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    3D打印技術在心臟領域的應用前景和挑戰

    文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2018/8/1     瀏覽次數:    

      在30余年的發展歷程中,3D打印技術以巨大的優勢推動了建筑、機械制造等領域的發展。隨著材料學和醫學影像學的進步,3D打印技術逐漸應用于醫學領域,尤其是在骨科及頜面外科應用較多。

      近年來,3D打印的心臟模型在心血管學科的教學、技術培訓、治療方案制定等方面發揮了獨特作用。本文著眼于3D打印技術在心血管疾病領域的應用,探討這項技術的潛在價值。
      心臟的解剖結構精巧而又復雜,認識心臟結構需要較強的空間思維能力,而構建先天性心臟病的空間結構則難度更大。3D打印技術能直觀地展示心臟,在展示空間結構方面具有明顯的優勢。
      有研究顯示,將利用3D打印技術制作的心臟模型運用到心血管??漆t護人員教育培訓中取得了良好的效果,加深了其對心臟疾病的解剖和病理生理特點的理解。心臟外科醫師培養周期長已是業內共識,很大因素是由于心臟獨特的生理特點和外科操作技術難度大,而現實中缺乏滿意的訓練模具也是無法回避的問題。
      打印技術為生產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模型模擬手術與真實手術的對比,良好的一致性不僅是造模方法的成功,更對手術技術培訓方式提供了新的思路。
      另一方面,由于3D打印技術能準確還原心臟結構,利用3D模型在術前規劃和制訂手術方案已經廣泛應用在心血管治療領域。以右室雙出口為代表的復雜先心病為例,由于不同的解剖類型需要采取不同的術式和治療策略,3D打印的心臟疾病模型提高了術者對復雜解剖空間關系的理解,為術前制訂合理的手術方案提供了幫助。
      復雜先心病不僅表現在心內解剖結構的畸形,也包括心外大血管位置關系的變異,增加了手術難度。3D心臟模型以其清晰顯示大血管位置關系的優勢,可協助制定先心病心臟移植手術和心室輔助裝置植入術等復雜手術方案。此外,針對心臟腫瘤等少見疾病的外科治療中,3D模型可以準確顯示瘤體大小、位置及與周圍結構的毗鄰關系,為規劃手術策略提供幫助。
      對于缺損邊緣短小的房間隔缺損病例,在3D打印模型上進行封堵測試可以篩選適合病例,使更多可能的患者獲益于微創治療。在左心耳封堵的病例中,利用3D模型可以在術前更為準確地測量各徑線,提前選定擬用封堵器型號,準確預估封堵效果,顯著減少手術時間。利用3D模型模擬經皮二尖瓣環成形術和經皮主動脈瓣植入術,可以更詳細地規劃手術方案、路徑、特殊器材,減少手術風險。
      打印模型在心血管疾病的診治中發揮了獨特的作用,但也有自身的不足需要改進。首先,模型精細程度有待加強。目前,3D建模數據來源于臨床的超聲、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,對細微結構顯示不清;CT檢查輻射量較大,部分碘過敏患者無法進行增強CT掃描,而且CT檢查無法清晰顯示瓣膜、軟組織等結構;MRI檢查時間過長,體內有金屬植入物的患者無法進行。
      在大部分研究中均以CT數據為基礎建模,其心臟模型不能很好地體現瓣膜、房間隔缺損的軟邊、室間隔缺損的囊袋等結構。其次,打印材料有待改進。由于技術條件的限制和心臟結構的周期性變化,使3D模型完全模擬真實心臟還有很大的差距,且制作模型的時間較長、成本較高。
      最重要的是3D打印技術在心血管領域尚未帶來革命性的變化。早在20年前,影像重建技術已經能讓我們在屏幕中看到三維的圖像,而且可以通過旋轉從不同的角度觀察心臟。
      近年來,計算機技術的快速發展,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。
      部分專家認為3D打印是"噱頭"的根本原因在于3D打印沒有真正改變治療方式及治療效果,在沒有3D打印的情況下,通過計算機屏幕中的三維圖像,同樣可以達到相同的治療方案及效果。例如,在右室雙出口的病例中,根據三維圖像判斷不能建立內隧道的患者,并不能通過3D打印的模型模擬手術后推翻上述判斷,進而改變手術方式。
      可見3D打印顯示空間結構的優勢并沒有給心臟醫師帶來太多驚喜,因此3D打印在心血管領域應用的重點在于體外測試功能,即在打印出來的模型中模擬治療,以制定不同的治療方案,而上述模型的精細程度及材料的仿真性能是制約其體外測試功能的關鍵。
      例如,用3D打印來指導左心耳封堵術,雖然打印出來的心耳與三維重建的圖像相比并無優勢,但是可以在心耳中植入封堵器,測試其穩定性。不過受打印材料硬度的限制,封堵器穩定性的測試并不十分可靠,更重要的是,沒有證據表明使用3D打印模型選擇的封堵器比使用傳統方法選擇的封堵器具有更好的效果。
      更嚴峻的挑戰來自心血管疾病的特殊性,由于心血管領域的植入設備相對復雜,心臟外科植入的瓣膜要求有良好的血流動力學性能,經導管植入技術要求植入設備可以壓縮裝載在導管內。所以當骨科領域已經能夠為患者打印個性化骨塊并植入體內完成治療的時候,3D打印在心血管領域的應用仍局限在結構展示和體外測試方面,其應用受到極大的限制。
      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打印應用在心血管領域的大潮中,我們的團隊堅持應用3D打印改變治療模式及效果的原則,并倡導"3D+"的概念。如果3D打印技術不能提供優于傳統技術的效果,更精細的模型,更優良的材料,則只能增加患者的經濟負擔。
      打印技術僅僅提供空間結構及體外測試優勢是遠遠不能滿足臨床需求的,只有將3D打印技術與其他新技術結合起來才能發揮巨大的作用,正如互聯網要與金融、物流、社交、娛樂等相結合,其互聯互通的作用才能得到發揮。在"3D+"的時代,各種新技術將與3D打印技術相結合,充分發揮其體外測試功能,為患者提供新的治療手段。
      例如,對于多發房間隔缺損的患者,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,最佳封堵器類型及尺寸,但是我們實現不了這個最佳治療方案。傳統的介入治療使用放射線引導,而放射線無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房間隔缺損的治療模式及效果,只有在3D打印的基礎上,應用超聲引導經皮介入技術,才能在超聲的幫助下進入最佳封堵孔,并實現3D打印制定的治療方案,從而在臨床上改變多發房間隔缺損的治療效果。
      隨著自然科學的進一步發展,應用"3D+"的概念將3D打印技術與其他技術相結合,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。國家心血管病中心在3D打印技術領域進行了大量的工作,在采集技術、材料研發、體外測試平臺、打印設備微型化等方面進行重點研發,為3D打印技術的發展提供有力的支持。未來隨著影像及電生理采集技術的進步,3D打印將不僅僅模擬心臟的三維結構,而是可以同時展示心臟的傳導系統,幫助外科醫師規劃縫合路徑,幫助電生理醫師定位消融位點。
      隨著體外測試技術及細胞材料的進步,3D打印模型將獲得運動功能,可以在模型上測試手術后的血流動力學,大大提高手術方案的準確性。隨著材料學的進步,未來心血管領域將像骨科領域一樣可以為患者打印個性化的植入設備,例如為嚴重鈣化的主動瓣狹窄患者打印個性化的無縫合瓣膜,可以有效避免瓣周漏及心臟破裂等并發癥。
      隨著打印設備的小型化,精細化,將與導管技術相結合,實現體內打印。人們將不再滿足于定制個體化的植入設備,而是將微型化的打印設備直接送入體內,在打印個性化設備的同時完成植入,例如主動脈夾層累及重要分支、左右肺動脈狹窄、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,而不再是一個旁觀者和測試者,更不再是"噱頭"。
      打印技術并不是新鮮事物,只有與臨床需求相結合,以改變治療模式及臨床療效為目標,才能在心血管治療領域發揮更大的應用價值。在3D+時代,3D打印技術將與其他技術相結合,改變傳統的治療模式,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。
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