三維打印技術在經皮冠狀動脈介入治療的應用進展

王慶濤　王玉璟*

三維打印技術在經皮冠狀動脈介入治療的應用進展

王慶濤①王玉璟①*

三維打印技術是在三維圖像指導下，通過逐層和不間斷地疊加特殊材料，進而生成三維實體模型的技術，是近些年來發展非常迅速的一項新技術。三維打印產品已經滲透到生活的方方面面。隨著醫學影像學三維技術和材料工程學的不斷成熟，三維打印技術正在逐步應用到醫療實踐中，其中在骨科、先天性心臟病治療以及瓣膜置換的發展最為成熟。本研究通過討論三維打印技術在醫學領域的應用進展，從技術教學、醫患溝通及手術預演等方面探討三維打印技術在經皮冠狀動脈介入治療中的臨床應用價值和未來的發展。

三維打印；經皮冠狀動脈介入；教學模型；技術教學

［First-author's address］ Department of Cardiology， The First Affiliated Hospital of Yangtze University， Jingzhou 434000，China.

三維打印技術出現在20世紀90年代中期，是指在三維圖像的指導下，將“打印材料”（塑料、樹脂、硅膠及生物材料等）一層層疊加起來，最終將計算機上的三維圖像變成實物的一項新技術。伴隨著三維成像技術和材料工程學的飛速發展，三維打印技術表現出無限的潛能。由于德國三維打印聯盟率先在其國內大力推廣這一技術，使其在三維打印領域一直處于全球領先的地位。之后英國、美國、歐盟以及比利時相繼成立相關研究所，投資巨額資金大力推廣三維技術。2013年5月，我國科技部將三維打印技術納入國家高技術研究發展計劃（863計劃）［1］。此舉為三維打印技術在我國的行業發展提供了契機，是邁入“中國制造”堅實的一步。

1　三維打印技術在醫療領域的應用

三維打印技術的日臻成熟，使其不再局限于“高端科技”的范疇，而是滲入到人們生活的方方面面，如各種高雅藝術品、食品以及各種生活用品和醫療用品，而在醫療應用方面已經是三維打印最重要的發展方向之一。三維打印的最大優勢就是個性化定制，即通過機器掃描物體獲取數字化的模型信息，經過軟件處理后建立其三維模型并進行打印，可實現完美復制或重構；由于不同患者的骨骼、牙齒及器官存在著差異性，故三維打印在醫療領域將其個性定制化的特征發揮得淋漓盡致［2-3］。目前，三維打印在醫療方面的應用包括3大類。

（1）體外醫療器械。主要有各種材料打印的義肢、用于教學和科研的醫療模型、健康輔具以及助聽器等。

（2）定制化永久植入物。使用各種材料（鈦合金、不銹鋼及生物陶瓷等）打印的牙齒、關節、骨骼及軟骨等產品，通過外科手術方法植入。

（3）生物打印。利用生物材料（干細胞、生長因子及各種營養成分等）打印出具有生物活性和生理功能的組織結構，為研制出人體組織替代物奠定了基礎。

2　三維打印技術在心血管方面的應用

隨著影像學檢查技術的迅猛發展，尤其是三維重建技術的出現，醫生可以更加清晰地觀察組織病變的三維立體結構。而且對于許多復雜性先天性心臟病、瓣膜病及大血管類疾病等，其診斷和治療的關鍵在于清晰地認識患者病變部位的解剖結構。但三維重建技術有時也難以清晰和直觀地觀察病變內部的結構，從而給這類疾病診斷及治療帶來極大挑戰。三維打印技術的醫學應用可通過制作病變組織的三維模型，使術者更加直觀的認識病變處的空間解剖結構，幫助制訂外科或介入手術方案，并且在模型上亦可模擬手術過程［4］。

通過斷層掃描，在三維重建的基礎上利用適合的材料打印出心臟模型，是CT及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）作為建模工具的依據。海倫·德沃斯兒童醫院先天性心臟病中心專家發現，用三維經食道超聲心動圖（three-dimensional-trans esophageal echocardiography，3D-TEE）也可以構建出先天性心臟病患者的心臟三維打印模型，并且CT結合3D-TEE可以更準確的打印出心臟模型。CT、MRI以及3D-TEE這3種方法構建出的模型各有優缺點，結合起來可以提高打印的精準度［5］。目前，三維打印技術在經皮冠狀動脈介入（percutaneous coronary intervention，PCI）治療、瓣膜置換、先心病修補、心臟移植以及主動脈瘤支架等方面應用廣泛［6-14］。

3　三維打印技術在PCI治療中的應用

3.1用于科研教學

三維打印技術在PCI治療中醫學生教學和院內青年醫生的專業技術教學應用。

3.1.1醫學生教學

由于二維圖像的局限性，醫學生無法對于接觸到的醫學知識有深入的了解，所以通過具象化的方式將各個組織器官呈現在學生面前，是三維打印應用于教學最好的方式，可激發學生的好奇心和積極性。Costello等［15］探討了高保真三維室間隔缺損模型可促進醫學生對相關知識和概念的了解，同時激發了學生對相關領域醫學知識的興趣，對促進醫學事業的發展起了積極的作用。Preece等［16］發現，當學習各種解剖學知識時，實體三維模型更容易激發學生學習的興趣。將抽象的概念轉化成具體的、可觸及的實物，使學生更加直觀和深刻的認識各種組織器官，包括其內部結構、表面血管走形，尤其是心臟、腦組織及血管網絡等結構比較復雜的器官。心臟的血供豐富，血管走形復雜，內部解剖結構精細是醫學生不易理解的幾大難點，而現有的教學模型較粗糙、內部解剖結構無法顯現是最大的問題。

目前，采用立體光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）光敏樹脂材料的光固化技術三維打印透明的心臟模型，可以清楚看到心臟內部結構和表面血管。同時，國外科學家發現利用生物細胞材料可打印出具有生物活性的心臟，并能夠存活數小時，這是醫學界另一大突破，為將來研究組織器官替代物奠定了基礎［17］。三維心臟建模示意如圖1所示。

圖1　三維心臟建模示意圖

3.1.2PCI專業技術教學

青年醫生是醫學科學事業的中流砥柱，是與患者零距離接觸的臨床醫生，其專業水平直接影響到患者的生命健康，因此培養其專業技術的硬件設施非常關鍵。在PCI治療中，對心內科醫生的專業技術水平要求非常之高，通常需要具備高級職稱且行PCI治療＞10年的醫生方能獨立進行手術。心臟介入的第一步是通過股動脈或者橈動脈路徑進入動脈循環，在此過程中需要避免可能發生的出血、血栓以及動脈內膜剝離等并發癥。由于此血管路徑本身結構復雜，青年醫師對疾病的了解限于對二維圖片的解讀，即使是三維圖像的旋轉，也是多幅二維圖像的連續播放而已，且由于血管間的重疊，無法分辨其真實的空間結構。Miller等［18］利用三維打印技術制造出一種人工搏動血管，高保真的模擬生理狀態下動脈的壓力，使住院醫師能夠更好地加強對介入治療的入門訓練。

三維打印技術可以讓青年醫生更快更好地掌握這門技術，采用SLA光敏樹脂材料的光固化技術三維打印可以構建從股動脈或者橈動脈達到心臟冠狀動脈的完整的路徑，青年醫生不再是通過屏幕上的二維圖像、合成的三維圖像來學習，而是通過模型實際操作，真實的感受利用導絲從外周動脈行至冠狀動脈的過程（如圖2所示）。

圖2　SLA光敏樹脂三維打印原理圖

三維打印技術可以利用生物細胞材料打印出仿真血管，使青年醫生在模擬PCI時感受更加真實。入圍國家“863計劃”的四川藍光英諾生物科技股份有限公司在三維生物打印血管項目上取得了突破性的進展，自主研發了三維生物血管打印機，三維生物血管打印機可以打印血管獨有的中空結構和多層不同種類的細胞，這是世界首創［19］。三維打印技術構建的PCI血管仿真模型作為一種過渡的教學手段，縮短了心血管醫生培養的周期，增加了實際操作的機會，豐富了青年醫生的經驗，PCI血管仿真模型如圖3所示。

圖3　PCI血管路徑心臟建模輸出后心臟和血管模型示圖

3.2用于醫患溝通

醫患溝通是穩定醫患關系最重要的一環，是減少甚至杜絕醫患矛盾糾紛的必由之路，如何進行醫患溝通是一門科學。造成醫患關系不穩定的最主要原因為醫院的醫療費用高、醫患之間不信任、醫生溝通技巧欠佳以及醫患之間信息不通暢等。采用SLA光敏樹脂材料的光固化技術三維打印PCI血管路徑，醫生利用此血管路徑模擬手術中PCI治療過程，將此過程完整地展現在患者的面前，加深患者及家屬對PCI治療過程的了解，為患者及其家屬提供視覺和觸覺上的直觀理解，更好地了解及配合手術治療方案，并可在模擬PCI治療的同時講述在此過程中可能發生的并發癥及相關風險，如血管損傷、心律失常及心力衰竭等。在實體模擬操作PCI的過程中與患者溝通，使患者理解此操作過程的復雜性和不可控性，希望患者理解、支持醫生的工作，可起到緩解醫患矛盾、減少醫療糾紛的作用。

有研究表明，三維打印模型的使用可以顯著提高在醫患溝通中患者及家屬的滿意程度［20］。同時Biglino等［21］還發現結合三維打印與CMR打印出患兒先天心臟病模型，可增進患兒家長與醫師之間的病情交流，讓家長充分了解該疾病的發生進展情況，提高藥物治療依從性，對促進醫患和諧起到積極作用。因此，三維打印模型對改善醫患關系起到重要的輔助作用。使用三維打印模型輔助PCI手術教學流程如圖4所示。

圖4　三維打印模型輔助PCI手術教學流程對比框圖

3.3用于手術預演

三維打印實體模型可以對術前影像進行三維實物重現，其仿真性高，可直觀觀察、分析病變及其與周圍組織及結構的關系，讓醫師真實全面地了解冠狀動脈結構，制定各種手術方案。三維打印技術還可以實現術前個體化設計、進行手術預演、精準手術過程、縮短手術時間、減少醫源性損傷以及提高手術效率等優點，臨床應用價值較高。臨床上已有多個科室將三維打印應用于手術預演，如復雜骨折的內固定、骨骼畸形矯正、心臟瓣膜置換及室間隔封堵等。外科醫師可以直觀的觀察病變部位，而心內科醫師多依靠感覺、經驗操作，故PCI手術對心血管內科醫師要求極高，特別是遇到棘手的患者，比如冠脈多只多處病變，冠脈畸形等，常常會讓心內科醫師底氣不足，沒有十足的把握。采用SLA光敏樹脂材料的光固化三維打印技術，可以通過患者冠狀動脈CT血管造影（CT angiography，CTA）或磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）的掃描數據從而制作患者的PCI血管路徑三維模型，可精確顯示患者的心血管解剖結構，更加直觀的了解冠狀動脈的解剖，狹窄部位和程度。醫師可以利用導絲來進行PCI手術預演，該在何處放置支架，如何放置，從而預測手術難度及手術效果，指導術者進行手術方案的制定。數位心血管專家可以同時進行操作預演，全科室進行病例討論，制定手術方案，探討各自的體驗，增進交流，提高手術成功率。Tam等［22］發現，利用微型品制造、三維打印技術和圖像重建技術可打印具有三維微通道的體外微流體模型，通過模擬冠心病金屬支架植入血管的過程來了解支架放置的最適部位，可最大限度減少支架再狹窄率。Shi等［23］報道，三維技術打印針對不同患者的定制化支架也可降低支架內的再狹窄率，表明三維打印技術結合圖像重建在PCI方向的研究非常具有前景。手術模型效果如圖5所示。

圖5　三維打印模型對應術中模擬操作效果圖

4　三維打印技術展望

三維打印技術不僅可以應用于心臟外科、骨科術前診斷、手術模擬及疾病治療，還可以應用于教學科研和醫患溝通等。依靠三維打印技術實現的模擬手術不僅使醫生充分了解和評估患者病情，更顛覆了傳統的醫學教學模式，使得年輕醫生的成長不再完全依賴于師徒教學。

三維打印技術對結構性心臟病，尤其是對復雜性和特殊的先天性心臟病的診治較其他影像學檢查具有獨到的優勢，但在心血管病內科領域的應用目前尚未深入展開。對冠心病患者而言，最大的價值或許在于PCI治療中的解剖關系顯露及模擬手術入路，幫助了解其內部結構及畸形情況，指導治療策略制定。雖然三維打印技術是一項具有“工業革命”意義的高新制造技術，但作為一項新的技術，三維打印也存在許多問題和不足，也面臨多方面的挑戰，如成本、材料及精細程度等在未來的研究中尚需進一步發展與完善，以更好地發揮其在醫學領域，尤其是心血管疾病研究中的應用價值。

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Application of three-dimensional printing technology in the percutaneous coronary intervention field/

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Under the guidance of three-dimensional images， and the superposition of special material step by step， three-dimensional entity model can be generated. It is a new technology which has been developing rapidly in recent years. Now 3-D printing products has penetrated into every aspect of our lives， at the same time， with the progressing of 3-D imaging technology and materials engineering， 3-D printing technology are gradually applying to medical practice，including the orthopaedics， treatment of congenital heart disease and valve replacement. There are few researches about the 3-D printing technology in the application of percutaneous coronary intervention （PCI）， so the paper is to preliminary explore the application of 3-D printing in PCI from three aspects of technology teaching， doctor-patient communication and surgical planning.

Three-dimensional printing； Percutaneous coronary intervention； Training model； Technical teaching

1672-8270（2016）08-0129-05 ［中圖分類號］R197.39

A

王慶濤，男，（1990- ），碩士研究生，醫師。長江大學附屬第一醫院心內科，從事心血管內科及相關科研工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.041

①長江大學附屬第一醫院心內科 湖北 荊州 434000

496666462@qq.com

2016-05-06