3D打印技術(shù)在先天性心臟病中的臨床應(yīng)用

程楊 胡志偉 董念國

先天性心臟病是所有先天性疾病中最常見的種類之一，28%的先天性疾病包含先天性心臟病。大約每1 000個新生兒中就有8例患有先天性心臟病[1]。先天性心臟病手術(shù)的技術(shù)要求非常高，尤其是復(fù)雜的先天性心臟病，因為其病理解剖變化復(fù)雜，部分病例十分罕見，并且心臟較小、血管較細、組織脆弱。研究表明，先天性心臟病手術(shù)后的死亡率和復(fù)發(fā)率受手術(shù)醫(yī)生技術(shù)熟練程度以及醫(yī)生個人和機構(gòu)手術(shù)量的影響[2]。目前，心外科醫(yī)生面臨的不僅是復(fù)雜的先天性心臟病未知的病理結(jié)構(gòu)，并且隨著介入技術(shù)的不斷發(fā)展，一些病理解剖較簡單的先天性心臟病均可在外科介入手術(shù)下完成。這讓心外科醫(yī)師在術(shù)中不斷提升手術(shù)技能的成長路線變成了過去式。有限的動手機會及變化莫測的病理結(jié)構(gòu)使得相對較長的學(xué)習(xí)曲線更是雪上加霜。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，上述問題的解決看見了曙光。

3D打印是一種用于將數(shù)字對象轉(zhuǎn)換成物理模型的技術(shù)。它通過在特定數(shù)字設(shè)計的基礎(chǔ)上，連續(xù)的逐層沉積材料來構(gòu)建任意幾何形狀的結(jié)構(gòu)。第一個3D打印技術(shù)是由查爾斯·赫爾在1986年提出[3]，現(xiàn)在這項技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用蓬勃發(fā)展。3D打印的早期發(fā)展階段便應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要是在頜面外科[4-6]。2000年報道了基于超聲成像的二尖瓣立體光刻打印技術(shù)的應(yīng)用[7]，但是，對于心臟外科而言，近幾年3D打印技術(shù)才開始引起人們的關(guān)注，并不斷進行嘗試應(yīng)用[8-13]?；谏鲜霰尘埃?D打印模型上進行模擬手術(shù)訓(xùn)練，提高手術(shù)操作熟練程度及術(shù)前手術(shù)規(guī)劃，提前制定手術(shù)方案成為了可能。

一、模擬手術(shù)操作訓(xùn)練

對于心外科醫(yī)師，尤其是年輕的心外科醫(yī)師而言，手術(shù)經(jīng)驗的缺乏以及手術(shù)技巧的不成熟，是完成先天性心臟病手術(shù)，降低術(shù)后死亡率，減少術(shù)后復(fù)發(fā)率重大阻礙。面對介入技術(shù)的突飛猛進，在術(shù)中完成手術(shù)技能培訓(xùn)已不再可能。專家學(xué)者們一直在尋求在不損害病人安全的情況下發(fā)展外科醫(yī)生的手術(shù)技能。對于心外科醫(yī)師的培養(yǎng)始終是一個較難解決的問題[14-15]。先天性心臟病特異性的3D打印模型卻可以幫助年輕醫(yī)生快速成長。在2015年的美國胸外科年會上，首次開辦了在3D打印模型上進行先天性心臟病模擬手術(shù)操作訓(xùn)練的課程，隨后在韓國首爾和加拿大多倫多的年會上依次舉行此類課程。3次課程均通過問卷調(diào)查的形式收集參與人員的試驗后觀點，結(jié)果表明，該課程有助于提高他們的外科技能，并贊同在住院醫(yī)師的培訓(xùn)計劃中納入該課程[16]。至此，使用3D打印模型針對心外科醫(yī)師進行模擬手術(shù)操作訓(xùn)練，提高外科手術(shù)能力的研究在全世界席卷開來。Hussein等[17]研究表明，以大動脈轉(zhuǎn)位為基礎(chǔ)建立了3D打印模型，對30位年輕醫(yī)生進行模擬手術(shù)訓(xùn)練并錄像，然后針對錄像中的操作，包括手術(shù)的流暢性、手術(shù)技術(shù)的知識儲備以及對組織的保留進行評分，同時記錄手術(shù)時長。該研究結(jié)果顯示，80%的外科醫(yī)生均比第1次操作有所改善。與第1次操作相比，第2次操作的平均總分提高了17分。所有的外科醫(yī)生在第2次操作時明顯更快，與第1次相比，第2次的平均時間縮短了22分19秒。由此可見，使用3D打印心臟模型培訓(xùn)后的手術(shù)操作的精確性與熟練度均明顯改善。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為開展先天性心臟病外科醫(yī)師的手術(shù)技能培訓(xùn)提供了革命性的技術(shù)支持，安全而高效的培訓(xùn)課程推動了外科醫(yī)師的成長速度，縮短了成長周期。

二、術(shù)前規(guī)劃

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、外科治療和介入治療的發(fā)展，先天性心臟病的死亡率在過去幾十年中大幅下降[18]，但由于心臟解剖畸形的復(fù)雜性和多變性，充分理解先天性心臟病，特別是復(fù)雜型先天性心臟病兒童的心臟和大血管的解剖形態(tài)仍具有挑戰(zhàn)性。復(fù)雜型先天性心臟病可合并多種心血管病變，每個確診為復(fù)雜型先天性心臟病的兒童都有其獨特的解剖特點。在進行手術(shù)之前，對每個兒童心臟解剖的全面和直觀理解對于手術(shù)成功率和預(yù)后至關(guān)重要。傳統(tǒng)的成像方法如CT、MRI、超聲心動圖和數(shù)字血管造影可以為先天性心臟病的診斷提供幫助，但在一定程度上它們?nèi)匀痪窒抻诙S顯示。心外科醫(yī)師仍然需要基于他們的經(jīng)驗及空間想象能力以理解復(fù)雜的心臟血管解剖結(jié)構(gòu)。

3D打印對于復(fù)雜型先天性心臟病的術(shù)前規(guī)劃至關(guān)重要。3D打印模型的精確性和有形性使心外科醫(yī)師能夠理解每個病人的獨特解剖結(jié)構(gòu)，結(jié)束了只有術(shù)中才能真實地探查復(fù)雜的心血管解剖結(jié)構(gòu)的時代，實現(xiàn)了術(shù)前就能根據(jù)病人的特定解剖病變個體化地制定相應(yīng)手術(shù)方案，提高了手術(shù)的安全性和修復(fù)的成功率。

目前國內(nèi)外均有針對兒童復(fù)雜的先天性心臟病，使用3D打印模型成功進行個體化建模并進行術(shù)前規(guī)劃[19-20]。其中在Xu等[19]的研究中，共有15例診斷為復(fù)雜型先天性心臟病的病人參與了使用3D打印模型進行術(shù)前規(guī)劃的臨床試驗中，其中包括了主動脈弓離斷、右位主動脈弓、主動脈縮窄、完全型肺靜脈畸形引流等各種類型的復(fù)雜型先天性心臟病。所有的3D模型數(shù)據(jù)均來源于術(shù)前的CT結(jié)果。結(jié)果顯示，同CT結(jié)果相比(13例病人的CT結(jié)果同術(shù)中探查的病理解剖吻合，余2例不符合)，所有的3D打印模型均和術(shù)中所探查的心血管畸形吻合。術(shù)后有1例患兒因低心排血量綜合征死亡，余患兒均順利出院。參與診治的所有心外科醫(yī)師認為，同傳統(tǒng)診療模式相比，個體化的3D打印模型的加入，能夠準確地復(fù)制結(jié)構(gòu)畸形，有利于術(shù)前計劃，并有助于確認或改變他們以前的計劃。

3D打印模型的出現(xiàn)，“簡化”了復(fù)雜型先天性心臟病的診治過程，盡可能避免了因術(shù)前診斷不完善而造成的術(shù)中探查及修復(fù)過程中的“意外”畸形，保證了術(shù)中修復(fù)的成功率。但是目前該研究數(shù)量有限，3D打印模型的應(yīng)用是否有效降低手術(shù)時間、縮短主動脈阻斷時間、減少術(shù)后并發(fā)癥、提高術(shù)后生存率尚未可知。但目前的研究報告已證實3D打印模型有益于復(fù)雜型先天性心臟病的預(yù)后。

三、未來發(fā)展

受限于材料問題，心臟瓣膜組織結(jié)構(gòu)并不能很好的利用3D打印模型展現(xiàn)出來。對于兒童的先天性心臟病而言，瓣膜疾病由于其體積小，組織脆弱，病變復(fù)雜等特性，對于外科醫(yī)生來說，仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。同瓣膜置換術(shù)相比，瓣膜修復(fù)術(shù)具有更好的術(shù)后效果，但是成功的瓣膜修復(fù)需要外科醫(yī)師豐富的外科經(jīng)驗。因此，如何利用3D打印技術(shù)呈現(xiàn)兒童瓣膜疾病的變化，并將其應(yīng)用于臨床外科的診治過程中，是一個值得探討的問題。其次，考慮到費用及技術(shù)等客觀原因，目前尚未將3D打印技術(shù)廣泛推出，仍有大部分心外科醫(yī)師及先天性心臟病患兒不能享受3D打印技術(shù)帶來的幫助。伴隨著技術(shù)的進步和材料的多元化，3D打印技術(shù)終會作為一種常規(guī)技術(shù)廣泛而深入地應(yīng)用于每一種先天性心臟病的診療之中。

四、我院臨床應(yīng)用體會

隨著3D打印技術(shù)在心外科臨床應(yīng)用的不斷成熟及豐碩成果，我科近年來也不斷嘗試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于先天性心臟病的臨床外科診治過程之中，并初步取得理想成果。我們已在部分接診的大動脈轉(zhuǎn)位、主動脈雙弓及冠狀動脈起源異常等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的先天性心臟病患兒中使用該技術(shù)。其中3D打印技術(shù)的源數(shù)據(jù)均來源于患兒的術(shù)前CTA檢查結(jié)果。使用3D打印技術(shù)提前獲取患兒的個體化心臟解剖模型，指引我們的手術(shù)方向，充分縮短了術(shù)中探查異常結(jié)構(gòu)所花費的時間，同時有效地提高了探查的準確性，避免了因術(shù)前診斷及術(shù)中探查的不完善而造成的術(shù)后效果不佳的可能性。同時，我們也不斷向國際看齊，積極推動將3D打印技術(shù)更普遍應(yīng)用于提高我科年輕醫(yī)生的手術(shù)操作能力之中，讓3D打印技術(shù)成為成功診治先天性心臟病患兒的一把利劍。

五、總結(jié)

3D打印技術(shù)問世至今，已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，尤其對心臟外科而言，提供了無數(shù)的可能。先天性心臟病3D打印模型的出現(xiàn)，困擾多年的年輕醫(yī)師外科技能的培訓(xùn)難題的解決看見了曙光，同時心外科醫(yī)師可以在術(shù)前就真實地感受復(fù)雜型先天性心臟病的心血管畸形，為術(shù)中修復(fù)做好充足的準備。