3D打印医学模型在结构性心脏病临床教学中的应用

范粉灵，成革胜，张松林，邵 晖，兰贝蒂，霍晓微，罗晓惠，张玉顺

西安交通大学第一附属医院， 西安 710061

3D打印医学模型在结构性心脏病临床教学中的应用

范粉灵，成革胜，张松林，邵 晖，兰贝蒂，霍晓微，罗晓惠，张玉顺

西安交通大学第一附属医院， 西安 710061

3D打印技术是近年来将计算机三维立体设计图形与逐层打印结合起来形成的一种新技术，可以形象、生动地展示近乎于实体的所有结构特征。而结构性心脏病作为与心脏和大血管结构有关的疾病总称，顾名思义，其核心病理改变为结构的改变，对其理解和分析很大程度上依赖空间思维和展示，因此成为心脏病教学的难点和重点。文章针对结构性心脏病教学中存在的教与学的两难问题，探讨将3D打印技术应用于该类疾病的教学中，通过建立立体的清晰可见的结构性心脏病实体模型，来解释正常或异常心脏及大血管结构改变的病理表型及疾病产生的基本机理，来认识和理解各种结构性心脏病，甚至罕见少见病例畸形。该方法可直观、形象、三维角度地用实物展现结构性心脏病，有助于学生形成良好的心脏和大血管空间思维模式， 并通过对少见病、罕见病模型的观摩，理解其机理和产生的血流动力学等病理结果，丰富其专业知识，提高其分析能力和诊治能力。该教学方法和模型值得在教学中推广应用。

3D打印；结构性心脏病；临床教学；应用效果

结构性心脏病(structural heart disease,SHD)是近几年在心血管领域出现的一个新概念，是指任何心脏结构的异常，任何先天性或获得性的与心脏和大血管结构有关的疾病，有广义和狭义的结构性心脏病之分。广义的结构性心脏病是指除原发心电疾患和循环疾病以外，任何心脏结构的异常，任何与心脏和大血管结构有关的疾病；而狭义的结构性心脏病是指解剖异常引起心脏结构的改变所造成心脏的病理生理变化，包括：①先天性心脏病异常，如室间隔缺损，房间隔缺损，动脉导管未闭等；②瓣膜病(二尖瓣、三尖瓣、主动脉瓣、肺动脉瓣等)；③心肌病(肥厚性心肌病、扩张型心肌病、致心律失常型右室心肌病等)；④心肌梗塞后室间隔穿孔、室壁瘤、疤痕心肌等。其共同特点是均存在心脏解剖结构和血流动力学的异常,尤其以解剖结构异常为主。这些复杂的解剖结构就是心血管疾病学习中的重点和难点，其概念较抽象，多涉及立体空间的多维因素，在有限的教学时间内，多数学生难以理解。因此，如何建立清晰的心脏结构空间概念，清楚地理解结构性心脏病发生的病理生理改变，是心血管教学中需要重点关注的问题。3D打印(three-di- mension print)，也叫做“叠层制造”或“快速成型”，是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等粘合材料，通过逐层打印的方法来构造物体的技术[1]。此技术可以实物打印心脏模型，立体地显示心脏疾病的异常形态，故近年来逐步在结构性心脏病临床诊断与治疗中发挥其突出优势[2]，也给结构性心脏病教学带来了全新而又清晰的教学手段，具有直观易懂的教学效果。

1 3D心脏解剖教学的必要性

心脏、瓣膜及其周围连接的大血管走形是结构性心脏病的第一个难点，也是认识各种心脏病的基石。其困难之处在于必须以空间思维进行想象和理解。以往医学生通过早期解剖学课程对其正常解剖特点有了初步了解，但缺乏细致和针对性学习，对其结构的疾病改变不知所云；之后专业课学习可能通过图片或人工心脏模型观察(如图1所示)，但也仅仅显示的是正常解剖结构及比邻关系，某些角度或模型不能显示内部隐藏的重要结构(如图1所示，主动脉瓣和肺动脉瓣隐藏在血管开口内部，其位置和形态不能展示出来，不能标记出动脉导管、左右心耳等部分位置及结构等)，并且这些基本模型和图片大多受限于生理状况下的正常心脏结构，不能与相应疾病结合起来显示疾病状况下的变异和病理改变，也缺乏不同患者的个体差异和疾病状况(如图1所示)。因此，这些传统的心脏及其大血管教学模型和方法，只有生理心脏结构展示，没有各种病理改变的模型；基本限于学校教学，限于普通医学生、规培医师或轮转医师基础心脏结构教学，而对于心脏专业、尤其是结构性心脏病专业临床教学来说远远不够，存在明显的教与学“两难”局面。

图1 心脏结构模型示意图

近年来，随着放射技术的发展，心动超声及心脏CT、MRI技术为结构性心脏病的个体化理解和空间思维的培养提供了良好的平台，但这些放射介入技术依然只能一个窗面展示一个角度，多个角度多个层次将产生出诸多的2D平面图像，即使经过三维重建模拟出结构性心脏病的病理状态，也只能通过平面或纸张打印展示。而心脏是一个立体结构，对结构异常的检查需要放射和超声医师在头脑中经过“想象”形成三维图像，要求经过诸多年医学放射专业的培训和实践经验，具备比较丰富的临床经验和空间想象能力，理解者需要有丰富的空间思维和心脏解剖学基础。所以，除了较长时间放射专业的人员外，绝大部分医学生、年轻医师、甚至经过多年专业培养的心脏科医师，依然很难透彻了解。也对其诊治和“教”与“学”带来相应的困难。从而出现对放射医师的依赖性极强，甚至5年以下的专业放射医师也往往会因为经验不足、图片角度及伪影等原因，对病理解剖改变做出误判误导，对结构性心脏病专业的带教教师而言更是困难百出，授课者和受课者“一人一世界”，对结构性心脏病的理解掺杂了较多个人的思维和偏差，临床操作带教更是计划性不足，手术的适应证把握、手术方案的制定、术中操作及问题解决以及术后并发症的分析等，都受到一定的限制。

随着3D打印技术逐渐应用于医学领域[3-6]，因其可直观显示物体三维立体结构的优势[7],近年来国外学者将3D打印技术应用于结构心脏病辅助诊断治疗及临床教学之中，如瓣膜置换与成形[8-11]、心脏移植[12]、心脏肿瘤[13-14]以及复杂性先天性心脏病[15-16]等。国内临床专家也进行了初步尝试[5]，不仅为制定更为精确的结构性心脏病治疗方案提供了条件，也为三维心脏解剖教学打下基础，从而克服了放射检测手段不易理解和判断的缺陷。通过一个立体的、1∶1大小的实物模型展现结构性心脏病的病理解剖改变，为结构性心脏病教学从主观想象转变为客观的看得见、摸得着的实物提供了平台。

2 3D打印在先天性心脏病教学中的应用

先天性心脏病可划分为简单先天性心脏病和复杂先天性心脏病，而每一类中所包含的心脏畸形多种多样，每一种先天性心脏病的手术方式与手术难度也千差万别，需要心脏内科医师、心脏外科医师以及超声科医师在术前进行充分的评估和讨论，对临床规培医师和实习医师来说更像是听不可理解的天书，自然也就不可理解因为结构改变导致的血流动力学异常。CT和MRI虽然可以较好地对心脏解剖结构进行描述，但因其立体结构显示局限，某些前后及比邻结构等不能客观体现，对血流动力学的评估更是难以体现，最终通过简单描述后以平面打印结果和平面屏幕解读，在心血管教学中不可用。为了弥补这些缺陷，国内一些学者利用增强CT的数据，经过处理输入3D打印机，最终打印出与术中所见完全相符的心脏模型，显示增大的右心、房间隔缺损、动脉导管未闭以及肺静脉异位引流的位置走形等，从而精准指导临床治疗和诊疗教学示范。我们将3D打印模型应用于先天性心脏病临床教学中。用实物立体显示心脏疾病的异常形态，既可以做为学生授课模型，又可以反复应用于预习、复习和临床操作练习中，获得了良好的教学效果。

实例1(如图2所示)：患者女性，53岁。以“发现心脏杂音12年”主诉来诊，多次不同医院心动超声检查提示：房间隔缺损(下腔型)。术前曾有4个结构性心脏病外科医师、5个介入医师进行评估；8个认为不能介入手术，建议行外科手术治疗，1个认为需要3D打印模型指导下试封堵手术。因患者不接受开胸创伤，再次要求微创介入治疗。故该中心基于其64排CT成像结果，对其病变部位准确测量和重建后3D打印，发现其房间隔下腔缘尽管为0，但边缘厚度18.7 mm，意味着封堵伞的边缘可能搭坐在房间隔下腔缘，防止术后封堵器脱落。最终介入封堵手术成功。

图2 下腔型房间隔缺损3D打印示教模型

3 3D打印技术应用于继发性结构性心脏病教学

如前所述，结构性心脏病包括了任何先天性或获得性的与心脏和大血管结构有关的疾病，所以除了其中最常见的先天性心脏病外，还包括许多后天的结构性心脏病，比如心肌病、心脏肿瘤、主动脉、肺动脉疾病等。其中许多病变并不多见，甚至某些类型较为罕见，治疗和手术对其真实立体结构改变依赖性很强，CT、MRI、B超等检查，多数只能在屏幕上提供二维视野，而其复杂的形态、大小、比邻关系等对于手术的顺利进行而言是一个挑战，更不用说在教学病例分析、教学、讨论等工作中，更是难以实施，大大降低了此类教学的教学质量和师资力量、后备人才等培养。

近年来，3D打印技术的出现，给结构性心脏病的教学示教带来了契机，一些国际医学教学中心已经逐步使用3D打印技术，将变异的心脏和大血管改变，按实际大小打印成模型，用于术前治疗方案评估讨论、专科临床教学及临床实习模型示教中。如：Son等[13]、Schmauss等[14]对疑难病例(如心脏肿瘤)使用CT和MRI数据制作3D心脏模型，通过3D打印，将这种看得见、摸得着、360°视角展现的模型用于术前专家讨论、向手术组人员示教、术中用于临床培训医师指导和交流，最终保证了外科手术的顺利进行。Bauch等[16]将3D打印技术用于患者安装起搏器的术前指导和教学，最终起搏器安装顺利并且正常工作。

该中心也将3D打印模型用于继发的结构性心脏病教学中。如：室间隔穿孔(ventricular septal rup- ture，VSR)，它是急性心肌梗死(AMI)后严重并发症之一,心内科不多见却非常凶险的疾病，占急性心肌梗死患者的1%～2%[17]；单纯药物治疗1周、2个月死亡率分别是50%、87%[18]。手术治疗是公认有效的治疗方法，但术后死亡率高。近年来，随着结构性心脏病技术的发展，介入治疗逐步应用于心梗后室间隔穿孔的修复。但该方法在放射投射影像下进行，对术者要求高，需要丰富的空间想象和空间操作经验，故其发展受到较大限制，而年轻在培医师知识和经验缺乏，很难更快地掌握该操作技术。该科与国际同行同步，将3D打印技术用于心梗后室间隔穿孔的病例模型制造，通过对心脏CT提供的数据制作了室间隔穿孔模型(如图3所示)，不但指导了介入封堵手术治疗，而且将该模型用于临床带教和实践，实现新型临床教学技术的可持续发展。

实例2(如图3所示)：患者男性，65岁。以“急性大面积心梗3天，发现室间隔穿孔1天”主诉来诊，3天前急性心梗死急诊行经皮冠状动脉介入治疗( per- cutaneous coronary intervention，PCI)，术后患者重度心衰难以纠正，心动超声检查提示：近心尖部室间隔穿孔。1周后该中心基于其64排CT成像结果，对穿孔部位准确测量和重建后3D打印，发现最终行介入封堵手术成功。该病例示教前对全班12位临床心内科实习医师随机调查问卷，知晓率为41.6%(5/12)，心动超声图片辨认率33.3%(4/12)，多层CT结果辨认率20.8%(3/12)，3D打印模型辨认率75%(9/12)；示教后重新随机对同一班级12位临床心内科实习医师调查，知晓率为91.6%(11/12)，心动超声图片辨认率41.7%(5/12)，多层CT结果辨认率50%(6/12)，3D打印模型辨认率91.6%(9/12)。教学效果显著，以3D打印模型教学效果最优。

图3 急性心肌梗死后室间隔穿孔3D打印示教模型

4 3D 打印在少见罕见结构性心脏病教学中的应用

心脏结构的变异多种多样， 有些疾病在临床中少见甚至罕见，所以课堂教学中缺乏，可用的教材和教学模型。该中心做为结构性心脏病的教学与临床专业中心，对罕见的其他结构性少见罕见病例，通过3D打印模型，将其栩栩如生地展示给临床培训人员。 主动脉—左室隧道是一种罕见的先天性心脏畸形，其发病率仅占先天性心脏病的0.12%，系指升主动脉与左心室间位于主动脉瓣膜旁侧的异常通道，1961年由Edwards首先报道此病，1963年Levy将其命名为ALVT。我们通过3D打印模型建立主动脉—左室隧道无疑是填补了各级医师的类似罕见少见疾病的知识空白，对其专业知识的丰富有着重要的影响，也对提高和提升专科高层次教学有着重要意义。从而达到影像教学无法达到的教学效果，并且模型可长期反复应用于临床教学及手术培训课程，使得罕见病、少见病的知识和模型不再罕见、少见。

实例3(如图4所示)：患者男性，18岁。以“发现心脏杂音3年”主诉来诊，3年来多次就诊，曾误诊为“先天性主动脉瓣关闭不全”“二尖瓣关闭不全”，最终在该中心心动超声及多层CT诊断为“主动脉—左室隧道”。基于其64排CT成像结果，对主动脉与左室间的异常隧道进行重建后3D打印，最终行介入封堵手术成功。该病例带教过程中对在科临床实习医学生及规培医师9人问卷调查，知晓率为0%(0/9)，心动超声图片辨认率11.1%(1/9)，多层CT结果辨认率33.3%(3/9)，3D打印模型辨认率88.9%(8/9)。医学生及临床规培医师对少见罕见结构性心脏病的知晓率、心动超声的辨认率，甚至经过多层CT扫描后对其结果的辨认率都很低，但对3D打印模型的疾病状态辨认率明显高出以上影像学诊断图示。

图4 主动脉—左室隧道3D打印示教模型

随着3D打印技术的发展，给结构性心脏病教学带来了极好的学习模型，有助于学生理解不同疾病状态下心脏及其连接的大血管结构的改变，突破了传统教学依赖空间想象和思维培养的弊病；同时将3D打印心脏模型应用于结构性心脏病教学，通过重点突出的模拟真实疾病状态模型直观地展现给学生，带领学生亲眼看到疾病的真实状况，由此弥补了常规教学中用抽象的空间思维代替物理的心脏立体空间结构，使得学生学习结构性心脏病更简单、更直观、更具趣味和真实性。

总之，针对结构性心脏病教学中“教”“学”两难的困境，将现代化的3D打印技术应用于临床教学实践，弥补了现有书本、图画、模型，甚至影像学技术在结构性心脏病教学中的缺陷，让学生在理论及正常结构模型基础上，准确理解结构性心脏病的病理结构改变，做到举一反三、融会贯通，为其理解心脏功能改变打好前哨教学。相信随着该模型不断地丰富和应用，一定能够提高结构性心脏病教学的质量。

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Applicationofthree-dimensionprintinginteachingofstructuralheartdisease

FanFenling,ChengGesheng,ZhangSonglin,ShaoHui,LanBeidi,HuoXiaowei,LuoXiaohui,ZhangYushun

TheFirstAffiliatedHospital,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710061,China

3D printing is a new technology developed in recent years that combines computer 3D graph design with layer-by-layer printing. It can vividly present any structural features almost identical to those of the actual objects. Structural heart diseases (SHDs) are a general term referring to diseases related to the structure of the heart and large blood vessels, which means its core pathological changes are structural ones. Therefore, understanding and analysis of them depend greatly on multi-dimensional thinking and demonstration, which have long been a difficult and key point in structural heart diseases teaching. In view of the difficulties in SHDs teaching and learning, this paper discusses ways to apply 3D printing technology in teaching of this type of diseases by constructing clear and visible real SHD models to explain the pathological types of structural changes of normal and abnormal heart and large blood vessels as well as the basic mechanism of the disease so that students can understand various SHDs and even some rare abnormalities. This method can vividly display SHDs with real objects in three dimensions, which helps students develop the spatial thinking mode of heart and large blood vessels. By observing the models of rare diseases, they can understand their mechanism and pathological findings of blood dynamics, enrich their professional knowledge, and improve their abilities to analyze, diagnose and treat SHDs. This teaching method and model are worth popu- larizing in teaching.

3D printing; structural heart disease; clinical teaching; application results

2017-09-03

范粉灵(1969-)，女，陕西咸阳人，副主任医师，博士，主要研究方向：结构性心脏病和肺动脉高压临床与研究。

G434；G642.0

：A

：1004-5287(2017)05-0583-06

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201705025