【解析】3D打印技術(shù)在心臟領(lǐng)域的應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)

在30余年的發(fā)展歷程中,，3D打印技術(shù)以巨大的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了建筑,、機(jī)械制造等領(lǐng)域的發(fā)展。隨著材料學(xué)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的進(jìn)步,，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，尤其是在骨科及頜面外科應(yīng)用較多。近年來(lái),，3D打印的心臟模型在心血管學(xué)科的教學(xué),、技術(shù)培訓(xùn)、治療方案制定等方面發(fā)揮了獨(dú)特作用,。本文著眼于3D打印技術(shù)在心血管疾病領(lǐng)域的應(yīng)用，探討這項(xiàng)技術(shù)的潛在價(jià)值,。

心臟的解剖結(jié)構(gòu)精巧而又復(fù)雜,，認(rèn)識(shí)心臟結(jié)構(gòu)需要較強(qiáng)的空間思維能力，而構(gòu)建先天性心臟病的空間結(jié)構(gòu)則難度更大,。3D打印技術(shù)能直觀地展示心臟,，在展示空間結(jié)構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

有研究顯示,，將利用3D打印技術(shù)制作的心臟模型運(yùn)用到心血管專(zhuān)科醫(yī)護(hù)人員教育培訓(xùn)中取得了良好的效果,，加深了其對(duì)心臟疾病的解剖和病理生理特點(diǎn)的理解。心臟外科醫(yī)師培養(yǎng)周期長(zhǎng)已是業(yè)內(nèi)共識(shí),，很大因素是由于心臟獨(dú)特的生理特點(diǎn)和外科操作技術(shù)難度大,，而現(xiàn)實(shí)中缺乏滿意的訓(xùn)練模具也是無(wú)法回避的問(wèn)題,。

3D打印技術(shù)為生產(chǎn)特定疾病的心臟模型提供了可能。Hermsen等利用肥厚性梗阻型心肌病的3D模型模擬手術(shù)與真實(shí)手術(shù)的對(duì)比,，良好的一致性不僅是造模方法的成功,，更對(duì)手術(shù)技術(shù)培訓(xùn)方式提供了新的思路。

另一方面,，由于3D打印技術(shù)能準(zhǔn)確還原心臟結(jié)構(gòu),，利用3D模型在術(shù)前規(guī)劃和制訂手術(shù)方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用在心血管治療領(lǐng)域。以右室雙出口為代表的復(fù)雜先心病為例,，由于不同的解剖類(lèi)型需要采取不同的術(shù)式和治療策略,，3D打印的心臟疾病模型提高了術(shù)者對(duì)復(fù)雜解剖空間關(guān)系的理解，為術(shù)前制訂合理的手術(shù)方案提供了幫助,。

復(fù)雜先心病不僅表現(xiàn)在心內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)的畸形,，也包括心外大血管位置關(guān)系的變異，增加了手術(shù)難度,。3D心臟模型以其清晰顯示大血管位置關(guān)系的優(yōu)勢(shì),，可協(xié)助制定先心病心臟移植手術(shù)和心室輔助裝置植入術(shù)等復(fù)雜手術(shù)方案。此外,，針對(duì)心臟腫瘤等少見(jiàn)疾病的外科治療中,，3D模型可以準(zhǔn)確顯示瘤體大小、位置及與周?chē)�結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系,，為規(guī)劃手術(shù)策略提供幫助,。

對(duì)于缺損邊緣短小的房間隔缺損病例，在3D打印模型上進(jìn)行封堵測(cè)試可以篩選適合病例,，使更多可能的患者獲益于微創(chuàng)治療,。在左心耳封堵的病例中，利用3D模型可以在術(shù)前更為準(zhǔn)確地測(cè)量各徑線,，提前選定擬用封堵器型號(hào),，準(zhǔn)確預(yù)估封堵效果，顯著減少手術(shù)時(shí)間,。利用3D模型模擬經(jīng)皮二尖瓣環(huán)成形術(shù)和經(jīng)皮主動(dòng)脈瓣植入術(shù),，可以更詳細(xì)地規(guī)劃手術(shù)方案、路徑,、特殊器材,，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3D打印模型在心血管疾病的診治中發(fā)揮了獨(dú)特的作用,，但也有自身的不足需要改進(jìn),。首先，模型精細(xì)程度有待加強(qiáng),。目前,，3D建模數(shù)據(jù)來(lái)源于臨床的超聲,、CT、磁共振成像(MRI)檢查,，然而這些檢查都存在各自的局限性,。超聲檢查的空間分辨率不足，對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示不清,；CT檢查輻射量較大,，部分碘過(guò)敏患者無(wú)法進(jìn)行增強(qiáng)CT掃描，而且CT檢查無(wú)法清晰顯示瓣膜,、軟組織等結(jié)構(gòu),；MRI檢查時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，體內(nèi)有金屬植入物的患者無(wú)法進(jìn)行,。

在大部分研究中均以CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建模,，其心臟模型不能很好地體現(xiàn)瓣膜、房間隔缺損的軟邊,、室間隔缺損的囊袋等結(jié)構(gòu),。其次，打印材料有待改進(jìn),。由于技術(shù)條件的限制和心臟結(jié)構(gòu)的周期性變化,，使3D模型完全模擬真實(shí)心臟還有很大的差距，且制作模型的時(shí)間較長(zhǎng),、成本較高,。

最重要的是3D打印技術(shù)在心血管領(lǐng)域尚未帶來(lái)革命性的變化。早在20年前,，影像重建技術(shù)已經(jīng)能讓我們?cè)谄聊恢锌吹饺�維的圖像,，而且可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)從不同的角度觀察心臟。

近年來(lái),，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,，使我們可以在電腦屏幕中任意切割心臟，并觀察不同切面的三維圖像,。相較而言,，3D打印模型不過(guò)是把屏幕中的圖像變成可以在手上把玩的模型而已。

部分專(zhuān)家認(rèn)為3D打印是"噱頭"的根本原因在于3D打印沒(méi)有真正改變治療方式及治療效果,，在沒(méi)有3D打印的情況下,，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕中的三維圖像,，同樣可以達(dá)到相同的治療方案及效果,。例如，在右室雙出口的病例中,，根據(jù)三維圖像判斷不能建立內(nèi)隧道的患者,，并不能通過(guò)3D打印的模型模擬手術(shù)后推翻上述判斷,，進(jìn)而改變手術(shù)方式。

可見(jiàn)3D打印顯示空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有給心臟醫(yī)師帶來(lái)太多驚喜,，因此3D打印在心血管領(lǐng)域應(yīng)用的重點(diǎn)在于體外測(cè)試功能,，即在打印出來(lái)的模型中模擬治療，以制定不同的治療方案,，而上述模型的精細(xì)程度及材料的仿真性能是制約其體外測(cè)試功能的關(guān)鍵,。

例如，用3D打印來(lái)指導(dǎo)左心耳封堵術(shù),，雖然打印出來(lái)的心耳與三維重建的圖像相比并無(wú)優(yōu)勢(shì),，但是可以在心耳中植入封堵器，測(cè)試其穩(wěn)定性,。不過(guò)受打印材料硬度的限制,，封堵器穩(wěn)定性的測(cè)試并不十分可靠，更重要的是,，沒(méi)有證據(jù)表明使用3D打印模型選擇的封堵器比使用傳統(tǒng)方法選擇的封堵器具有更好的效果,。

更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)來(lái)自心血管疾病的特殊性，由于心血管領(lǐng)域的植入設(shè)備相對(duì)復(fù)雜,，心臟外科植入的瓣膜要求有良好的血流動(dòng)力學(xué)性能,，經(jīng)導(dǎo)管植入技術(shù)要求植入設(shè)備可以壓縮裝載在導(dǎo)管內(nèi)。所以當(dāng)骨科領(lǐng)域已經(jīng)能夠?yàn)榛颊叽蛴�個(gè)性化骨塊并植入體內(nèi)完成治療的時(shí)候,，3D打印在心血管領(lǐng)域的應(yīng)用仍局限在結(jié)構(gòu)展示和體外測(cè)試方面,，其應(yīng)用受到極大的限制。

心血管疾病有其特殊性,，只有充分考慮這種特殊性,，3D打印才能避免淪為"噱頭"。在3D打印應(yīng)用在心血管領(lǐng)域的大潮中,，我們的團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持應(yīng)用3D打印改變治療模式及效果的原則,，并倡導(dǎo)"3D＋"的概念。如果3D打印技術(shù)不能提供優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的效果,，更精細(xì)的模型,，更優(yōu)良的材料，則只能增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),。

3D打印技術(shù)僅僅提供空間結(jié)構(gòu)及體外測(cè)試優(yōu)勢(shì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足臨床需求的,，只有將3D打印技術(shù)與其他新技術(shù)結(jié)合起來(lái)才能發(fā)揮巨大的作用，正如互聯(lián)網(wǎng)要與金融,、物流,、社交、娛樂(lè)等相結(jié)合,，其互聯(lián)互通的作用才能得到發(fā)揮,。在"3D＋"的時(shí)代,，各種新技術(shù)將與3D打印技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其體外測(cè)試功能,，為患者提供新的治療手段,。

例如，對(duì)于多發(fā)房間隔缺損的患者,，雖然在3D打印模型上我們可以制定最佳治療方案：選擇最佳封堵孔,，最佳封堵器類(lèi)型及尺寸，但是我們實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)最佳治療方案,。傳統(tǒng)的介入治療使用放射線引導(dǎo),，而放射線無(wú)法分辨最佳封堵孔的位置。

所以3D打印本身并不能改變多發(fā)房間隔缺損的治療模式及效果,，只有在3D打印的基礎(chǔ)上,，應(yīng)用超聲引導(dǎo)經(jīng)皮介入技術(shù)，才能在超聲的幫助下進(jìn)入最佳封堵孔,，并實(shí)現(xiàn)3D打印制定的治療方案,，從而在臨床上改變多發(fā)房間隔缺損的治療效果。

隨著自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,，應(yīng)用"3D＋"的概念將3D打印技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合,，3D打印將擺脫"噱頭"形象，改變心血管疾病的治療模式及效果,。國(guó)家心血管病中心在3D打印技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作,，在采集技術(shù)、材料研發(fā),、體外測(cè)試平臺(tái),、打印設(shè)備微型化等方面進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)，為3D打印技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持,。未來(lái)隨著影像及電生理采集技術(shù)的進(jìn)步,，3D打印將不僅僅模擬心臟的三維結(jié)構(gòu)，而是可以同時(shí)展示心臟的傳導(dǎo)系統(tǒng),，幫助外科醫(yī)師規(guī)劃縫合路徑,，幫助電生理醫(yī)師定位消融位點(diǎn)。

隨著體外測(cè)試技術(shù)及細(xì)胞材料的進(jìn)步,，3D打印模型將獲得運(yùn)動(dòng)功能,，可以在模型上測(cè)試手術(shù)后的血流動(dòng)力學(xué)，大大提高手術(shù)方案的準(zhǔn)確性,。隨著材料學(xué)的進(jìn)步,，未來(lái)心血管領(lǐng)域?qū)⑾窆强祁I(lǐng)域一樣可以為患者打印個(gè)性化的植入設(shè)備，例如為嚴(yán)重鈣化的主動(dòng)瓣狹窄患者打印個(gè)性化的無(wú)縫合瓣膜，可以有效避免瓣周漏及心臟破裂等并發(fā)癥,。

隨著打印設(shè)備的小型化，精細(xì)化,，將與導(dǎo)管技術(shù)相結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)打印。人們將不再滿足于定制個(gè)體化的植入設(shè)備,，而是將微型化的打印設(shè)備直接送入體內(nèi),，在打印個(gè)性化設(shè)備的同時(shí)完成植入，例如主動(dòng)脈夾層累及重要分支,、左右肺動(dòng)脈狹窄,、冠脈分叉病變的患者均可以在體打印分叉支架。3D打印將成為真正的治療手段,，而不再是一個(gè)旁觀者和測(cè)試者,，更不再是"噱頭"。

3D打印技術(shù)并不是新鮮事物,，只有與臨床需求相結(jié)合,，以改變治療模式及臨床療效為目標(biāo)，才能在心血管治療領(lǐng)域發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值,。在3D＋時(shí)代,，3D打印技術(shù)將與其他技術(shù)相結(jié)合，改變傳統(tǒng)的治療模式,，提高心血管疾病的診療效果,，更好地造福廣大心血管病患者。

作者：潘湘斌
文章來(lái)源：中華醫(yī)學(xué)雜志
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