王慶濤　王玉璟*

三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動脈介入治療的應(yīng)用進(jìn)展

王慶濤①王玉璟①*

三維打印技術(shù)是在三維圖像指導(dǎo)下，通過逐層和不間斷地疊加特殊材料，進(jìn)而生成三維實體模型的技術(shù)，是近些年來發(fā)展非常迅速的一項新技術(shù)。三維打印產(chǎn)品已經(jīng)滲透到生活的方方面面。隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)三維技術(shù)和材料工程學(xué)的不斷成熟，三維打印技術(shù)正在逐步應(yīng)用到醫(yī)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(fā)展最為成熟。本研究通過討論三維打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，從技術(shù)教學(xué)、醫(yī)患溝通及手術(shù)預(yù)演等方面探討三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動脈介入治療中的臨床應(yīng)用價值和未來的發(fā)展。

三維打??；經(jīng)皮冠狀動脈介入；教學(xué)模型；技術(shù)教學(xué)

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

三維打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，是指在三維圖像的指導(dǎo)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(jī)上的三維圖像變成實物的一項新技術(shù)。伴隨著三維成像技術(shù)和材料工程學(xué)的飛速發(fā)展，三維打印技術(shù)表現(xiàn)出無限的潛能。由于德國三維打印聯(lián)盟率先在其國內(nèi)大力推廣這一技術(shù)，使其在三維打印領(lǐng)域一直處于全球領(lǐng)先的地位。之后英國、美國、歐盟以及比利時相繼成立相關(guān)研究所，投資巨額資金大力推廣三維技術(shù)。2013年5月，我國科技部將三維打印技術(shù)納入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）［1］。此舉為三維打印技術(shù)在我國的行業(yè)發(fā)展提供了契機(jī)，是邁入“中國制造”堅實的一步。

1　三維打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

三維打印技術(shù)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(shù)品、食品以及各種生活用品和醫(yī)療用品，而在醫(yī)療應(yīng)用方面已經(jīng)是三維打印最重要的發(fā)展方向之一。三維打印的最大優(yōu)勢就是個性化定制，即通過機(jī)器掃描物體獲取數(shù)字化的模型信息，經(jīng)過軟件處理后建立其三維模型并進(jìn)行打印，可實現(xiàn)完美復(fù)制或重構(gòu)；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(yī)療領(lǐng)域?qū)⑵鋫€性定制化的特征發(fā)揮得淋漓盡致［2-3］。目前，三維打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用包括3大類。

（1）體外醫(yī)療器械。主要有各種材料打印的義肢、用于教學(xué)和科研的醫(yī)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(guān)節(jié)、骨骼及軟骨等產(chǎn)品，通過外科手術(shù)方法植入。

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

2　三維打印技術(shù)在心血管方面的應(yīng)用

隨著影像學(xué)檢查技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是三維重建技術(shù)的出現(xiàn)，醫(yī)生可以更加清晰地觀察組織病變的三維立體結(jié)構(gòu)。而且對于許多復(fù)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(guān)鍵在于清晰地認(rèn)識患者病變部位的解剖結(jié)構(gòu)。但三維重建技術(shù)有時也難以清晰和直觀地觀察病變內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，從而給這類疾病診斷及治療帶來極大挑戰(zhàn)。三維打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用可通過制作病變組織的三維模型，使術(shù)者更加直觀的認(rèn)識病變處的空間解剖結(jié)構(gòu)，幫助制訂外科或介入手術(shù)方案，并且在模型上亦可模擬手術(shù)過程［4］。

通過斷層掃描，在三維重建的基礎(chǔ)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(jù)。海倫·德沃斯兒童醫(yī)院先天性心臟病中心專家發(fā)現(xiàn)，用三維經(jīng)食道超聲心動圖（three-dimensional-trans esophageal echocardiography，3D-TEE）也可以構(gòu)建出先天性心臟病患者的心臟三維打印模型，并且CT結(jié)合3D-TEE可以更準(zhǔn)確的打印出心臟模型。CT、MRI以及3D-TEE這3種方法構(gòu)建出的模型各有優(yōu)缺點，結(jié)合起來可以提高打印的精準(zhǔn)度［5］。目前，三維打印技術(shù)在經(jīng)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(yīng)用廣泛［6-14］。

3　三維打印技術(shù)在PCI治療中的應(yīng)用

3.1用于科研教學(xué)

三維打印技術(shù)在PCI治療中醫(yī)學(xué)生教學(xué)和院內(nèi)青年醫(yī)生的專業(yè)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用。

3.1.1醫(yī)學(xué)生教學(xué)

由于二維圖像的局限性，醫(yī)學(xué)生無法對于接觸到的醫(yī)學(xué)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(xiàn)在學(xué)生面前，是三維打印應(yīng)用于教學(xué)最好的方式，可激發(fā)學(xué)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(jìn)醫(yī)學(xué)生對相關(guān)知識和概念的了解，同時激發(fā)了學(xué)生對相關(guān)領(lǐng)域醫(yī)學(xué)知識的興趣，對促進(jìn)醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了積極的作用。Preece等［16］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)習(xí)各種解剖學(xué)知識時，實體三維模型更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。將抽象的概念轉(zhuǎn)化成具體的、可觸及的實物，使學(xué)生更加直觀和深刻的認(rèn)識各種組織器官，包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面血管走形，尤其是心臟、腦組織及血管網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的器官。心臟的血供豐富，血管走形復(fù)雜，內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)是醫(yī)學(xué)生不易理解的幾大難點，而現(xiàn)有的教學(xué)模型較粗糙、內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)無法顯現(xiàn)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(shù)三維打印透明的心臟模型，可以清楚看到心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面血管。同時，國外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用生物細(xì)胞材料可打印出具有生物活性的心臟，并能夠存活數(shù)小時，這是醫(yī)學(xué)界另一大突破，為將來研究組織器官替代物奠定了基礎(chǔ)［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(yè)技術(shù)教學(xué)

青年醫(yī)生是醫(yī)學(xué)科學(xué)事業(yè)的中流砥柱，是與患者零距離接觸的臨床醫(yī)生，其專業(yè)水平直接影響到患者的生命健康，因此培養(yǎng)其專業(yè)技術(shù)的硬件設(shè)施非常關(guān)鍵。在PCI治療中，對心內(nèi)科醫(yī)生的專業(yè)技術(shù)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(yī)生方能獨立進(jìn)行手術(shù)。心臟介入的第一步是通過股動脈或者橈動脈路徑進(jìn)入動脈循環(huán)，在此過程中需要避免可能發(fā)生的出血、血栓以及動脈內(nèi)膜剝離等并發(fā)癥。由于此血管路徑本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，青年醫(yī)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(zhuǎn)，也是多幅二維圖像的連續(xù)播放而已，且由于血管間的重疊，無法分辨其真實的空間結(jié)構(gòu)。Miller等［18］利用三維打印技術(shù)制造出一種人工搏動血管，高保真的模擬生理狀態(tài)下動脈的壓力，使住院醫(yī)師能夠更好地加強對介入治療的入門訓(xùn)練。

三維打印技術(shù)可以讓青年醫(yī)生更快更好地掌握這門技術(shù)，采用SLA光敏樹脂材料的光固化技術(shù)三維打印可以構(gòu)建從股動脈或者橈動脈達(dá)到心臟冠狀動脈的完整的路徑，青年醫(yī)生不再是通過屏幕上的二維圖像、合成的三維圖像來學(xué)習(xí)，而是通過模型實際操作，真實的感受利用導(dǎo)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(shù)可以利用生物細(xì)胞材料打印出仿真血管，使青年醫(yī)生在模擬PCI時感受更加真實。入圍國家“863計劃”的四川藍(lán)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(jìn)展，自主研發(fā)了三維生物血管打印機(jī)，三維生物血管打印機(jī)可以打印血管獨有的中空結(jié)構(gòu)和多層不同種類的細(xì)胞，這是世界首創(chuàng)［19］。三維打印技術(shù)構(gòu)建的PCI血管仿真模型作為一種過渡的教學(xué)手段，縮短了心血管醫(yī)生培養(yǎng)的周期，增加了實際操作的機(jī)會，豐富了青年醫(yī)生的經(jīng)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(yī)患溝通

醫(yī)患溝通是穩(wěn)定醫(yī)患關(guān)系最重要的一環(huán)，是減少甚至杜絕醫(yī)患矛盾糾紛的必由之路，如何進(jìn)行醫(yī)患溝通是一門科學(xué)。造成醫(yī)患關(guān)系不穩(wěn)定的最主要原因為醫(yī)院的醫(yī)療費用高、醫(yī)患之間不信任、醫(yī)生溝通技巧欠佳以及醫(yī)患之間信息不通暢等。采用SLA光敏樹脂材料的光固化技術(shù)三維打印PCI血管路徑，醫(yī)生利用此血管路徑模擬手術(shù)中PCI治療過程，將此過程完整地展現(xiàn)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(shù)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(fā)生的并發(fā)癥及相關(guān)風(fēng)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(fù)雜性和不可控性，希望患者理解、支持醫(yī)生的工作，可起到緩解醫(yī)患矛盾、減少醫(yī)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(yī)患溝通中患者及家屬的滿意程度［20］。同時Biglino等［21］還發(fā)現(xiàn)結(jié)合三維打印與CMR打印出患兒先天心臟病模型，可增進(jìn)患兒家長與醫(yī)師之間的病情交流，讓家長充分了解該疾病的發(fā)生進(jìn)展情況，提高藥物治療依從性，對促進(jìn)醫(yī)患和諧起到積極作用。因此，三維打印模型對改善醫(yī)患關(guān)系起到重要的輔助作用。使用三維打印模型輔助PCI手術(shù)教學(xué)流程如圖4所示。

圖4　三維打印模型輔助PCI手術(shù)教學(xué)流程對比框圖

3.3用于手術(shù)預(yù)演

三維打印實體模型可以對術(shù)前影像進(jìn)行三維實物重現(xiàn)，其仿真性高，可直觀觀察、分析病變及其與周圍組織及結(jié)構(gòu)的關(guān)系，讓醫(yī)師真實全面地了解冠狀動脈結(jié)構(gòu)，制定各種手術(shù)方案。三維打印技術(shù)還可以實現(xiàn)術(shù)前個體化設(shè)計、進(jìn)行手術(shù)預(yù)演、精準(zhǔn)手術(shù)過程、縮短手術(shù)時間、減少醫(yī)源性損傷以及提高手術(shù)效率等優(yōu)點，臨床應(yīng)用價值較高。臨床上已有多個科室將三維打印應(yīng)用于手術(shù)預(yù)演，如復(fù)雜骨折的內(nèi)固定、骨骼畸形矯正、心臟瓣膜置換及室間隔封堵等。外科醫(yī)師可以直觀的觀察病變部位，而心內(nèi)科醫(yī)師多依靠感覺、經(jīng)驗操作，故PCI手術(shù)對心血管內(nèi)科醫(yī)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(nèi)科醫(yī)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(shù)，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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，更加直觀的了解冠狀動脈的解剖，狹窄部位和程度。醫(yī)師可以利用導(dǎo)絲來進(jìn)行PCI手術(shù)預(yù)演，該在何處放置支架，如何放置，從而預(yù)測手術(shù)難度及手術(shù)效果，指導(dǎo)術(shù)者進(jìn)行手術(shù)方案的制定。數(shù)位心血管專家可以同時進(jìn)行操作預(yù)演，全科室進(jìn)行病例討論，制定手術(shù)方案，探討各自的體驗，增進(jìn)交流，提高手術(shù)成功率。Tam等［22］發(fā)現(xiàn)，利用微型品制造、三維打印技術(shù)和圖像重建技術(shù)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(shù)打印針對不同患者的定制化支架也可降低支架內(nèi)的再狹窄率，表明三維打印技術(shù)結(jié)合圖像重建在PCI方向的研究非常具有前景。手術(shù)模型效果如圖5所示。

圖5　三維打印模型對應(yīng)術(shù)中模擬操作效果圖

4　三維打印技術(shù)展望

三維打印技術(shù)不僅可以應(yīng)用于心臟外科、骨科術(shù)前診斷、手術(shù)模擬及疾病治療，還可以應(yīng)用于教學(xué)科研和醫(yī)患溝通等。依靠三維打印技術(shù)實現(xiàn)的模擬手術(shù)不僅使醫(yī)生充分了解和評估患者病情，更顛覆了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式，使得年輕醫(yī)生的成長不再完全依賴于師徒教學(xué)。

三維打印技術(shù)對結(jié)構(gòu)性心臟病，尤其是對復(fù)雜性和特殊的先天性心臟病的診治較其他影像學(xué)檢查具有獨到的優(yōu)勢，但在心血管病內(nèi)科領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)系顯露及模擬手術(shù)入路，幫助了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及畸形情況，指導(dǎo)治療策略制定。雖然三維打印技術(shù)是一項具有“工業(yè)革命”意義的高新制造技術(shù)，但作為一項新的技術(shù)，三維打印也存在許多問題和不足，也面臨多方面的挑戰(zhàn)，如成本、材料及精細(xì)程度等在未來的研究中尚需進(jìn)一步發(fā)展與完善，以更好地發(fā)揮其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是心血管疾病研究中的應(yīng)用價值。

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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(yī)師。長江大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科，從事心血管內(nèi)科及相關(guān)科研工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.041

①長江大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科 湖北 荊州 434000

496666462@qq.com

2016-05-06