兒童主動脈縮窄3D打印及模擬手術應用一例及文獻復習

冉啟仁 金 鑫 吳 春 雷洪波

主動脈縮窄（coarctation of aorta，CoA）是一種較常見的復雜型先天性心臟病，文獻報道CoA在國內的發病率占所有先天性心臟病的3%～5%，國外則占所有先天性心臟病發病率的5%～8%。CoA常合并心內結構性畸形，部分主動脈縮窄病變涉及主動脈發育不良和變異［1］。其臨床表現多樣，主要取決于主動脈的縮窄程度、有無側枝血管形成、動脈導管是否未閉以及是否合并復雜心內畸形等。主動脈縮窄的診斷途徑主要包括心臟CT、磁共振成像、心臟彩超等，但上述檢查的局限性在于無法立體呈現病變結構的空間影像，特別是對于年輕醫師而言，僅通過二維圖像準確重建病變部位的空間結構及毗鄰關系來確定手術徑路顯得尤為困難。近年來，隨著3D打印技術在各個專科領域的縱深發展，目前已有國內外文獻報道3D打印技術用于兒童復雜先天性心臟病術前模擬手術，并達到預期的手術效果［2－5］。現結合文獻復習對重慶醫科大學附屬兒童醫院一例重度主動脈縮窄伴主動脈三分支起源異常患者應用術前3D打印技術模擬手術治療的全過程進行報道。

患者男，1個月24天，體重4 kg。主訴：發現心臟雜音1月余，咳嗽10余天，氣促、反應差1天，遂收入我院新生兒科。1個月前患者因新生兒肺炎于我院新生兒科住院治療期間行心臟CTA，提示升主動脈直徑約9．6 mm，主動脈弓峽部明顯縮窄，兩端呈線狀連接，距離約2．2 mm，其中近端直徑約4．6 mm，遠端直徑約7．4 mm，降主動脈直徑約6．8 mm，穿膈處約6．7 mm，未見確切動脈導管開放征象。肺動脈主干直徑10．1 mm，大于同層主動脈，左右肺動脈直徑分別為4．5 mm、4．0 mm，未見明顯狹窄或擴張征象。氣道重建示大氣道無明顯異常。影像學診斷：先天性心臟病，主動脈重度縮窄（三分支起源異常），房間隔缺損。超聲心動圖示Ⅱ型房間隔缺2．3 mm，心房水平左向右分流，左位主動脈弓，主動脈弓橫部內徑6．2 mm，左鎖骨下動脈內徑3．1 mm，峽部內徑2．2 mm，血流速4．18 m／s，壓差69．8 mmHg（1 mmHg＝0．133 kPa）。射血分數45%。彩超診斷：主動脈縮窄（重度），房間隔缺損（卵圓孔型）。此次因再發“重癥肺炎伴呼吸衰竭”入院，主要表現為喘息、多汗，喂養困難、反應差。入院后查體：體溫37．3℃，呼吸40次／分，心率200次／分，左上肢血壓65／30 mmHg，左下肢血壓56／34 mmHg，右上肢血壓69／32 mmHg，右下肢血壓54／31 mmHg（1 mmHg＝0．133 kPa），右上肢經皮血氧飽和度98%，右下肢血氧飽和度98%，氣促明顯，雙肺呼吸音粗，雙肺聞及散在粗濕啰音，心前區無凸起，胸骨左緣第2～3肋間聞及3／6級收縮期雜音。腹平軟，肝肋下2 cm可觸及，質軟、邊緣銳、表面光滑，脾臟肋下未觸及，雙側股動脈搏動明顯減弱，雙下肢無水腫，生理反射存在。臨床診斷：主動脈重度縮窄伴房間隔缺損（卵圓孔型），重癥肺炎，呼吸衰竭，內環境紊亂。入院后立即予以氣管插管、糾酸、抗感染、擴容等處理。在醫學3D打印技術的協助下，拷貝患者的DICOM數據，通過軟件合成還原患者的心臟及其大血管三維解剖結構。

通過圖1我們發現，該患者的主動脈縮窄類型不能很好地應用現有的類型進行分類，國內外少見類似報道，其特別之處在于患者的左鎖骨下動脈以及左頸總動脈均從無名動脈上的鄰近位置發出，主動脈弓走行變得纖細，遠端與降主動脈幾乎無管型結構相連接，未見動脈導管，兩斷端可見側枝血管形成。

圖1 兒童主動脈縮窄3D打印圖片 A：患者術前CT圖像重建顯示主動脈縮窄處僅見線性連接；B：3D軟件重建患者心臟及其大血管連接模型；C：模擬切除后患者主動脈重建情況；D：基于擠出沉積技術打印的生物3D心臟模型Fig．1 A：CT image reconstruction before operation showed only linear connection at coarctation of aorta；B：model of heart and its great vessels reconstructed by 3D software；C：reconstruction of aorta after resection；D：Biological 3D heart model printed based on extrusion technology

討論此例患者的解剖結構十分罕見。我們根據3D打印的心臟及其大血管模型進行術前模擬，根據解剖模型，我們擬定了4種可能的手術方式：切除并（擴大）端端吻合；切除并（擴大）端側吻合；左鎖骨下動脈翻轉補片術；人工血管補片成形術。經過手術模擬，我們發現切除并端側吻合是最適合該患者的手術方式。術中采用左后外側第4肋間入胸，切斷縮窄段主動脈及導管組織，采用7－0 PDS縫線連續端側吻合降主動脈與主動脈弓。術中探查結果與術前重建及模擬結果一致，減少了術中反復探查與設計吻合口的時間。手術過程順利，主動脈阻斷時間30 min，術后呼吸機使用時間179 h。隨訪心臟彩超提示吻合口壓差14 mmHg（1 mmHg＝0．133 kPa），流速1．86 m／s，大動脈水平未見殘余分流。對本例患者我們充分發揮3D打印技術的優勢，術前通過對重建的模型進行反復的手術入路設計及吻合方式選擇，術中進一步驗證設計方案的可行性，術后總結經驗，對復雜型先天性心臟病應用3D打印技術協助術前評估及手術規劃是有意義的。

CoA是一種胸主動脈的先天性狹窄，以外科治療為主，手術的目的是切斷狹窄段血管并重獲血管的通暢。本例患者主動脈縮窄程度重，狹窄段長，解剖結構復雜，手術難度極大，心臟CTA雖能準確顯示患者的心臟血管結構性畸形，但其僅能以二維圖像的形式呈現，無法切換視角，多參數、立體、可測、可觸地顯示患者的心外結構性病變［6］。超聲心動圖雖能清晰顯示心臟內部的結構性缺陷，但對心臟的大血管病變的觀察與診斷存在局限，這容易使醫生對術前評估及疾病的分析產生偏差［4，6］。3D打印技術是快速成型技術的一種，是以三維幾何模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過增加材料逐層打印的方法來制造物體的技術［7］。3D打印技術克服了其他影像觀察診斷的局限性，其基于CT、MRI以及3D心臟超聲數據的三維成像能360°顯示心臟內外結構。一方面使得醫師對患者的病變有了整體性的空間認知，有利于手術規劃；另一方面也便于醫師向患者家屬描述病情，更直觀地溝通手術風險。

目前，3D打印技術在醫學領域中的應用主要體現在3個方面：一是用于醫學教學、手術規劃或練習，以及以標本制作為代表的模型制造；二是用于如骨骼、瓣膜等替換為代表的可移植性假體制造；三是用于組織工程領域中，主要包括生物材料、生物化學物質和細胞為基礎制造的生物3D打印［8］。1987年美國國家科學基金會正式提出和確定“組織工程”這一概念，其核心是利用細胞生物學和工程學原理，在體外培養、擴增種子細胞，再種植于生物相容性好、并可降解的生物材料上，形成細胞－生物材料復合物，植入體內與宿主組織融合生長，以達到對宿主組織結構修復和功能重建的目的。隨著3D打印技術在醫學領域發展不斷細化，我中心正在嘗試規劃將3D打印實物技術用于教學及術前手術演練方案的制定。

近年來，隨著3D打印技術的不斷完善，其在協助診斷復雜型先天性心臟病及提供術前指導方面扮演著越來越重要的角色。楊帆等［9］利用3D打印技術打印出心臟模型，指導心臟介入手術并取得成功。2006年國外已有學者根據患者個體化解剖數據，利用3D打印技術制作彈性心臟模型，用于手術的規劃與研究［10］。Riesenkampff等［11］首先采用CT及MRI對11例復雜先心病患者進行掃描，獲取二維心臟掃描數據，隨后采用計算機進行三維重建，再采用3D打印技術打印出患者的心臟三維模型，從而得到心臟內外結構空間關系的準確信息，并根據模型在術前制訂出個體化手術方案。Vettukattil等［3］對5例復雜先心病患者進行3D心臟解剖模型的打印，不僅使醫師團隊更容易通過術前模擬改善或制定手術決策，也可更簡便、清楚地向患者家屬描述病情。3D打印技術不僅為患者帶來了更佳清晰的手術方案設計，也減少了主刀醫師術中反復探查、思考和手術設計的時間，減少了對鄰近重要組織結構損傷的風險，使患者能在最短的時間內完成手術治療，減少了體外循環轉機以及在患者的ICU停留時間，有助于外科醫生真正提高手術技術。

個體化精準治療是未來醫學發展的趨勢，如何為患者設計個體化最優精準治療方案、提高患者治愈率、減少并發癥、減輕患者病痛、縮短住院時間及節省治療費用等內容值得研究，而3D打印技術開辟了個性化精準醫療的新認知。Ryan等一項為期3年的回顧性研究發現，是否打印解剖模型與手術結局并無明顯關系，但對于提高手術醫師對病變的術前認知及減少手術設計時間是有用的。Valverde等［2］聯合多中心對40例先天性心臟病患者的前瞻性研究表明，經過對3D打印模型的思考設計后，有19例改變了原先擬定的手術方案。由此可見，加快深入開展3D打印技術在醫學領域中的應用具有重要意義。但3D打印技術在國內還屬于新技術，在學科發展過程中還有很多問題亟待解決，一是三維輔助模型的設計并非正規的醫療收費項目，大部分醫學建模和實物打印都由相關公司完成，各家單位沒有統一的設計方案及規范化培訓的技術人員；二是目前的3D打印數據均來源于CT、MRI或3D超聲心動圖的底層數據，但原始的影像資料并不能完全達到醫學三維建模的標準，可能得出無臨床價值的三維數據；三是由于醫學圖像分割算法存在一定的局限性，對于瓣膜、冠狀動脈等解剖結構的打印存在缺陷；四是3D打印的生物材料必須擁有良好的組織相容性、可降解性以及具有組織活動等特性，而目前材料學的學科發展相對滯后；五是目前只能打印簡單的器官，在器官內打印微小血管變得困難，打印的器官不具有其原生物體的組織細胞功能；六是3D打印的結局是產生了一個動態器官的靜態模型，對于理解心臟的血流動力學變得困難；七是3D打印的耗時太久，通常8～24 h的打印成型時間可能導致復雜先心病患者錯過最佳手術時機［2］。

綜上所述，涵蓋了計算機技術、材料科學、精密器械以及醫學的3D打印技術搭建起了傳統影像學和醫學解剖之間的橋梁，對患有先心病特別是復雜型先心病的患者，3D打印技術用于協助術前診斷及手術模擬方面展示了良好的應用前景，在心臟移植方面也具有一定的優勢，雖然現階段的3D打印還存在諸多不足，但相信隨著各專科領域合作研究的深入，生物醫學3D打印技術在小兒復雜型先天性心臟病中的應用將更加廣泛與深入。