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  • [推荐]3D打印心脏模型技术前景和挑战

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  • JYCYL
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  • 发表于:2018-05-08 15:48:10

在30余年的发展历程中,3D打印技术以巨大的优势推动了建筑、机械制造等领域的发展。随着材料学和医学影像学的进步,3D打印技术逐渐应用于医学领域,尤其是在骨科及颌面外科应用较多。

近年来,3D打印的心脏模型在心血管学科的教学、技术培训、治疗方案制定等方面发挥了独特作用。本文着眼于3D打印技术在心血管疾病领域的应用,探讨这项技术的潜在价值。

心脏的解剖结构精巧而又复杂,认识心脏结构需要较强的空间思维能力,而构建先天性心脏病的空间结构则难度更大。3D打印技术能直观地展示心脏,在展示空间结构方面具有明显的优势。

有研究显示,将利用3D打印技术制作的心脏模型运用到心血管专科医护人员教育培训中取得了良好的效果,加深了其对心脏疾病的解剖和病理生理特点的理解。心脏外科医师培养周期长已是业内共识,很大因素是由于心脏独特的生理特点和外科操作技术难度大,而现实中缺乏满意的训练模具也是无法回避的问题。

3D打印技术为生产特定疾病的心脏模型提供了可能。Hermsen等利用肥厚性梗阻型心肌病的3D模型模拟手术与真实手术的对比,良好的一致性不仅是造模方法的成功,更对手术技术培训方式提供了新的思路。

另一方面,由于3D打印技术能准确还原心脏结构,利用3D模型在术前规划和制订手术方案已经广泛应用在心血管治疗领域。以右室双出口为代表的复杂先心病为例,由于不同的解剖类型需要采取不同的术式和治疗策略,3D打印的心脏疾病模型提高了术者对复杂解剖空间关系的理解,为术前制订合理的手术方案提供了帮助。

复杂先心病不仅表现在心内解剖结构的畸形,也包括心外大血管位置关系的变异,增加了手术难度。3D心脏模型以其清晰显示大血管位置关系的优势,可协助制定先心病心脏移植手术和心室辅助装置植入术等复杂手术方案。此外,针对心脏肿瘤等少见疾病的外科治疗中,3D模型可以准确显示瘤体大小、位置及与周围结构的毗邻关系,为规划手术策略提供帮助。

对于缺损边缘短小的房间隔缺损病例,在3D打印模型上进行封堵测试可以筛选适合病例,使更多可能的患者获益于微创治疗。在左心耳封堵的病例中,利用3D模型可以在术前更为准确地测量各径线,提前选定拟用封堵器型号,准确预估封堵效果,显著减少手术时间。利用3D模型模拟经皮二尖瓣环成形术和经皮主动脉瓣植入术,可以更详细地规划手术方案、路径、特殊器材,减少手术风险。

3D打印模型在心血管疾病的诊治中发挥了独特的作用,但也有自身的不足需要改进。首先,模型精细程度有待加强。目前,3D建模数据来源于临床的超声、CT、磁共振成像(MRI)检查,然而这些检查都存在各自的局限性。超声检查的空间分辨率不足,对细微结构显示不清;CT检查辐射量较大,部分碘过敏患者无法进行增强CT扫描,而且CT检查无法清晰显示瓣膜、软组织等结构;MRI检查时间过长,体内有金属植入物的患者无法进行。

在大部分研究中均以CT数据为基础建模,其心脏模型不能很好地体现瓣膜、房间隔缺损的软边、室间隔缺损的囊袋等结构。其次,打印材料有待改进。由于技术条件的限制和心脏结构的周期性变化,使3D模型完全模拟真实心脏还有很大的差距,且制作模型的时间较长、成本较高。

最重要的是3D打印技术在心血管领域尚未带来革命性的变化。早在20年前,影像重建技术已经能让我们在屏幕中看到三维的图像,而且可以通过旋转从不同的角度观察心脏。

近年来,计算机技术的快速发展,使我们可以在电脑屏幕中任意切割心脏,并观察不同切面的三维图像。相较而言,3D打印模型不过是把屏幕中的图像变成可以在手上把玩的模型而已。

部分专家认为3D打印是"噱头"的根本原因在于3D打印没有真正改变治疗方式及治疗效果,在没有3D打印的情况下,通过计算机屏幕中的三维图像,同样可以达到相同的治疗方案及效果。例如,在右室双出口的病例中,根据三维图像判断不能建立内隧道的患者,并不能通过3D打印的模型模拟手术后推翻上述判断,进而改变手术方式。

可见3D打印显示空间结构的优势并没有给心脏医师带来太多惊喜,因此3D打印在心血管领域应用的重点在于体外测试功能,即在打印出来的模型中模拟治疗,以制定不同的治疗方案,而上述模型的精细程度及材料的仿真性能是制约其体外测试功能的关键。

例如,用3D打印来指导左心耳封堵术,虽然打印出来的心耳与三维重建的图像相比并无优势,但是可以在心耳中植入封堵器,测试其稳定性。不过受打印材料硬度的限制,封堵器稳定性的测试并不十分可靠,更重要的是,没有证据表明使用3D打印模型选择的封堵器比使用传统方法选择的封堵器具有更好的效果。

更严峻的挑战来自心血管疾病的特殊性,由于心血管领域的植入设备相对复杂,心脏外科植入的瓣膜要求有良好的血流动力学性能,经导管植入技术要求植入设备可以压缩装载在导管内。

所以当骨科领域已经能够为患者打印个性化骨块并植入体内完成治疗的时候,3D打印在心血管领域的应用仍局限在结构展示和体外测试方面,其应用受到极大的限制。

心血管疾病有其特殊性,只有充分考虑这种特殊性,3D打印才能避免沦为"噱头"。在3D打印应用在心血管领域的大潮中,我们的团队坚持应用3D打印改变治疗模式及效果的原则,并倡导"3D+"的概念。如果3D打印技术不能提供优于传统技术的效果,更精细的模型,更优良的材料,则只能增加患者的经济负担。

3D打印技术仅仅提供空间结构及体外测试优势是远远不能满足临床需求的,只有将3D打印技术与其他新技术结合起来才能发挥巨大的作用,正如互联网要与金融、物流、社交、娱乐等相结合,其互联互通的作用才能得到发挥。在"3D+"的时代,各种新技术将与3D打印技术相结合,充分发挥其体外测试功能,为患者提供新的治疗手段。

例如,对于多发房间隔缺损的患者,虽然在3D打印模型上我们可以制定最佳治疗方案:选择最佳封堵孔,最佳封堵器类型及尺寸,但是我们实现不了这个最佳治疗方案。传统的介入治疗使用放射线引导,而放射线无法分辨最佳封堵孔的位置。

所以3D打印本身并不能改变多发房间隔缺损的治疗模式及效果,只有在3D打印的基础上,应用超声引导经皮介入技术,才能在超声的帮助下进入最佳封堵孔,并实现3D打印制定的治疗方案,从而在临床上改变多发房间隔缺损的治疗效果。

随着自然科学的进一步发展,应用"3D+"的概念将3D打印技术与其他技术相结合,3D打印将摆脱"噱头"形象,改变心血管疾病的治疗模式及效果。国家心血管病中心在3D打印技术领域进行了大量的工作,在采集技术、材料研发、体外测试平台、打印设备微型化等方面进行重点研发,为3D打印技术的发展提供有力的支持。

未来随着影像及电生理采集技术的进步,3D打印将不仅仅模拟心脏的三维结构,而是可以同时展示心脏的传导系统,帮助外科医师规划缝合路径,帮助电生理医师定位消融位点。

随着体外测试技术及细胞材料的进步,3D打印模型将获得运动功能,可以在模型上测试手术后的血流动力学,大大提高手术方***性。随着材料学的进步,未来心血管领域将像骨科领域一样可以为患者打印个性化的植入设备,例如为严重钙化的主动瓣狭窄患者打印个性化的无缝合瓣膜,可以有效避免瓣周漏及心脏破裂等并发症。

随着打印设备的小型化,精细化,将与导管技术相结合,实现体内打印。人们将不再满足于定制个体化的植入设备,而是将微型化的打印设备直接送入体内,在打印个性化设备的同时完成植入,例如主动脉夹层累及重要分支、左右肺动脉狭窄、冠脉分叉病变的患者均可以在体打印分叉支架。3D打印将成为真正的治疗手段,而不再是一个旁观者和测试者,更不再是"噱头"。

3D打印技术并不是新鲜事物,只有与临床需求相结合,以改变治疗模式及临床疗效为目标,才能在心血管治疗领域发挥更大的应用价值。在3D+时代,3D打印技术将与其他技术相结合,改变传统的治疗模式,提高心血管疾病的诊疗效果,更好地造福广大心血管病患者。