3D 打印技术在经导管主动脉瓣置换术中的应用

丁鹏 徐臣年 杨剑

1 引言

3D打印技术又称为快速成型技术或者增材制造技术，是通过3D打印机运用金属、高分子材料、光敏树脂等将数字信号转换成具有一定物理特性的实物模型的过程。这项技术被引入到医学领域已经接近30年的时间［1-2］，其最早主要被应用于骨科及颌面外科，并且在辅助制造手术导板以及个性化移植物包括颅骨、下颌骨、义齿及人工关节的打印方面技术已经相对成熟［3-5］。近年来，3D打印技术开始被越来越多地应用到心血管疾病的临床诊治过程中。介入治疗方面，无论是在先天性心脏病（先心病）介入治疗、主动脉窦瘤介入封堵、心房颤动（房颤）左心耳封堵过程中，还是在二尖瓣、主动脉瓣疾病介入换瓣过程中，3D打印技术都显示出了积极的作用［6-10］。外科手术方面，对于解剖结构复杂尤其是有心脏手术疾病史、解剖结构变异较大的患者，3D打印技术往往在术前诊断以及手术方案制定方面能发挥重要的作用［11］。经导管主动脉瓣置换术（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）作为近年来心血管领域的一项热门新技术［12］，其微创、不需要开胸及建立体外循环的特点为许多中重度高危主动脉瓣疾病患者提供了新的治疗途径。2017年美国心脏协会（American Heart Association，AHA）/美国心脏病学会（American College of Cardiology，ACC）更新了2014年心脏瓣膜病患者的管理指南，已经将其列为不能耐受外科手术的严重主动脉瓣狭窄患者（Ⅰ，A）［13］。TAVR术前评估、术后随访等过程均对影像学检查有着极高的依赖性。常用的检查手段如经胸超声心动图（transthoracic echocardiography，TTE）、经食管超声心动图（transesophageal echocardiography，TEE）、计算机断层扫描（CT）等给予临床医师极大的帮助［14-17］，但也需要医师具有较强的空间想象能力才能发挥其作用。3D打印技术因具有直观、形象、能三维角度地用实物展现心脏结构的特点，给医师提供了又一个可以依靠的辅助工具。本文回顾近年来3D打印技术在TAVR中的应用，并简要分析目前存在的问题，旨在为这项技术的科学应用提供帮助。

2 3D 打印在TAVR 中的应用

2.1 精确呈现解剖结构

术前评估和手术方案制定是TAVR过程中最重要的一个环节。准确地测量瓣环大小、冠状动脉开口高度、左心室流出道及升主动脉直径等重要参数，精确地展现各解剖结构的相互位置关系以及钙化分布等重要形态学特点，对于提高手术成功率起着决定性的作用。高分辨率CT可以较为准确地提供临床医师所需要的相关信息，是目前临床上应用最为广泛的影像学评估手段。与二维影像学检查手段相比，3D打印技术优势在于能够更为立体和直观地呈现解剖结构，临床医师不需要依靠复杂的空间想象就可以轻松地了解到患者主动脉根部的解剖学特点［18-19］。Maragiannis等［8］对8例严重主动脉瓣狭窄患者的主动脉根部3D打印模型研究显示，模型对解剖学特点包括钙化分布、瓣叶厚度以及瓣环形状等进行了良好的复制。Ripley等［20］研究同样显示3D打印的主动脉根部模型是高度精确的，其瓣环测量结果与相应的2D数据基本吻合。对于解剖结构更为复杂的特殊病例，3D打印技术优势则能更充分显示出来［21］。Schmauss等［22］对1例准备行TAVR的严重瓷化主动脉患者在术前进行了3D模型的打印，用以辅助手术方案制定。研究者认为了解重要结构的精确解剖位置并对手术可能出现的困难进行提前准备可以降低围术期风险。Gallo等［21］报道了1例合并多种疾病的高龄患者成功接受TAVR。该患者曾因累及升主动脉及头臂干的主动脉瘤接受手术治疗，其主动脉根部结构非常复杂。为评估并降低头臂干堵塞的风险，术者使用了3D打印模型辅助术前准备并最终取得了满意的手术效果。笔者所在空军军医大学第一附属医院心血管外科微创治疗团队自2015年开展TAVR以来，已逐步将3D打印技术应用到患者的术前评估和手术方案制定过程中，3D模型精准显示了患者的病变类型、严重程度及局部解剖结构等重要信息（图1）。

2.2 建立体外模拟手术平台

与其他模拟平台相比，利用3D打印技术建立的体外模拟平台不仅在成本方面更具优势［23］，还能在其他更多方面为TAVR提供帮助。（1）可以用来进行术前演示：目前临床上所使用的大部分TAVR瓣膜均为不可回收瓣膜。对于少数可回收瓣膜，多次的撤回、释放也会增加血管损伤等并发症的风险，这就要求术者必须在仅有的机会中完成最佳的瓣膜释放。利用体外模拟平台，进行有效的体外实验，不仅能在术前验证手术方案的安全性和有效性，还能帮助术者积累更多的经验，提高手术成功率。空军军医大学第一附属医院心血管外科微创治疗团队应用3D打印的主动脉根部模型，通过球囊扩张于体外进行模拟TAVR，评估了患者冠状动脉堵塞并发症的风险，顺利开展TAVR（图2），并于2018年中国结构周面向全国进行转播。Rotman等［24］设计的一款用于体外模拟TAVR的新型装置Replicator，其核心组成部分就是基于3D打印技术得到患者特异的主动脉根部模型，与之前普遍应用的简化模拟装置相比，该装置特异度更高，对解剖结构的模拟也更为精确。（2）模拟测量患者手术前后的血流动力学情况：阻碍体外实验对主动脉瓣血流动力学状况进行精确模拟的最大问题是用于3D打印的多聚合材料与人体组织在力学特性上的不匹配。Qian等［25］将正弦光纤嵌入到柔软的聚合物基质中，通过调整嵌入式正弦光纤的波长、振幅和光纤直径，观察材料的应力-应变关系，找到其应变-硬化特性与人体主动脉组织最相符的状态，用此种材料进行3D打印得到的模型在进行血流动力学模拟的可信度更高。（3）可以对于TAVR术后瓣周漏的预测发挥一定的作用［20，26］：瓣周漏是TAVR术后最常见也是最严重的并发症之一，虽然随着人工瓣膜的持续改进以及术者经验的不断积累，其发生率呈持续下降的趋势［27］，但是目前仍是影响患者生存率的最大危险因素。Qian等［28］利用3D打印技术建立了量化预测TAVR术后瓣周漏的仿真模型，引入的一个TAVR术后瓣环形变大小的指标“瓣环凸起指数”，在预测TAVR术后瓣周漏的发生率、严重情况以及发生位置上具有重要价值。

图1 空军军医大学第一附属医院心血管外科的微创治疗团队利用3D 打印模型精确呈现主动脉根部解剖结构 A.主动脉瓣二叶式畸形伴狭窄患者术前3D 打印模型侧面观；B.主动脉瓣二叶式畸形伴狭窄患者术前3D 打印模型正面观；C.主动脉瓣关闭不全患者术前3D 打印模型侧面观；D.主动脉瓣关闭不全患者术前3D 打印模型正面观；E.Venus-A 瓣膜释放后主动脉根部3D 打印模型侧面观；F.Venus-A 瓣膜释放后主动脉根部3D 打印模型剖面图

图2 空军军医大学第一附属医院心血管外科的微创治疗团队应用3D 打印技术辅助开展经导管主动脉瓣置换术 A.复合材料3D 打印主动脉根部模型，导入球囊；B.球囊扩张于体外进行模拟经导管主动脉置换术，评估患者的冠状动脉堵塞风险

2.3 医师培训和医患沟通

国内第1例TAVR由上海中山医院葛均波院士在2010年完成。自此之后，这项技术在中国得到了较为快速的发展［29］，目前国内已有多家医学中心能够独立开展TAVR。但是中国中高危主动脉瓣疾病的患者人群十分庞大，要想使这项技术惠及更广泛的患者群，就应该加强技术的普及，让更多的年轻医师加入到TAVR的行列中来。然而，TAVR所涉及的主动脉根部结构变化相对复杂，对于临床经验相对缺乏的年轻医师来说，仅凭二维图像和空间想象来完全理解这些复杂的解剖结构以及瓣膜释放过程并不容易。3D打印技术的出现能够很好地解决这一问题，其对解剖结构的精确呈现能帮助医师迅速了解患者的疾病特点、术中可能存在的风险以及每一步操作的关键点，而利用主动脉根部模型进行体外手术模拟，使培训者对TAVR进一步直接体验。此外，良好的医患交流也是提高TAVR流程中的一个重要部分，对争取家属配合、增强医患互信，进而提升手术成功率起着潜移默化的作用。一般的宣教方式通常是发放纸质教育资料、观看手术模拟视频等，这些宣教只针对主动脉瓣狭窄或关闭不全的整个病种而不针对患者个体，患者和家属在文化水平上的差异也容易导致在理解、学习、依从性方面产生偏差，难以达到预期效果。3D打印技术能创造出患者特异的主动脉根部模型，医师能通过它的帮助对整个TAVR流程以及风险进行详细的讲解和说明，不仅能够提升医患沟通的效率，还能取得患者的信任，化解医患之间的误解和矛盾，减少医患纠纷。

3 3D 打印技术应用于TAVR 尚需解决的问题

经过近几年的发展，3D打印技术在TAVR中的应用越来越广泛和深入，但是要想进一步提升其作用，还需要开展许多工作。（1）寻找合适的3D打印模型材料：目前用于3D打印TAVR模型的材料主要是光敏树脂，这种材料由聚合物和单体组合而成，具有流动性及瞬间光固化的特性以及强度大、耐高温、防水等优点，是3D打印光固化型高精度产品的首选材料。但是，光敏树脂也同样存在着成本高、易变性、力学特性与心血管组织不匹配等问题。研发理想的3D打印心血管材料，是目前一个亟需解决的问题。（2）提高3D打印模型的准确性：主要包括进一步提升影像数据的分辨率、探索多种来源影像资料的综合利用以及强化临床医师与3D打印建模技师之间的沟通交流等［30］。（3）加强3D打印技术在TAVR中应用的临床研究：3D打印技术对于缩短TAVR手术时间、降低术后住院时间、提高手术成功率以及减少术后并发症等方面的作用还有待大样本量、证据等级更高的临床研究加以探索。

4 总结

3D打印技术的引入给医学的发展带来了新的变革，其在骨科、颌面外科中的应用已经给医师和患者带来了实实在在的获益。这项技术在心血管领域的发展目前仍处于起步阶段。对于TAVR来说，3D打印技术在呈现解剖结构、建立体外手术模拟平台以及辅助宣教等方面的优势正在不断被发现。虽然目前在材料研发、模型优化以及临床研究等方面还存在着许多需要完善的工作，但是随着影像学和计算机技术的飞速发展，3D打印的精度和仿真程度将会不断提高，各方面的限制也会不断被突破，3D打印技术在TAVR中的应用会具有更广阔的前景。