiàn)更為客觀、直觀的組織構(gòu)造，極大提高了醫(yī)師對病變的認(rèn)識，更好的制定出個(gè)性化的手術(shù)方案[1][3]，并可依據(jù)3D模型制定個(gè)性化大小尺寸、形狀，材質(zhì)的血管內(nèi)植入物或所需用于替換的人工血管。醫(yī)師甚至可以在3D模型上反復(fù)演練手術(shù)過程，從而最大程度減少術(shù)前決策偏差；減少術(shù)中失誤；縮短手術(shù)時(shí)間；最大程度糾正血管病變、滿足患者血管功能需求，盡最大努力保障手術(shù)成功率，避免或減少手術(shù)并發(fā)癥，提高患者術(shù)后生存質(zhì)量[1-4]。

Abdullrazak Hossien等人運(yùn)用3D打印技術(shù)為3位主動脈A型夾層患者進(jìn)行了術(shù)前病變血管3D模型的重建，并依據(jù)對模型的分析，明確了3位患者主動脈夾層各自破口位置、夾層累及范圍主動脈3大分支受累情況、真假腔關(guān)系及主動脈壁情況，從而制定出相應(yīng)適合的手術(shù)方案。結(jié)果3位患者主動脈病變情況3D模型吻合，手術(shù)過程順利，術(shù)后恢復(fù)良好，均康復(fù)出院。在上述研究中Abdullrazak Hossien等人還指出，由于主動脈夾層在主動脈弓置換過程中要及深低溫停循環(huán)（deep hypothermic circulatory arrest），眾所周知其時(shí)間長短與術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率及預(yù)后密切相關(guān)。術(shù)前對3D模型的研究則可幫助術(shù)者縮短其過程中的決策及操作時(shí)間，最大可能縮短深低溫停循環(huán)時(shí)間。此外，他們還提出術(shù)前對于升主動脈撕裂情況的明確動脈供血管的插管至關(guān)重要，否則有很大風(fēng)險(xiǎn)供血管灌注于假腔而導(dǎo)致重要臟器供血不足[3]。

Ralf Sodian及 Daniel Schmaussd等醫(yī)師，運(yùn)用3D打印技術(shù)分別為一位主動脈弓置換術(shù)后吻合口漏的患者和主動脈弓降部多發(fā)潰瘍的患者制定了個(gè)性化的封堵材料[4]，經(jīng)實(shí)際使用，發(fā)現(xiàn)其較以往統(tǒng)一規(guī)格的封堵器更符合患者主動脈條件，避免了因個(gè)體差異造成的主動脈損傷及主動脈重要分支血管的遮蓋。[4]

我國醫(yī)療學(xué)者、科研工作者也運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)診治了各類心血管尤其主動脈疾病。通過實(shí)踐檢驗(yàn)了3D打印在主動脈疾病中的可行性及優(yōu)越性，同時(shí)總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)及可不斷完善的方向。為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展、成熟及廣泛推廣奠定了重要基礎(chǔ)。

2 3D打印技術(shù)在主動脈疾病及相關(guān)手術(shù)操作學(xué)習(xí)中的運(yùn)用

對于正常心血管和病變解剖模型的學(xué)習(xí)研究對于心血管醫(yī)師認(rèn)識相關(guān)疾病是非常重要的。傳統(tǒng)獲取模型的方法主要來源患者尸體器官以及將液體石蠟或硅膠樹脂灌注器官而制作出模型。而上述方法有其缺陷和局限性。首先，從尸體上獲取心血管標(biāo)本價(jià)格昂貴而且資源有限，最主要由于尸體器官細(xì)胞死亡后脫水皺縮變形，與活體器官三維結(jié)構(gòu)有所偏差。用澆灌法制作模型，在制作完成時(shí)也破壞了標(biāo)本，只可一次性制作而無法進(jìn)行后續(xù)研究，并且由于標(biāo)本的變形所制作出的模型也會有相應(yīng)偏差。此外，醫(yī)師只可通過傳統(tǒng)影像學(xué)圖像認(rèn)識心血管疾病，其缺陷之前已有所描述。

運(yùn)用3D技術(shù)則可以克服上述缺陷，可制作出與活體標(biāo)本血管結(jié)構(gòu)和材質(zhì)最為接近的模型。醫(yī)師通過對模型的研究，可以了解認(rèn)識各類主動脈病變結(jié)構(gòu)。甚至在模型上模擬演練手術(shù)過程，嘗試研究新的手術(shù)方式。此技術(shù)可為培養(yǎng)鍛煉心血管醫(yī)師及心血管疾病教學(xué)科研提供全新的有效的手段。

3 3D打印在主動脈組織工程和人工血管方面的運(yùn)用

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，其技術(shù)已經(jīng)涉及到人體組織與器官的再造領(lǐng)域，雖然目前仍處于研究階段，但已取得了一定樂觀的成果。研究者已經(jīng)運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)制備出豬主動脈瓣、兔軟骨細(xì)胞、包裹有細(xì)胞的膝關(guān)節(jié)半月板和椎間盤及已在臨床上使用的氣管、膀胱和皮膚等只有一種或兩種細(xì)胞組成的組織。

值得一提的是R.Sodian等研究者運(yùn)用3D打印技術(shù)，使用Polyglycolic acid和poly-4-hydroxybutyrate為一位主動脈縮窄12歲男孩，制備了人工主動脈并進(jìn)行了主動脈縮窄部的置換[6]。用上述材料所制備的主動脈其實(shí)充當(dāng)了一個(gè)可供組織細(xì)胞在其中生長、增值分化的有生物降解性組織支架，其可隨其中不斷生長、增值分化和成熟的主動脈細(xì)胞組織所降解，從而在體內(nèi)形成一個(gè)正常組織結(jié)構(gòu)的主動脈。

此項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)該手術(shù)運(yùn)用同種異體主動脈或人工血管置換相比存在以下優(yōu)勢。（1）其依據(jù)實(shí)際患者情況個(gè)性化設(shè)計(jì)所置換的主動脈，避免了由于個(gè)體造成的血管不匹配；（2）傳統(tǒng)的同種異體主動脈或人工血管不可能隨著年齡生長而生長，也沒有自我修復(fù)能力。尤其對于兒童患者而言，可能將來會面臨再次手術(shù)甚至術(shù)后并發(fā)癥而死亡的風(fēng)險(xiǎn)。而運(yùn)用組織過程所設(shè)計(jì)的主動脈由于具有生物活性從而避免了上述風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生[6]。此項(xiàng)技術(shù)為其他需要主動脈置換的主動脈疾病提供了全新的、更加優(yōu)越的材料選擇。同樣也為將來實(shí)現(xiàn)有著多種細(xì)胞組成和有著復(fù)雜血管的器官打印邁出重要一步。

4 展 望

3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于心血管臨床、科研及教學(xué)各個(gè)方面，尤其在主動脈領(lǐng)域取得了一定的成果。但是由于目前3D打印技術(shù)和材料有待進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)展和研究樣本的有限，其仍然存在一些問題和不斷完善的空間[1]。

例如傳統(tǒng)影像學(xué)的構(gòu)建只需7～10分鐘，這對于主動脈疾病術(shù)前準(zhǔn)備尤其主動脈夾層急癥手術(shù)不會產(chǎn)生太大影響，而目前3D打印模型的構(gòu)建要超過1個(gè)小時(shí)時(shí)間，這將會限制其在臨床上的運(yùn)用[3]。此外3D打印模型的準(zhǔn)確性取決于原始影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，其仍然有賴于現(xiàn)有的影像學(xué)檢查技術(shù)。由于目前該項(xiàng)技術(shù)要求高，設(shè)備、材料及使用相對昂貴并非每一個(gè)患者甚至每一個(gè)心臟中心都可以運(yùn)用，目前缺乏大規(guī)模的臨床統(tǒng)計(jì)學(xué)研究[1]。隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝及材料的改進(jìn)以及運(yùn)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其制作時(shí)間及成本大大降低，達(dá)到目前傳統(tǒng)影像學(xué)使用條件而成為普遍的臨床科研手。隨著影像學(xué)采集方式技術(shù)不斷完善（我們今后可以嘗試整合不同影像學(xué)數(shù)據(jù)如CT、MRI、超聲等，取長補(bǔ)短，更精確采集用于3D打印患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)），甚至將來開發(fā)出專門適用于3D打印技術(shù)的影像學(xué)數(shù)據(jù)采集方式。將來對提高每位醫(yī)師在主動脈疾病診治水平及每一位主動脈患者康復(fù)率做出巨大貢獻(xiàn)。

3D打印在組織及器官再造工程起著無比輕重的作用。隨著對目前3D打印主動脈組織工程成果上的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步成熟，人類最終實(shí)現(xiàn)完美人造器官甚至人造生命體的創(chuàng)造將不再只是夢想。[6]

[1]孫立忠,劉寧寧,常 謙,朱俊明,劉永民,劉志剛,董 超,于存濤,鳳 瑋,馬 瓊.主動脈夾層的細(xì)化分型及其應(yīng)用《中華外科雜志》2005年43卷18期1171-1176頁.

[2]張海燕,王 捷.快速成型技術(shù)在心血管疾病診治中的應(yīng)用進(jìn)展Progress in Modern Biomedicine 2009 Vol.9 No.8.

[3]楊 迅.迅速成型技術(shù)在主動脈夾層治療中的運(yùn)用 安徽醫(yī)科大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015年5月.

[4]陳鵬飛.快速成型技術(shù)制備仿生主動脈弓模型的初步研究安徽醫(yī)科大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015年3月.

[5]楊 迅,嚴(yán)中亞.申運(yùn)華快速成型技術(shù)在StandfortA型主動脈夾層治療中的應(yīng)用.

[6]胡立偉,白 凱,鐘玉敏,孫愛敏,王 謙,劉金龍,邱海嵊,朱 銘.基于不同圖像分割法構(gòu)建3D打印右室雙出口模型 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志Vol.33No.12December 2016

[7]伍西明,羅 聞.3D打印術(shù)輔助治療腹主動脈瘤大眾衛(wèi)生報(bào)/2014年/6月/24日/第001版.

[8]袁良喜,劉廣欽,趙志青,包俊敏,陸清聲,景在平.3D打印技術(shù)在血管外科主動脈擴(kuò)張性疾病臨床教學(xué)中的應(yīng)用衛(wèi)生職業(yè)教育Vol.34 2016 No.24.

[9]袁 丁,趙紀(jì)春,康裕建,黃 斌,楊 軼,左 蕭,周 軒,胡 耀,熊 飛.3D打印技術(shù)輔助復(fù)雜主動脈夾層腔內(nèi)治療中國普外基礎(chǔ)與臨床雜志2015年7月第22卷第7期.

[10]湯凱豐,朱杰昌,馮 舟,范海倫,張益?zhèn)?胡凡果,羅宇東,戴向晨.3D打印輔助體外開窗支架技術(shù)治療Stanford B型主動脈夾層1例報(bào)道《血管與腔內(nèi)血管外科雜志》2016年9月第2卷第5期.