引用本文： 高強, 莊建, 岑堅正, 黃美萍, 周毅, 陳寄梅. 3D 打印技術在復雜先天性心臟病外科診療中的應用. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2018, 25(8): 654-658. doi: 10.7507/1007-4848.201707031 復制
3D（three-dimentional）打印也稱為“增材制造”或“快速成型”技術，利用電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imagine，MRI）、超聲等影像數據構建目標結構的 3D 模型文件，通過打印軟件設定打印參數，為每個打印層次生成輪廓和填充路徑，進而指導 3D 打印機采用不同的打印方式構建目標結構模型。在心血管病領域，在國外的應用案例開展較早，國內大多目前發表的文章尚在綜述階段。
本研究小組利用患者術前心臟 CT 數據，采用 WJP 白墨填充技術（White-Jet-Process）-高精度彩色多材料數字化增材制造技術，打印先天性心臟病實物模型，用于術前規劃，醫生培訓和手術組術前模擬，以期能夠提高術中配合默契度，縮短手術的時間，優化手術效果。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
研究納入 2 例患者資料，1 例為再次手術患者，1 例為初次手術患者，打印其心臟結構 1∶1 實體鏤空模型，一方面驗證本研究采用的 3D 打印技術在模型逼真度、軟硬度、顏色區分度方面的效果；另一方面用以指導術前規劃、手術模擬操作，評估其對手術效果的影響。
病例 1，女，7 個月 3 d，因“氣促、發紺、皮膚黃染 1+月，加重 3 d ”入當地醫院就診，行心臟彩超示：室間隔缺損、主動脈騎跨。遂轉入我院進一步治療，行心臟超聲示：右旋心、卵圓孔未閉、巨大室間隔缺損（功能單心室）、主動脈縮窄、動脈導管未閉。行心臟 CT 示：右旋心、房間隔缺損、心室雙入口型單心室（右心室型）、主動脈瓣下狹窄、主動脈弓發育不良、主動脈縮窄、動脈導管未閉。
病例 2，女，4 歲 7 個月，患兒于 4 年前因“發紺、氣促 2 月余，加重 4 d”入院，在我院行心臟彩超示診斷為先天性心臟病，肺動脈重度狹窄、右室發育不良、動脈導管未閉、卵圓孔未閉、三尖瓣重度反流。行右室流出道重建術、體肺分流術。患兒本次因肺炎入我院進一步治療。
1.2 心臟模型 3D 打印方法
利用患者心臟 CT 影像數據資料，使用閾值法分割和區域生長法重建心臟三維模型，采用 WJP 白墨填充技術（White-Jet-Process）-高精度彩色多材料數字化增材制造技術打印心臟實體模型，具體流程如下：醫生提供影像數據給建模工程師，工程師對數據進行融合并數字化、建模，然后輸出模型文件到 3 D 打印機，打印出多彩色、軟硬模型，最終形成實體心臟模型。
2 結果
2.1 患者術前 CT 資料
患者術前均行 64 排螺旋 CT 檢查心臟結構畸形。患者 1 術前 CT 資料見圖 1，患者 2 術前 CT 資料見圖 2。
圖1
患者 1 術前 CT 資料
a：房間隔缺損；b：巨大室間隔缺損（單心室）；c：主動脈縮窄、動脈導管未閉
圖2
患者 2 術前 CT 資料
a：房間隔缺損；b：B-T 分流管、右肺動脈狹窄后擴張；c：擴張的右室流出道
2.2 心臟 3D 打印實體全彩鏤空模型
經過術前三維建模和打印，患者的實際心臟打印效果見圖 3、圖 4。
圖3
患者 1 心臟 1∶1 實體鏤空全彩 3D 心臟模型
a：整體心臟正面觀，右旋心；b：房間隔缺損位置（白色箭頭所示，未打印出）；c：巨大室間隔缺損（單心室，白色箭頭所示）；d：主動脈縮窄、動脈導管未閉（白色箭頭所示）
圖4
患者 2 心臟 1∶1 實體鏤空全彩 3D 心臟模型
a：整體心臟正面觀，擴張的右室流出道（白色箭頭所示）；b：房間隔缺損位置（白色箭頭所示）；c：B-T 分流管、右肺動脈狹窄后擴張（白色箭頭所示）
研究小組為 2 例患者打印出的鏤空全彩 3 D 心臟實體模型體現了畸形病變部位的解剖細節，但患者 1 的房間隔缺損并沒有真實呈現出來。經過手術小組術前評估和對模型的實際模擬操作，確定患者 1 的手術方案為：主動脈弓部分切除伴重建術（Norwood 手術）、改良 Blalock-Taussig（B-T） 分流、房間隔缺損擴大術、動脈導管切斷縫合術。確定患者 2 的手術方案為：改良 B-T 分流（人造血管）B-T 管道拆除術。兩例患者術中所見與術前 CT 和心臟超聲結果診斷相符，與 3D 實體心臟模型結構相似。由于經過手術組的術前討論和模擬操作，手術過程順利，配合默契。患者 1 體外循環時間 168 min，主動脈阻斷時間 123 min；患者 2 手術時間 122 min，未阻斷主動脈。
3 討論
3D 打印技術在心血管領域的應用范圍廣，不僅在復雜先天性心臟病，而且在瓣膜類疾病、大血管疾病、心臟移植、心律失常等方面均有應用。本研究成功利用國產 3D 打印機制作出復雜先天性心臟畸形實體中空結構模型，將視覺二維/三維影像，轉換成可觸、可拆、可切、可任意角度觀察的實體模型。清晰立體呈現出病變部位的解剖特征以及與周圍結構的毗鄰關系，為術前手術方案的制定提供了更佳的參考依據。已有諸多研究[1-11]證實了 3D 打印技術在先天性心臟病診療領域的價值。Mirochnik 等[12]于 2000 年報道了 3D 打印技術在心臟解剖領域的應用，可以打印出舒張終期末的心臟形態、二尖瓣狹窄和脫垂、經皮植入裝置的房間隔缺損、心臟基底部的大血管等復雜結構畸形，這些技術可以應用于術前模擬手術操作、調整人工材料、病理生理研究、教學以及患者信息收集。Noecker 等[13]在 2006 年將 3D 打印技術應用在兒童心臟病領域中醫療裝置的設計，其中納入了 11 位兒童（2~13 歲，部分兒童有先天性心臟病），利用 CT 掃描的數據和商業可用的 3D 圖像處理軟件，其中有關心臟和胸腔的數據被提取并合成 3D 模型。作者認為 3D 模型對解剖結構之間的空間關系有很好的表現，在醫療裝置的發展設計中可以起到有效的幫助。Jacobs 等[14]利用 3D 打印技術對 3 例心臟疾病患者（心臟腫瘤、心室室壁瘤）進行術前模型制作，外科醫生可以確認危險結構，評估最理想的切除范圍，對可以輕易實現對重新成型后的左心室容量的保證。德國的慕尼黑“Ludwig-Maximilians-Universit?t München”心臟外科從 2006 年即開始利用 3D 技術為患者術前手術方案的制定提供依據，在其報道當中共有 8 例患者。該技術的應用可能會降低復雜、非常規心臟手術的死亡率和并發癥發生率[15]。
此外，本研究 2 例患者的主刀醫生和助手術前均在 3D 打印的實體標本上進行模擬操作和手術方案練習，強化了外科醫生尤其是助手對手術方案的理解以及對主刀醫生操作過程中的了解。國外相關研究表明，3D 技術在先天性心臟病的教學工作中也體現出了其對學生在知識獲取、解剖結構認知方面的優勢[16]，且在其他領域如內視鏡壺腹切除術教學領域也有不凡效果[17]。Lim 等[18]就傳統大體解剖教學和 3D 打印技術教學進行了對比，結果發現后者并沒有比大體解剖教學效果差，而且在后續利用 3D 教具對學生的長期評估方面優于大體標本。但也有學者認為 3D 模型的材質等方面不及傳統大體標本更具真實性[19]。
本研究所采用的 WJP 白墨填充技術（White-Jet-Process）-高精度彩色多材料數字化打印技術是國內外當前最先進的 3D 打印技術之一，所打印模型逼真度高，最大分辨率高達 10 μm 和 1 600 dpi 的打印精度，可獲得光滑、精致的打印體；速度快，具備全寬度上的高速光柵構建，以及最高達 3 840 組壓電噴嘴組合的精密設計，可實現更快速的精確打印，且無需二次固化。而且可滿足多材料打印，能更好體現不同組織的質地區別；滿足全彩色打印，可根據打印目的或解剖差異，呈現出不同組織結構的顏色區別。這種改良 3D 打印技術，在國內當前首屈一指，很好體現了 3D 打印的臨床用途。
盡管當前不少學者對 3D 打印技術應用于心血管領域的價值尚有一定爭議，諸如圖像信息丟失、不能提供額外解剖發現等，這樣的不足確實存在，而且由于 CT 數據本身對于心臟結構顯示的缺陷，比如對瓣膜結構顯示程度不夠精細等，都影響 3D 打印模型的精細程度。但 3D 打印所提供的實體模型在其可觸、可切、可測方面的價值是當前影像手段所不具備的，而且對于醫學教育和臨床操作練習方面的價值更是無法替代的。此外，對于患者 1，由于建模小組不具備醫學背景，不能完全理解解剖病變的位置和意義，從而在房間隔缺損的部位沒有真實反映，導致打印出的最終模型沒有房間隔缺損。這反映出目前 3D 打印在建模方面的局限性，也需要進一步加強醫生與工程師團隊的配合。研究小組在未來進一步改良計劃中，針對既有的中空心血管結構，采用高透明彈性軟質材料打印，在目標結構部位安裝傳感壓力部件，注入血液模擬心臟的心動周期血流動力，進而對結構改造后的心臟進行功能測試，切實達到對手術效果的預判斷，最終實現打印體從單純解剖形態向功能測試的進步。
3D（three-dimentional）打印也稱為“增材制造”或“快速成型”技術，利用電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imagine，MRI）、超聲等影像數據構建目標結構的 3D 模型文件，通過打印軟件設定打印參數，為每個打印層次生成輪廓和填充路徑，進而指導 3D 打印機采用不同的打印方式構建目標結構模型。在心血管病領域，在國外的應用案例開展較早，國內大多目前發表的文章尚在綜述階段。
本研究小組利用患者術前心臟 CT 數據，采用 WJP 白墨填充技術（White-Jet-Process）-高精度彩色多材料數字化增材制造技術，打印先天性心臟病實物模型，用于術前規劃，醫生培訓和手術組術前模擬，以期能夠提高術中配合默契度，縮短手術的時間，優化手術效果。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
研究納入 2 例患者資料，1 例為再次手術患者，1 例為初次手術患者，打印其心臟結構 1∶1 實體鏤空模型，一方面驗證本研究采用的 3D 打印技術在模型逼真度、軟硬度、顏色區分度方面的效果；另一方面用以指導術前規劃、手術模擬操作，評估其對手術效果的影響。
病例 1，女，7 個月 3 d，因“氣促、發紺、皮膚黃染 1+月，加重 3 d ”入當地醫院就診，行心臟彩超示：室間隔缺損、主動脈騎跨。遂轉入我院進一步治療，行心臟超聲示：右旋心、卵圓孔未閉、巨大室間隔缺損（功能單心室）、主動脈縮窄、動脈導管未閉。行心臟 CT 示：右旋心、房間隔缺損、心室雙入口型單心室（右心室型）、主動脈瓣下狹窄、主動脈弓發育不良、主動脈縮窄、動脈導管未閉。
病例 2，女，4 歲 7 個月，患兒于 4 年前因“發紺、氣促 2 月余，加重 4 d”入院，在我院行心臟彩超示診斷為先天性心臟病，肺動脈重度狹窄、右室發育不良、動脈導管未閉、卵圓孔未閉、三尖瓣重度反流。行右室流出道重建術、體肺分流術。患兒本次因肺炎入我院進一步治療。
1.2 心臟模型 3D 打印方法
利用患者心臟 CT 影像數據資料，使用閾值法分割和區域生長法重建心臟三維模型，采用 WJP 白墨填充技術（White-Jet-Process）-高精度彩色多材料數字化增材制造技術打印心臟實體模型，具體流程如下：醫生提供影像數據給建模工程師，工程師對數據進行融合并數字化、建模，然后輸出模型文件到 3 D 打印機，打印出多彩色、軟硬模型，最終形成實體心臟模型。
2 結果
2.1 患者術前 CT 資料
患者術前均行 64 排螺旋 CT 檢查心臟結構畸形。患者 1 術前 CT 資料見圖 1，患者 2 術前 CT 資料見圖 2。
圖1
患者 1 術前 CT 資料
a：房間隔缺損；b：巨大室間隔缺損（單心室）；c：主動脈縮窄、動脈導管未閉
圖2
患者 2 術前 CT 資料
a：房間隔缺損；b：B-T 分流管、右肺動脈狹窄后擴張；c：擴張的右室流出道
2.2 心臟 3D 打印實體全彩鏤空模型
經過術前三維建模和打印，患者的實際心臟打印效果見圖 3、圖 4。
圖3
患者 1 心臟 1∶1 實體鏤空全彩 3D 心臟模型
a：整體心臟正面觀，右旋心；b：房間隔缺損位置（白色箭頭所示，未打印出）；c：巨大室間隔缺損（單心室，白色箭頭所示）；d：主動脈縮窄、動脈導管未閉（白色箭頭所示）
圖4
患者 2 心臟 1∶1 實體鏤空全彩 3D 心臟模型
a：整體心臟正面觀，擴張的右室流出道（白色箭頭所示）；b：房間隔缺損位置（白色箭頭所示）；c：B-T 分流管、右肺動脈狹窄后擴張（白色箭頭所示）
研究小組為 2 例患者打印出的鏤空全彩 3 D 心臟實體模型體現了畸形病變部位的解剖細節，但患者 1 的房間隔缺損并沒有真實呈現出來。經過手術小組術前評估和對模型的實際模擬操作，確定患者 1 的手術方案為：主動脈弓部分切除伴重建術（Norwood 手術）、改良 Blalock-Taussig（B-T） 分流、房間隔缺損擴大術、動脈導管切斷縫合術。確定患者 2 的手術方案為：改良 B-T 分流（人造血管）B-T 管道拆除術。兩例患者術中所見與術前 CT 和心臟超聲結果診斷相符，與 3D 實體心臟模型結構相似。由于經過手術組的術前討論和模擬操作，手術過程順利，配合默契。患者 1 體外循環時間 168 min，主動脈阻斷時間 123 min；患者 2 手術時間 122 min，未阻斷主動脈。
3 討論
3D 打印技術在心血管領域的應用范圍廣，不僅在復雜先天性心臟病，而且在瓣膜類疾病、大血管疾病、心臟移植、心律失常等方面均有應用。本研究成功利用國產 3D 打印機制作出復雜先天性心臟畸形實體中空結構模型，將視覺二維/三維影像，轉換成可觸、可拆、可切、可任意角度觀察的實體模型。清晰立體呈現出病變部位的解剖特征以及與周圍結構的毗鄰關系，為術前手術方案的制定提供了更佳的參考依據。已有諸多研究[1-11]證實了 3D 打印技術在先天性心臟病診療領域的價值。Mirochnik 等[12]于 2000 年報道了 3D 打印技術在心臟解剖領域的應用，可以打印出舒張終期末的心臟形態、二尖瓣狹窄和脫垂、經皮植入裝置的房間隔缺損、心臟基底部的大血管等復雜結構畸形，這些技術可以應用于術前模擬手術操作、調整人工材料、病理生理研究、教學以及患者信息收集。Noecker 等[13]在 2006 年將 3D 打印技術應用在兒童心臟病領域中醫療裝置的設計，其中納入了 11 位兒童（2~13 歲，部分兒童有先天性心臟病），利用 CT 掃描的數據和商業可用的 3D 圖像處理軟件，其中有關心臟和胸腔的數據被提取并合成 3D 模型。作者認為 3D 模型對解剖結構之間的空間關系有很好的表現，在醫療裝置的發展設計中可以起到有效的幫助。Jacobs 等[14]利用 3D 打印技術對 3 例心臟疾病患者（心臟腫瘤、心室室壁瘤）進行術前模型制作，外科醫生可以確認危險結構，評估最理想的切除范圍，對可以輕易實現對重新成型后的左心室容量的保證。德國的慕尼黑“Ludwig-Maximilians-Universit?t München”心臟外科從 2006 年即開始利用 3D 技術為患者術前手術方案的制定提供依據，在其報道當中共有 8 例患者。該技術的應用可能會降低復雜、非常規心臟手術的死亡率和并發癥發生率[15]。
此外，本研究 2 例患者的主刀醫生和助手術前均在 3D 打印的實體標本上進行模擬操作和手術方案練習，強化了外科醫生尤其是助手對手術方案的理解以及對主刀醫生操作過程中的了解。國外相關研究表明，3D 技術在先天性心臟病的教學工作中也體現出了其對學生在知識獲取、解剖結構認知方面的優勢[16]，且在其他領域如內視鏡壺腹切除術教學領域也有不凡效果[17]。Lim 等[18]就傳統大體解剖教學和 3D 打印技術教學進行了對比，結果發現后者并沒有比大體解剖教學效果差，而且在后續利用 3D 教具對學生的長期評估方面優于大體標本。但也有學者認為 3D 模型的材質等方面不及傳統大體標本更具真實性[19]。
本研究所采用的 WJP 白墨填充技術（White-Jet-Process）-高精度彩色多材料數字化打印技術是國內外當前最先進的 3D 打印技術之一，所打印模型逼真度高，最大分辨率高達 10 μm 和 1 600 dpi 的打印精度，可獲得光滑、精致的打印體；速度快，具備全寬度上的高速光柵構建，以及最高達 3 840 組壓電噴嘴組合的精密設計，可實現更快速的精確打印，且無需二次固化。而且可滿足多材料打印，能更好體現不同組織的質地區別；滿足全彩色打印，可根據打印目的或解剖差異，呈現出不同組織結構的顏色區別。這種改良 3D 打印技術，在國內當前首屈一指，很好體現了 3D 打印的臨床用途。
盡管當前不少學者對 3D 打印技術應用于心血管領域的價值尚有一定爭議，諸如圖像信息丟失、不能提供額外解剖發現等，這樣的不足確實存在，而且由于 CT 數據本身對于心臟結構顯示的缺陷，比如對瓣膜結構顯示程度不夠精細等，都影響 3D 打印模型的精細程度。但 3D 打印所提供的實體模型在其可觸、可切、可測方面的價值是當前影像手段所不具備的，而且對于醫學教育和臨床操作練習方面的價值更是無法替代的。此外，對于患者 1，由于建模小組不具備醫學背景，不能完全理解解剖病變的位置和意義，從而在房間隔缺損的部位沒有真實反映，導致打印出的最終模型沒有房間隔缺損。這反映出目前 3D 打印在建模方面的局限性，也需要進一步加強醫生與工程師團隊的配合。研究小組在未來進一步改良計劃中，針對既有的中空心血管結構，采用高透明彈性軟質材料打印，在目標結構部位安裝傳感壓力部件，注入血液模擬心臟的心動周期血流動力，進而對結構改造后的心臟進行功能測試，切實達到對手術效果的預判斷，最終實現打印體從單純解剖形態向功能測試的進步。
