董柱 劉瑩 曹一秋 王曉武

1南方醫(yī)科大學(xué)（廣州 510515）；2廣州中醫(yī)藥大學(xué)（廣州 510000）；3廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院心臟外科中心（廣州 510010）

3D打印技術(shù)是一種通過(guò)3D計(jì)算機(jī)圖像源文件中制作出物理模型的技術(shù)，它也被稱為立體成像或加法制造。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)的第一個(gè)應(yīng)用為口腔頜面外科手術(shù)和整形外科［1］。近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用迅速增加，許多醫(yī)院都在購(gòu)買內(nèi)部3D打印機(jī)，3D打印技術(shù)在骨科［2］、神經(jīng)外科［3-4］、胸外科［5］等領(lǐng)域的探索也正在進(jìn)行，這項(xiàng)技術(shù)也被用于制造生物材料［6-7］，用于修復(fù)心臟缺陷，指導(dǎo)個(gè)性化治療。也有研究［8-9］在探索運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行器官組織的生物打印，打印出具有生物活性的器官組織。在心臟外科方面，由于心臟圖像顯示在2D屏幕上，我們很難理解復(fù)雜的心臟三維結(jié)構(gòu)，尤其體現(xiàn)在復(fù)雜先天性心臟病診治中，3D打印心臟模型可以直觀地觀測(cè)心臟結(jié)構(gòu)，用于協(xié)助手術(shù)規(guī)劃、決策和術(shù)中定位，提供個(gè)性化治療策略，同時(shí)其也可應(yīng)用于教學(xué)和臨床培訓(xùn)等。

1 3D打印心臟模型的獲得及應(yīng)用

獲得3D打印心臟模型的過(guò)程包括以下步驟：（1）獲取3D打印醫(yī)學(xué)模型的數(shù)據(jù)來(lái)源：可以通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic reso?nance imaging，MRI）和超聲波（B超）等儀器掃描獲得圖像數(shù)據(jù)并以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and commu?nications in medicine，DICOM）格式存儲(chǔ)。（2）分割圖像：數(shù)據(jù)圖像通過(guò)分割和網(wǎng)格生成工具處理，并轉(zhuǎn)換為可以被三維打印機(jī)識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)STL格式的文件。（3）3D打?。喊呀?jīng)后處理的STL格式文件輸入到3D打印機(jī)內(nèi)進(jìn)行3D打印，最終獲得3D打印心臟模型。

目前有3種3D打印機(jī)常用于醫(yī)學(xué)打印，它們分別是：熔融沉積制造（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）和基于噴射的成型技術(shù)（jetting technoloy，PolyJet）的3D打印機(jī)，各種打印機(jī)各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)研究條件適宜選擇。獲得3D打印模型后，模型可以用于教學(xué)、臨床培訓(xùn)、手術(shù)設(shè)計(jì)和模擬，手術(shù)后，患者的模型數(shù)據(jù)可以用于建立3D心臟數(shù)據(jù)庫(kù)，有利于提高教學(xué)水平及手術(shù)技巧。3D打印心臟模型的獲得及應(yīng)用見圖1。

圖1 3D打印心臟模型的獲得與應(yīng)用Fig.1 Acquisition and application of 3D print heart model

2 心臟模型的數(shù)據(jù)來(lái)源及各自優(yōu)勢(shì)

標(biāo)準(zhǔn)成像方式有超聲心動(dòng)圖、CT、MRI等，可以對(duì)先天性心臟缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)方法在復(fù)雜的先天性心臟缺陷的三維心血管解剖結(jié)構(gòu)的精確成像上可能還不夠。基于CT或MRI數(shù)據(jù)的3D打印心臟模型是比較準(zhǔn)確和直觀的評(píng)估方法，而最近研究表明［10-11］3D心臟超聲數(shù)據(jù)也可以用于3D打印。在這些數(shù)據(jù)源中，CT是診斷復(fù)雜先天性心臟病的一種精確的方法，其超空間分辨率可以清晰地顯示冠狀動(dòng)脈和肺血管等細(xì)小結(jié)構(gòu)。與其他成像方法相比，CT可以更好地顯示原生血管的狹窄和管道通暢與否［12］。相比之下，心臟MRI磁共振圖像空間分辨率及層厚的選擇不及CT，但磁共振有較高的軟組織分辨率［13］。而三維超聲心動(dòng)圖在對(duì)瓣膜運(yùn)動(dòng)及缺陷的詳細(xì)可視化方面優(yōu)于其他成像方式［14-15］，其在經(jīng)濟(jì)、可操作性、便捷性等優(yōu)于CT及MRI，但心臟CT和MRI可以提供更好的血液池與心肌的對(duì)比［16］。

3 3D打印技術(shù)在先天性心臟病診療中的應(yīng)用

3.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于簡(jiǎn)單先天性心臟病近年來(lái)，我國(guó)先心病介入治療發(fā)展迅速，個(gè)性化及精準(zhǔn)化治療深入人心，患者越來(lái)越愿意接受這種創(chuàng)傷小、恢復(fù)快的治療方法。據(jù)研究表明［17］現(xiàn)今大部分動(dòng)脈導(dǎo)管未閉可行介入治療，但在多發(fā)、形狀不規(guī)則和邊緣欠佳的房間隔缺損和多孔的室間隔缺損，選擇適合的封堵器常存在困難，術(shù)中常有更換封堵器的情況，造成醫(yī)療資源的浪費(fèi)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)阜外心血管病醫(yī)院鄭宏團(tuán)隊(duì)［18］在3D打印技術(shù)輔助下經(jīng)皮房間隔缺損封堵方面取得了成功，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方面也取得了突破性進(jìn)展，術(shù)前通過(guò)3D打印的實(shí)物模型上模擬手術(shù)，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)。SO等［19］報(bào)道了1例56歲的已行經(jīng)皮房間隔封堵術(shù)的女性患者封堵器局部咬合不牢，經(jīng)食道超聲顯示出現(xiàn)左向右分流量較大，需再次手術(shù)，采用3D打印技術(shù)對(duì)患者心臟進(jìn)行打印，模擬并指導(dǎo)介入手術(shù)的進(jìn)行，手術(shù)成功。3D打印技術(shù)應(yīng)用于簡(jiǎn)單先天性心臟病的介入治療具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，不僅可以指導(dǎo)經(jīng)皮的先天性心臟病介入手術(shù)，我們也可以嘗試用于經(jīng)胸的先天性心臟病介入手術(shù)，通過(guò)重建心臟及胸廓模型，我們可以于術(shù)前準(zhǔn)確的選擇手術(shù)入路，制定導(dǎo)絲進(jìn)入的角度及封堵器的類型及大小，減少更換封堵器的情況，使手術(shù)更加順利的進(jìn)行。

3.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜先天性心臟病

3.2.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜先天性心臟病心內(nèi)畸形GAREKAR等［20］報(bào)道了從2015年4-9月，對(duì)5例右室雙出口（double outlet right ventricle，DORV）合并VSD室間隔缺損（ventricular septal defect，VSD）患者行心臟CT或MRI并對(duì)患者心臟進(jìn)行3D打印獲得3D打印心臟模型，用于指導(dǎo)心臟手術(shù)策略的制定及手術(shù)規(guī)劃。ANWAR等［21］同樣報(bào)道了3D打印技術(shù)應(yīng)用于DORV患者中，用于精確地理解復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)、規(guī)劃外科手術(shù)、教導(dǎo)學(xué)員和更好地與患者溝通。在VALVERDE等［22］報(bào)道的多中心研究中，也有大量的DORV患者使用3D打印心臟模型指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行，提高手術(shù)的成功率。研究表明在DORV（主動(dòng)脈瓣下室間隔缺損）的這種更簡(jiǎn)單的情況下，左心室可以通過(guò)VSD手術(shù)“擋板”到主動(dòng)脈，但在更復(fù)雜的情況下，VSD與主動(dòng)脈之間的關(guān)系不太清楚，3D打印心臟模型能更為直觀地向我們展示DORV患者心內(nèi)結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，指導(dǎo)個(gè)性化治療。RYAN 等［23］對(duì)法洛四聯(lián)癥（tetralogy offallot，TOF）合并肺動(dòng)脈閉鎖的患者進(jìn)行3D打印，用于探討3D打印技術(shù)識(shí)別MAPCAs位置的新方法，并得出有利于手術(shù)的順利進(jìn)行并減少術(shù)中出血的結(jié)論。最近OLEJNIK等［24］又報(bào)道了3D打印技術(shù)應(yīng)用于TOF，探索3D打印心臟模型在描述發(fā)育不良的右心室流出道及其他毗鄰空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。TOF患兒的預(yù)后主要取決于肺動(dòng)脈狹窄程度及側(cè)支循環(huán)情況。而3D打印心臟模型在顯示右室流出道和側(cè)支循環(huán)中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更好的心臟結(jié)構(gòu)顯露可以讓臨床醫(yī)生更好地制定治療計(jì)劃，改善預(yù)后。

3.2.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜先天性心臟病血管畸形及異常主動(dòng)脈弓中斷（interrupted aortic arch，IAA）是一種罕見先天性血管畸形疾病。這種疾病常伴室間隔缺損并出口隔后不良。VODISKAR等［25］研究了1例新生兒患B型IAA、VSD合并出口隔后不良患者，研究人員對(duì)患者心臟進(jìn)行3D打印，用于研究3D心臟模型輔助醫(yī)生理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)手術(shù)入路。3D打印技術(shù)也有用于完全型大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位（transposition of the great arteries，TGA）診療的研究，TGA是主動(dòng)脈與肺動(dòng)脈在解剖上互換位置，形成體循環(huán)與肺循環(huán)異常的一種先天性血管畸形。VALVERDE等［26］報(bào)道了1例1.5歲的TGA伴VSD，肺動(dòng)脈狹窄的男孩病例，在患者出生1個(gè)月時(shí)，患者行B-T分流手術(shù)，手術(shù)后患者仍有嘴唇紫紺，氧飽和度是80%，研究者對(duì)患者心臟進(jìn)行3D打印，并根據(jù)3D心臟模型對(duì)其進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)及模擬手術(shù)，隨后患者接受了Nikaidoh手術(shù)，手術(shù)非常成功，患兒康復(fù)良好。在主動(dòng)脈縮窄和共同動(dòng)脈干等血管畸形中也有相關(guān)研究，HADEED等［27］研究3D打印技術(shù)應(yīng)用于4例復(fù)雜先天性心臟病患者，其中包含主動(dòng)脈縮窄伴VSD，共同動(dòng)脈干患者，用于手術(shù)模擬及術(shù)式選擇，以更好地進(jìn)行血管畸形的矯正。

3.2.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜先天性心臟病介入治療VELASCO FORTE等［28］對(duì)3例靜脈竇型房間隔缺損伴部分異常肺靜脈引流患者的心臟進(jìn)行3D打印，更準(zhǔn)確地評(píng)估靜脈竇型房間隔缺損和部分異常肺靜脈引流的解剖結(jié)構(gòu)，從而開發(fā)出一種安全的、臨床上有效的介入式插管治療方式。RATNAYAKA等［29］在單心室伴嚴(yán)重肺動(dòng)脈狹窄患者的介入治療中使用了3D打印技術(shù)，3D打印心臟模型用于輔助單心室的介入治療，使得在當(dāng)前治療單心室開放心臟手術(shù)之外提供了一種新的手術(shù)方式。筆者認(rèn)為使用3D打印心臟模型指導(dǎo)先天性心臟病的介入治療，幫助改進(jìn)介入治療的方式和在現(xiàn)有治療方式上提供一種新的治療手段，這將是3D打印在先天性心臟病診治中應(yīng)用的趨勢(shì)。

4 3D打印心臟模型的優(yōu)勢(shì)及不足

4.1 3D打印心臟模型的優(yōu)勢(shì)3D打印心臟模型對(duì)患者心臟的評(píng)估相比于傳統(tǒng)成像方式具有許多優(yōu)勢(shì)，首先，3D打印心臟模型可以很好地減少手術(shù)時(shí)間和并發(fā)癥發(fā)生率。這已在分流病灶、經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈瓣植入術(shù)和主動(dòng)脈縮窄的支架等［14-15，30］臨床術(shù)前決策上進(jìn)行了論證。其次3D打印心臟模型可以幫助心臟外科醫(yī)生形成良好的心臟和大血管空間思維模式，并通過(guò)對(duì)少見病、罕見病模型的觀摩，理解其機(jī)制和產(chǎn)生的血流動(dòng)力學(xué)等病理結(jié)果，豐富其專業(yè)知識(shí)，提高其分析能力和診治能力［31］；另外有研究［32-33］使用心臟模型3D打印技術(shù)融入到基于模擬的先天心臟中疾病和重癥監(jiān)護(hù)培訓(xùn)課程，用于培訓(xùn)年輕住院醫(yī)生和護(hù)士，所以3D打印的心血管異常模型可以作為寶貴的教學(xué)和培訓(xùn)工具。最后，心臟外科醫(yī)生可以根據(jù)3D打印心臟模型進(jìn)行準(zhǔn)確的術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)及模擬［34］，并準(zhǔn)確地測(cè)量分流或通道的長(zhǎng)短及判斷其是否狹窄，這是對(duì)術(shù)中解剖學(xué)的精確描述，以確定把補(bǔ)片放于最符合血流動(dòng)力學(xué)的位置。

4.2 3D打印技術(shù)的不足3D打印技術(shù)盡管理論上在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是無(wú)止境的，但在它的潛力得到充分利用之前，還需要跨越一些障礙。3D打印模型的主要局限性在于它是動(dòng)態(tài)器官的靜態(tài)表示，同時(shí)數(shù)據(jù)集與增益設(shè)置、輪廓檢測(cè)和交互間變化的差異，也可能導(dǎo)致在實(shí)體模型中出現(xiàn)微小的偏差。另外3D打印技術(shù)應(yīng)用還需考慮其成本效益，首先是時(shí)間成本，打印一顆心臟的時(shí)間為15 h，包括分割和快速成型的2～3 h，打印和后處理10 h。其次是物質(zhì)成本，根據(jù)CHD的大小、材料和復(fù)雜性，簡(jiǎn)單模型或復(fù)雜模型的成本可能從500美元到3 500美元不等。最后，制作3D打印心臟模型需要的是整個(gè)團(tuán)隊(duì)的合作，包括心臟外科醫(yī)生、影像科醫(yī)生、3D打印工程師等，需要極大的人力成本［35］。

5 3D打印技術(shù)在心臟外科應(yīng)用的未來(lái)展望

3D打印心臟模型是直觀、準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)物間1∶1的復(fù)制的一種技術(shù)，可以為術(shù)者全方位展示病變部位及其與周邊組織的關(guān)系，指導(dǎo)選擇手術(shù)方式及手術(shù)的路徑設(shè)計(jì)，并且隨著打印材料及技術(shù)的研發(fā)，未來(lái)有望打印出具有一定柔軟性且可切割的甚至是具有生物活性的心臟模型。在本綜述中，我們討論了目前3D打印技術(shù)在先天性心臟病中的應(yīng)用，并介紹了應(yīng)用3D打印技術(shù)在先天性心臟病應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和不足?，F(xiàn)階段，3D打印技術(shù)的應(yīng)用大多局限于診斷與指導(dǎo)治療，而應(yīng)用3D打印技術(shù)指導(dǎo)選擇或制造封堵器和瓣膜個(gè)性化治療方面研究較少。我們相信在3D打印技術(shù)飛速發(fā)展的今天，3D打印技術(shù)在心臟外科的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊與普及，這需要更多的研究及科學(xué)數(shù)據(jù)。