聶聰 伍明 侯安興 陳飛 羅佳文 聶磊 周慶 周文武

湖南省人民醫(yī)院(湖南師范大學(xué)附屬第一醫(yī)院)心臟大血管外科，長沙 410005

先天性心臟病復(fù)雜多樣，心臟內(nèi)多種畸形病變往往在病理生理方面相互影響、相互作用，同時心臟病的矯治還可能受到氣管、脊柱等鄰近器官病變和(或)變異的影響。外科手術(shù)矯治心臟病時需全面考慮，既要考慮手術(shù)存活率，也要考慮遠(yuǎn)期效果以及二期手術(shù)的問題。法洛四聯(lián)癥、右室雙出口、完全性肺靜脈異位引流等復(fù)雜先心病的手術(shù)方案制定是難點，外科醫(yī)師在手術(shù)前需要充分理解心臟病及其鄰近臟器的空間解剖結(jié)構(gòu)[1]。術(shù)前心臟病變檢查項目一般包括超聲心動圖、心臟CT血管造影(computed tomography angiography,CTA)、MRI等，這些2D平面結(jié)構(gòu)圖在部分復(fù)雜心臟病的展示方面存在一定的局限性，需要外科醫(yī)師從個人經(jīng)驗及認(rèn)識出發(fā)，進(jìn)行思維再構(gòu)象；而心臟3D打印技術(shù)是將CT、MRI圖像通過計算機模擬重建后，將2D成像轉(zhuǎn)化為3D實物，心臟3D模型打印出來后，能夠拿在手中，從各個角度觀察，且能夠采用任意方式切割，從而便于外科醫(yī)師對心臟解剖結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步理解，有助于制定出更合理的手術(shù)方案[2-3]。本研究旨在探討以法洛四聯(lián)癥心臟3D打印模型為代表的多種心臟病手術(shù)模擬的應(yīng)用經(jīng)驗。

材料與方法

一、研究對象

選取湖南省人民醫(yī)院2016年12月至2020年8月術(shù)前使用Philips iCT 256層多層螺旋CT機行心臟CTA檢查，且病變典型、心臟病結(jié)構(gòu)清晰的48例兒童先天性心臟病患兒作為研究對象。將心臟CT影像資料導(dǎo)出為DICOM格式，利用柔性光敏樹脂在盤古4.1(V2)打印機打印，獲取心臟3D打印模型。48例中男32例、女16例；年齡(3.8±1.2)歲，體重(13±2.8)kg。術(shù)前診斷：法洛四聯(lián)癥15例(為3D打印組)、房間隔缺損合并右側(cè)肺靜脈異位引流4例、左室流出道梗阻3例、完全性肺靜脈異位引流6例、右室雙出口13例、肺動脈吊帶3例、右室雙腔心4例。另取同期性別、年齡、體重基本一致的法洛四聯(lián)癥患兒12例作為對照組，與上述3D打印組15例法洛四聯(lián)癥患兒的體外循環(huán)時間、主動脈阻斷時間進(jìn)行對比。本研究獲湖南省人民醫(yī)院倫理委員會審批[2019科研倫理審第(120)號]。

二、心臟3D打印模型使用

上述患兒均為擇期手術(shù)患兒，術(shù)前討論中，手術(shù)醫(yī)師根據(jù)患兒病史、體征、術(shù)前經(jīng)胸超聲心動圖、術(shù)前常規(guī)二維CT以及三維重建影像明確診斷，并討論手術(shù)方案；同時多角度觀察患兒對應(yīng)的心臟3D打印模型，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈畋┞?、測量、組合、縫合等操作，力求術(shù)前討論的手術(shù)方案可實物感知。完成模擬討論后執(zhí)行真實手術(shù)，真實手術(shù)過程中，將術(shù)中探查的解剖結(jié)構(gòu)與術(shù)前心臟3D打印模型進(jìn)行對比。

三、統(tǒng)計學(xué)處理

結(jié) 果

一、模擬手術(shù)與真實手術(shù)情況

模擬手術(shù)中，3D打印組15例法洛四聯(lián)癥手術(shù)方案均為根治性手術(shù)。結(jié)合心臟3D打印模型，擬定室間隔缺損補片的大小、形態(tài)，并對修補室間隔缺損的途徑[經(jīng)右心室切口和(或)經(jīng)右房-三尖瓣環(huán)切口]及縫合技術(shù)(連續(xù)或間斷)進(jìn)行模擬演練；擬定3種不同的右室流出道異常肌束、肺動脈瓣處理方案： ①無需處理肺動脈瓣及肺動脈，僅經(jīng)右室前壁疏通右室流出道內(nèi)異常肌束者(7例)； ②右室流出道-肺動脈切開、肺動脈瓣雙孔成形增寬(6例)； ③不進(jìn)行肺動脈瓣處理，僅經(jīng)右房-三尖瓣口疏通右室流出道(2例)。

真實手術(shù)中，3D打印組體外循環(huán)手術(shù)時間與對照組相當(dāng)[(93.87±18.75)min比(103.00±16.53)min，P=0.197]，主動脈阻斷時間顯著縮短(47.47±9.42)min比(55.75±9.00)min，P=0.029]；并基本參照術(shù)前模擬的技術(shù)細(xì)節(jié)修補室間隔缺損。右室流出道-肺動脈瓣的真實手術(shù)與術(shù)前模擬有4例不一致(均為術(shù)前模擬的第一種方案，表1)，真實手術(shù)中執(zhí)行方案為肺動脈瓣交界切開成形1例(再次轉(zhuǎn)流)、跨瓣環(huán)右室流出道-肺動脈主干切開并補片增寬2例、反復(fù)探查后未改變術(shù)前模擬方案(僅鈍性擴(kuò)張肺動脈瓣環(huán))1例。上述4例患兒術(shù)后復(fù)查結(jié)果滿意，無明顯肺動脈瓣反流，跨肺動脈瓣流速均未超過2.5 m/s。

表1 法洛四聯(lián)癥患兒術(shù)前模擬和真實方案差距Table 1 Difference between preoperative simulation and real procedure病例術(shù)前評估肺動脈瓣Z值術(shù)中探查肺動脈瓣Z值真實手術(shù)方案手術(shù)方案變更原因病例1-1.7-2.5肺動脈瓣交界切開、肺動脈瓣下肌肉游離、瓣環(huán)鈍性擴(kuò)張能順利停機,但跨瓣流速>2.5 m/s病例2-1.4-1.6鈍性擴(kuò)張肺動脈瓣環(huán)肺動脈瓣葉交界稍有粘連病例3-1.6-1.9跨肺動脈瓣補片增寬肺動脈瓣單瓣畸形病例4-1.7-1.8跨肺動脈瓣補片增寬肺動脈瓣單瓣畸形

4例房間隔缺損合并右側(cè)肺靜脈異位引流患兒于術(shù)前模擬時測量房間隔缺損補片大小、形態(tài)及補片縫合的路線，真實手術(shù)由低年資醫(yī)師在高年資醫(yī)師指導(dǎo)下主刀，術(shù)中探查及手術(shù)實施方案與術(shù)前模擬一致。左室流出道梗阻3例均為主動脈瓣下隔膜，其中1例合并室間隔肥厚，術(shù)前模擬認(rèn)為僅需切除主動脈瓣下隔膜；真實手術(shù)中探查符合術(shù)前模擬，予以單純隔膜切除、未處理肥厚室間隔。右室雙腔心4例，術(shù)前模擬測量計算異常肌束切除范圍。

完全性肺靜脈異位引流6例均為心上型，術(shù)前模擬的要點為肺靜脈共匯與左房底吻合口大小及吻合路徑；術(shù)前模擬中認(rèn)為經(jīng)左心房頂部切口行肺靜脈共匯-左房頂吻合的路徑為最佳者有3例；真實手術(shù)中因主刀個人習(xí)慣，前2例經(jīng)雙心房切口行肺靜脈共匯-左心房后壁吻合，第3例經(jīng)左心房頂切口做上述吻合。

右室雙出口13例，術(shù)前模擬討論術(shù)式均為心內(nèi)隧道補片雙心室矯治，其中有5例需擴(kuò)大室間隔缺損大小，這5例中僅2例行室間隔缺損擴(kuò)大，1例修剪主動脈瓣下肌束，2例未行室間隔缺損擴(kuò)大；未行室間隔缺損擴(kuò)大的2例患兒術(shù)后主動脈瓣有狹窄、峰值壓差30 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)左右，目前隨訪中。

肺動脈吊帶3例均合并長段氣管狹窄及全環(huán)狀氣管軟骨，術(shù)前模擬均予以長段氣管狹窄滑動成形修復(fù)術(shù)，并對氣管游離的長度、范圍以及滑動距離等進(jìn)行模擬，真實手術(shù)中避免了反復(fù)多次氣管鏡檢查，按術(shù)前模擬游離后予以滑動成形。

二、模型一致性評分

手術(shù)后由主刀醫(yī)師及其中一位助手兩人填寫心臟3D打印模型與患兒一致性主觀評分表(表2)，以平均分計。表2中項目內(nèi)容并未要求每枚心臟3D模型均以實物形態(tài)表達(dá)(如房間隔缺損合并肺靜脈異位引流者實體模型未顯示室間隔結(jié)構(gòu)，肺動脈吊帶者實體模型未顯示心房、心室結(jié)構(gòu))。一致性評分結(jié)果顯示，3D打印在大體解剖結(jié)構(gòu)、心內(nèi)重要結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系(室間隔缺損與主動脈瓣、三尖瓣的位置關(guān)系)上的一致性滿意，而在涉及肺動脈瓣形態(tài)結(jié)構(gòu)及心內(nèi)細(xì)微結(jié)構(gòu)上，一致性稍有不滿意，尤其是在法洛四聯(lián)癥、右室雙出口患兒中，其肺動脈瓣葉的形態(tài)、交界粘連等重要解剖指標(biāo)顯示欠滿意，甚至在個別患兒中未起到參考作用。

表2 先天性心臟病患兒3D打印模型與患兒心臟一致性主觀評分表Table 2 Consistency score between 3D printing model and patient heart項目例數(shù)平均評分大體解剖 主、肺動脈直徑比,空間螺旋關(guān)系354 靜脈-心房-心室-動脈節(jié)段連接方式304 右心室容積、前壁厚度354 合并畸形(動脈導(dǎo)管未閉、氣管畸形等)484解剖細(xì)節(jié) 肺動脈瓣瓣環(huán)直徑、瓣葉數(shù)目及形態(tài)332.5 室間隔缺損位置、直徑313 室間隔缺損與主動脈瓣、三尖瓣的位置關(guān)系314 室間隔缺損與心室腔內(nèi)肥厚增生肌束關(guān)系313 右心室流出道肌肉肥厚梗阻程度、集中部位333 右心室內(nèi)室上脊-調(diào)節(jié)束333 評分標(biāo)準(zhǔn):完全一致、術(shù)前模擬好,計4分;基本一致、術(shù)前模擬有一定幫助,計3分;有差距、術(shù)前模擬基本無幫助或幫助不大,計2分;不好評判、或未能顯示、術(shù)前模擬無幫助,計1分

三、典型CTA三維重建

右位心合并右室雙出口患兒(圖1)，根據(jù)術(shù)前的影像三維重建幫助明確患兒室間隔缺損和三尖瓣的關(guān)系、模擬和討論確定心內(nèi)隧道構(gòu)建方案，真實手術(shù)非常順利。

圖1 1例右位心合并右室雙出口患兒的CT影像以及3D打印模型A：三維重建后的心臟圖像； B：心臟CT矢狀面圖片顯示心內(nèi)結(jié)構(gòu)； C：3D打印的心臟模型外觀，虛線顯示模擬手術(shù)的心臟切口； D：模擬后的心臟模型，黃色部分為牛心包補片建立的內(nèi)隧道Fig.1 CT image and 3D printing model for a case with dextrocardia and double outlet of right ventricle

討 論

先天性心臟病的種類較多，發(fā)病率較高。早期外科手術(shù)矯正畸形是患兒長期生存的重要保障。有經(jīng)驗的心臟外科醫(yī)師依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)胸和(或)食管超聲心動圖、心臟大血管CTA、MRI及心導(dǎo)管造影等檢查，可有效地將上述二維成像重新構(gòu)畫，形成三維空間結(jié)構(gòu)，但這一思維重建的過程受到外科醫(yī)師個體經(jīng)驗、思維方式等多種因素的影響。而3D打印技術(shù)可以把心臟大血管CTA、MRI及超聲等二維平面圖形轉(zhuǎn)換為三維立體空間結(jié)構(gòu)，所制作的模型是直觀具體的實物，有助于外科醫(yī)生理解心臟的解剖結(jié)構(gòu)，尤其對青年醫(yī)師作用更明顯。

目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印已廣泛應(yīng)用于普外科、骨科、口腔科、神經(jīng)外科等多領(lǐng)域及手術(shù)模擬、臨床教學(xué)，在心臟大血管外科方面的應(yīng)用越來越多[4-14]。花中東等[15]針對12例復(fù)雜的右室雙出口患兒構(gòu)建心臟3D打印模型，術(shù)前在實體3D模型上對手術(shù)方案進(jìn)行討論，并術(shù)前評估，減少了手術(shù)并發(fā)癥，改善了手術(shù)效果。本研究針對法洛四聯(lián)癥、右室雙出口、部分性/完全性肺靜脈異位引流等多種相對常見的先天性心臟病構(gòu)建3D模型，結(jié)果顯示，以心臟CTA為基礎(chǔ)制作的心臟3D打印模型除心臟大體形態(tài)重建滿意外，對室間隔缺損形態(tài)及周邊解剖結(jié)構(gòu)的真實還原度也很高，外科醫(yī)師可依據(jù)3D模型，在術(shù)前基本確定疏通、清理右室流出道的解剖路徑以及技術(shù)細(xì)節(jié)，并可對需切除的異常肥厚心肌組織比例進(jìn)行比較精確的計算。本研究中3D打印組體外循環(huán)轉(zhuǎn)流后用了一定的探查時間驗證3D打印模型的一致性，與對照組的體外循環(huán)時間無顯著差異，但3D打印組在清除右心室流出道肌束方面更加合理，加上助手可提前參考術(shù)前模擬結(jié)果，對心包片的裁剪工作進(jìn)行提前規(guī)劃，因而明顯縮短了主動脈阻斷的手術(shù)時間。本組有1例右位心合并右室雙出口患兒，其右位心和常規(guī)的正位心臟正好相反，室間隔缺損和三尖瓣的立體空間構(gòu)象關(guān)系不易理解，而通過3D打印模型，可從任意剖面直接觀察心臟內(nèi)部的空間關(guān)系，術(shù)前能明確內(nèi)隧道的可行性及最佳路徑，因而手術(shù)非常順利。

然而，心臟3D打印模型在兒童肺動脈瓣瓣環(huán)直徑、瓣葉形態(tài)及數(shù)目等方面的真實還原度欠滿意，本研究中心臟3D打印模型對肺動脈瓣直徑有高估的傾向，可能是因為隨著心動周期的變化，肺動脈瓣環(huán)直徑及肺動脈瓣葉的位置、形態(tài)也在不斷變化，因此盡管應(yīng)用了心電門控技術(shù)，所獲圖像仍可能存在一定的偏差。在重建過程中，需要仔細(xì)考慮CTA影像技術(shù)、外科解剖、3D相關(guān)軟件應(yīng)用技術(shù)等多方面因素。由于3D打印技術(shù)對肺動脈瓣葉的形態(tài)、三尖瓣瓣葉及其瓣下裝置缺乏有效的顯示，建議在瓣膜性心臟疾患中慎重使用。隨著應(yīng)用經(jīng)驗的積累，3D打印技術(shù)在瓣葉以及腱索等結(jié)構(gòu)的還原表現(xiàn)能得到進(jìn)一步改善。隨著打印技術(shù)和材料的進(jìn)步，3D打印模型將能更好地指導(dǎo)臨床醫(yī)師對血流動力學(xué)進(jìn)行直觀的理解[7-10]。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明文獻(xiàn)檢索為聶聰、伍明、周文武，論文調(diào)查設(shè)計為聶聰、伍明、周文武，數(shù)據(jù)收集與分析為聶聰、伍明、周文武、侯安興、陳飛、羅佳文、聶磊、周慶，論文結(jié)果撰寫為聶聰、伍明、周文武，論文討論分析為聶聰、伍明、周文武、侯安興、陳飛、羅佳文、聶磊、周慶