韓宇、高傳玉、鄭宏、彭幫田、程兆云綜述，范太兵審校

3D打印在先天性心臟病治療中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

韓宇、高傳玉、鄭宏、彭幫田、程兆云綜述，范太兵審校

國(guó)外，3D打印技術(shù)在先天性心臟病（先心?。┑脑\治方面已取得了良好效果。我國(guó)先心病的診斷主要依賴于超聲心動(dòng)圖、計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)及心血管造影等檢查，缺乏直觀和立體實(shí)物效果。3D打印技術(shù)在先心病尤其復(fù)雜先心病的診治方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，3D打印模型既可以明確診斷又可以供術(shù)前模擬操作，但國(guó)內(nèi)尚處于嘗試階段，其應(yīng)用前景廣闊。

3D打??；先天性心臟?。恍呐K模型

3D（3-dimensiona）打印是借助于精密機(jī)械、材料科學(xué)及信息技術(shù)等多學(xué)科發(fā)展而來(lái)的尖端技術(shù)，又稱作“增材制造”技術(shù)或“快速成型”技術(shù)，利用電腦創(chuàng)建的三維設(shè)計(jì)圖將材料進(jìn)行分層“打印”疊加，最后整體成形。目前，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域主要應(yīng)用于：置入性假體制作、組織工程支架、手術(shù)策劃、組織器官培養(yǎng)、給藥系統(tǒng)以及輔助用具制作方面[1]。關(guān)于3D打印技術(shù)在先天性心臟病（先心?。┲械膽?yīng)用，雖然國(guó)外早有研究，但國(guó)內(nèi)尚處于嘗試階段；國(guó)內(nèi)雖有綜述報(bào)道[2]，但主要是國(guó)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，缺少國(guó)內(nèi)資料。本文就3D打印技術(shù)在先心病中的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀作一綜述。

1 3D打印在簡(jiǎn)單先天性心臟病中的應(yīng)用

簡(jiǎn)單先心病主要包括：房間隔缺損、室間隔缺損和動(dòng)脈導(dǎo)管未閉。這些簡(jiǎn)單先心病通過(guò)常規(guī)外科手術(shù)可完全治愈，但存在開(kāi)胸、體外循環(huán)、全身麻醉以及可能的輸血因素，患者及家屬不易接受。近年來(lái)，我國(guó)先心病介入治療得到了快速發(fā)展，絕大多數(shù)動(dòng)脈導(dǎo)管未閉均可行介入治療，在有條件的醫(yī)院，介入治療基本取代外科手術(shù)。繼發(fā)孔型房間隔缺損只要邊緣條件好且直徑≤36 mm，其介入治療的成功率可達(dá)97%以上[3]。對(duì)于簡(jiǎn)單先心病，經(jīng)皮介入封堵術(shù)越來(lái)越成為患者的優(yōu)先選擇。

在為簡(jiǎn)單先心病患者行經(jīng)皮介入封堵術(shù)時(shí)，術(shù)者主要依據(jù)術(shù)前超聲心動(dòng)圖和術(shù)中造影估測(cè)缺損大小，從而選擇封堵器；但對(duì)于多發(fā)、形狀不規(guī)則和邊緣欠佳的房間隔缺損以及膜部瘤形成且存在多個(gè)破口的室間隔缺損，選擇合適的封堵器常存在困難，即使結(jié)合術(shù)前超聲心動(dòng)圖、計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)（CT）、磁共振成像（MRI）和術(shù)中造影結(jié)果，術(shù)中更換封堵器的情況時(shí)有發(fā)生，這不但是醫(yī)療資源的浪費(fèi)，也為患者和術(shù)者帶來(lái)了不必要的麻煩。3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像學(xué)與解剖學(xué)之間的橋梁，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)CT或MRI的二維圖像數(shù)據(jù)，打印出真實(shí)的心臟模型，精確重現(xiàn)缺損部位、形態(tài)及其與瓣膜和周邊組織的關(guān)系，允許醫(yī)生直接在1：1打印出來(lái)的實(shí)物模型上，制定手術(shù)方案且可以進(jìn)行術(shù)前封堵模擬，這對(duì)節(jié)約醫(yī)療資源、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高手術(shù)效率等都具有重要意義。國(guó)內(nèi)阜外心血管病醫(yī)院鄭宏教授做了嘗試性工作，已有3D打印技術(shù)輔助下經(jīng)導(dǎo)管封堵主動(dòng)脈竇瘤破裂的報(bào)道[4]；鄭宏團(tuán)隊(duì)在3D打印技術(shù)輔助下經(jīng)皮房間隔缺損封堵方面也取得了喜人成績(jī)，一次封堵成功率得到明顯提高，尤其在多發(fā)孔型房間隔缺損和以往被視為禁忌證的下腔型房間隔缺損封堵（圖1、圖2）方面取得了突破性進(jìn)展；術(shù)前通過(guò)在3D打印的實(shí)物模型上模擬試驗(yàn)，應(yīng)用動(dòng)脈導(dǎo)管未閉封堵器實(shí)現(xiàn)下腔型房間隔缺損經(jīng)皮封堵術(shù)，短期隨訪效果肯定，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道，但這也僅是個(gè)案，還需更多病例和更長(zhǎng)時(shí)間隨訪來(lái)加以驗(yàn)證。

圖1 下腔型房間隔缺損3D打印模型上模擬封堵

圖2 房間隔缺損封堵成功后正位X線胸片

2 3D打印在復(fù)雜先天性心臟病中的應(yīng)用

復(fù)雜先心病主要包括：法洛四聯(lián)癥、肺靜脈異位引流、單心室、右心室雙出口、肺動(dòng)脈閉鎖、大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位等。各種復(fù)雜先心病的心腔、瓣膜、靜脈及動(dòng)脈的連接與交通各不相同，如果再合并心臟轉(zhuǎn)位，即使結(jié)合超聲心動(dòng)圖及心臟CT也難以構(gòu)建真實(shí)的心臟形態(tài)，常存在漏診和誤診的情況[5]。

復(fù)雜先心病常見(jiàn)于新生兒及嬰幼兒，為進(jìn)一步明確診斷，需多角度重復(fù)心腔及血管造影，對(duì)比劑用量大、X線照射時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)患兒的生長(zhǎng)發(fā)育不利。即使完成心血管造影檢查，一些復(fù)雜先心病也只能靠術(shù)者去想象其立體結(jié)構(gòu)，甚至不能明確診斷，往往須術(shù)中探查后再?zèng)Q定手術(shù)方式，開(kāi)胸探查后無(wú)法手術(shù)的情況也時(shí)有發(fā)生。3D打印技術(shù)有效地解決了個(gè)性化治療這一難題[6]。3D打印技術(shù)可根據(jù)心臟CT結(jié)果快速構(gòu)建個(gè)體化數(shù)字人體心血管系統(tǒng)模型，國(guó)內(nèi)可在幾天內(nèi)完成模型打印，因初步開(kāi)展，模型質(zhì)量欠佳，即使從美國(guó)打印，半月內(nèi)即可完成。3D模型可清晰顯示復(fù)雜先心病的三維立體結(jié)構(gòu)，如果不需要血液動(dòng)力學(xué)評(píng)估，僅需了解心血管結(jié)構(gòu)關(guān)系，甚至可替代心血管造影檢查，避免心血管造影中對(duì)比劑和X線的潛在傷害，術(shù)者可結(jié)合3D模型對(duì)該患者進(jìn)行術(shù)前模擬和溝通，避免不必要的開(kāi)胸探查，節(jié)省資源和時(shí)間，也大大減輕術(shù)者的工作負(fù)擔(dān)和提高患者滿意度，對(duì)于年輕醫(yī)生的快速成長(zhǎng)和指導(dǎo)醫(yī)學(xué)教學(xué)等方面都大有益處。

國(guó)外，3D打印技術(shù)在救治復(fù)雜先心病中的臨床應(yīng)用價(jià)值已有報(bào)道[7]，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。應(yīng)用3D打印技術(shù)在復(fù)雜先心病診治方面，阜外心血管病醫(yī)院鄭宏教授也做了開(kāi)創(chuàng)性嘗試工作，通過(guò)3D技術(shù)打印出一個(gè)近上腔靜脈的房間隔缺損合并部分性心上型肺靜脈異位引流及永存左上腔靜脈心臟模型，并在模型上置入自制腔靜脈支架完成肺靜脈異位引流功能上矯治，但因倫理問(wèn)題沒(méi)能應(yīng)用在患者體內(nèi)，即使這樣，也足以讓我們看到3D打印技術(shù)在復(fù)雜先心病診治中應(yīng)用的曙光。

3 展望

先心病是指胚胎發(fā)育時(shí)期因心臟和大血管形成障礙，對(duì)心血管結(jié)構(gòu)及功能產(chǎn)生的實(shí)際或潛在影響的一組先天畸形，是我國(guó)的首位出生缺陷疾病[8]。我國(guó)每年新增先心病約15萬(wàn)例。目前我國(guó)先心病的發(fā)病率約為4‰～8‰，其中約60%不到1歲死亡[9]。國(guó)外3D打印技術(shù)在醫(yī)療診治中顯示了很大的應(yīng)用前景，包括齒科手術(shù)模[10]、先天無(wú)舌整形術(shù)[11]、顱骨重建整形術(shù)[12]、個(gè)性化人工耳的模具[13]、復(fù)雜脊柱修復(fù)術(shù)[14]及髖關(guān)節(jié)重建[15]等方面。在先心病如房間隔缺損、室間隔缺損及復(fù)雜先心病方面，3D打印技術(shù)也取得了良好的效果[16,17]。

我國(guó)先心病患病人數(shù)多，但3D打印技術(shù)在先心病中的應(yīng)用尚處于起步階段。3D打印心臟模型直觀、形象，能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)物間1：l的復(fù)制，為術(shù)者全方位展示病變視角及其與周邊組織的關(guān)系，指導(dǎo)具體器材的選擇及手術(shù)的路徑設(shè)計(jì)。隨著打印材料的研發(fā)，未來(lái)有望打印出具有一定柔軟性且可切割的心臟模型，術(shù)者可直接在模型上進(jìn)行手術(shù)演練，從而預(yù)測(cè)手術(shù)難度及手術(shù)效果。費(fèi)用問(wèn)題也是限制3D打印技術(shù)在先心病診療中普遍應(yīng)用的原因之一，目前打印一個(gè)心臟模型約4 000元，相信隨著國(guó)產(chǎn)打印模型的普遍開(kāi)展，費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步降低。

另外，經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置入術(shù)和經(jīng)皮肺動(dòng)脈瓣置入術(shù)在我國(guó)尚處于臨床試驗(yàn)階段，其成功的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)測(cè)量實(shí)物的各個(gè)數(shù)據(jù)及選擇合適的瓣膜支架。國(guó)外有置入的帶瓣肺動(dòng)脈支架偏大壓迫冠狀動(dòng)脈致死的病例發(fā)生，但也有3D打印技術(shù)輔助下經(jīng)皮肺動(dòng)脈帶瓣支架置入取得良好效果的報(bào)道[18]。更可喜的是，有作者認(rèn)為，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用可加速人造人體器官的進(jìn)展，有望解決器官來(lái)源問(wèn)題[19,20]。

綜上，3D打印技術(shù)在簡(jiǎn)單先心病的介入治療以及復(fù)雜先心病乃至所有結(jié)構(gòu)性心臟病的診療和器官移植等方面均具有很好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張富強(qiáng), 王運(yùn)贛.快速成形在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用.北京: 人民軍醫(yī)出版社, 2009. 1.

[2] 楊帆, 楊延坤, 鄭宏.3D打印技術(shù)在先天性心臟病診療中的應(yīng)用.中國(guó)介入影像與治療學(xué), 2014, 11: 629-631.

[3] 蔣世良.我國(guó)先天性心臟病介入治療的現(xiàn)狀.中國(guó)循環(huán)雜志, 2011, 26: 245-246.

[4] 楊延坤, 鄭宏, 徐爭(zhēng)鳴. 3D打印技術(shù)輔助下經(jīng)導(dǎo)管封堵主動(dòng)脈竇瘤破裂1例.中國(guó)介入心臟病雜志, 2014, 22: 135-136.

[5] 陶子瑜, 黃國(guó)英, 林其珊, 等.彩色多普勒超聲心動(dòng)圖診斷先天性心臟病的準(zhǔn)確性及其對(duì)外科手術(shù)指導(dǎo)價(jià)值的研究.中國(guó)循證兒科雜志, 2007, 2: 338-346.

[6] 韓桂芬, 章靜波.塑料移植物替代3/4顱骨3D打印機(jī)制造出聚合物頭蓋骨.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床, 2013: 7: 823.

[7] Riesenkampff E, Rietdorf U, Wo1f L, et al.The practical clinical Value of three-dimensional models of complex congenitally malformed hearts.J Thorac Cardiovasc Surg, 2009, 138: 571-580.

[8] 胡盛壽, 沈向東.共同努力, 進(jìn)一步提升我國(guó)新生兒和復(fù)雜先天性心臟病的外科治療整體水平.中國(guó)循環(huán)雜志, 2005, 20: 6.

[9] 孫開(kāi)來(lái).人類發(fā)育與遺傳學(xué).第2版.北京: 科技出版社, 2008. 156-157.

[10] Papaspyridakos P, Lal K. Complete arch implant rehabilitation using subtractive rapid prototyping and porcelain fused to zirconia prosthesis: a clinical report. J Prosthet Dent, 2008, 100: 165-172.

[11] Salles F, Anchieta M, Costa Bezerra P, et al. Complete and isolated congenital aglossia: case report and treatment of sequelae using rapid prototyping models. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol, 2008, 105: e41-e47.

[12] Petzold R, Zeilhofer HF, Kalender WA. Rapid prototyping technology in medicine-basics and applications. Comput Med Imag Grap, 1999, 23: 277-284.

[13] Liacouras P, Garnes J, Roman N, et al. Designing and manufacturing an auricular prosthesis using computed tomography, 3-dimensional photographic imaging, and additive manufacturing: a clinical report. J Prosthet Dent, 2011, 105: 78-82.

[14] Song ZL, Feng CK, Chiu FY, et al. The clinical significance of rapid prototyping technique in complex spinal deformity surgery-Case sharing and literature review. Formosan J Musculoskeletal Disord, 2013, 4: 88-93.

[15] Hurson C, Tansey A, O’ Donnchadha B, et al. Rapid prototyping in the assessment, classification and preoperative planning of acetabular fractures. Injury, 2007, 38: 1158-1162.

[16] Kim MS, Hansgen AR, Wink O, et al.Rapid prototyping: a new tool in understanding and treating structural heart disease.Circulation, 2008, 117: 2388-2394.

[17] Jacobs S, Grunert R, Mohr FW, et al.3D-imaging of cardiac structures using 3D heart models for planning in heart surgery: a preliminary study. Interact Cardiovasc Thorac Surg, 2008, 7: 6-9.

[18] Schievano S, Migliavacca F, Coats L, et al. Percutaneous pulmonary valve implantation based on rapid prototyping of right Ventricular outflow tract and pulmonary trunk from mr data.Radiology, 2007, 242: 490-497.

[19] Fedomvich NE, Momni L, Malda J, et al.3D-fiber deposition for tissue engineering and organ printing applications//Bradley RR, Barry JS, Peter KW. Cell and Organ Printing. Berlin: Springer, 2010: 225-239.

[20] Fedorovich NE, Alblas J, Hennink WE, et al.Organ printing：the future of bone regeneration.Trends Biotechnol, 2011, 29: 601-606.

2015-03-22）

（編輯：朱柳媛）

450000 河南省鄭州市，鄭州大學(xué)人民醫(yī)院 兒童心臟中心（韓宇、高傳玉、彭幫田、程兆云、范太兵）；阜外心血管病醫(yī)院（鄭宏）

韓宇 主治醫(yī)師 博士 主要從事結(jié)構(gòu)性心臟病的診治工作 Email: hanyuicu2010@163.com 通訊作者：范太兵 Email:fantaibing@163.com

R54

A

1000-3614（2015）08-0810-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2015.08.023