二尖瓣疾病是最常見的心臟瓣膜疾病，其主要治療方式是手術或介入治療。然而，二尖瓣及其瓣周解剖結構復雜，手術難度大，要求心外科醫師具有豐富的手術經驗。3D 打印技術能將 2D 醫學圖像轉化為三維實體模型，能詳細清晰地提供空間解剖信息及模擬手術的手段，為患者提供安全的、個性化的治療。本文就 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療中的應用進行綜述。
引用本文： 羅興達, 李小輝, 廖勝杰, 羅德志, 嚴小輝, 張曉慎. 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療中的應用. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2019, 26(5): 509-513. doi: 10.7507/1007-4848.201809024 復制
二尖瓣疾病是臨床上最常見的心臟瓣膜疾病，主要表現為二尖瓣關閉不全及二尖瓣狹窄[1]。目前，由風濕熱導致的二尖瓣病變仍是發展中國家的主要負擔[2-3]，而隨著老齡化社會的到來，退行性二尖瓣病變所帶來的影響亦不可小覷，二尖瓣疾病在 75 歲以上人群中的患病率已超過 10%[1, 4]。二尖瓣及其瓣周解剖結構復雜，手術難度大，要求手術醫師詳盡地掌握其解剖結構并有豐富的手術經驗。3D 打印技術最早由 Charles Hull 于 1986 年提出[5]，它能將醫學數字圖像數據轉化成三維立體模型，幫助醫師更好地了解人體解剖結構、制定手術方案及提供手術訓練的工具。隨著精準化、個性化醫療概念的提出，目前 3D 打印技術已廣泛應用于骨科、口腔科、整形美容科、神經外科、心血管外科等醫學領域[6]。近些年來，也有學者將 3D 打印技術應用于二尖瓣疾病的治療[7-11]，本文就 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療的應用進行綜述。
1 3D 打印技術概述
3D 打印技術，又稱為疊加制造技術或快速成型技術，它是一種通過逐層打印的方法把數字數據轉化為立體物理模型的技術，最早在 1990 年應用于醫學領域[12]。隨著醫學影像技術的發展，目前已經有 CT、MR 及超聲心動圖等影像手段能準確、無創地評估心臟結構缺陷。然而，由于心臟結構性疾病的空間解剖結構的復雜性，傳統的二維（2D）圖像極其考驗醫師的空間想象能力，并不能直觀地將其解剖結構呈現出來。3D 打印技術可以將影像數據轉化為 3D 立體模型，可以幫助臨床醫師更清晰地了解復雜的空間關系，同時提供了術前預演、訓練的可能性[7-8, 13]。
個性化心臟模型的 3D 打印通常需要先采集患者的三維心血管圖像并保存為 DICOM 格式，然后導入數據處理軟件中（如 Mimics、Vitrea、3-matic 等）[14]進行圖像分割處理，最后將數據以 STL 格式保存在基于 CAD 的軟件中并導入 3D 打印機中打印出心臟模型。目前常用的 3D 打印方法有熔融沉積造型（FDM）、光固化快速成形（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）及 Polyjet 技術等幾種，其中 Polyjet 技術由于打印精度高且可以同時組合多種顏色和材料來展現復雜的解剖結構而常用于患者特定模型的打印[15-16]。
獲取高質量的三維心血管圖像是打印高質量心臟模型的關鍵。高質量的三維圖像可以最大限度地縮短圖像處理時間并確保解剖結構的精確度，其需具有高空間分辨率、各向同性的特點，以此來提供豐富的細節，同時還需有足夠高的對比度來區分相鄰的結構。臨床上常用的三種心臟三維成像手段是 CT、磁共振成像（MRI）和超聲心動圖，其成像方法各有優劣。CT 具有高空間分辨率的特點，在增強模式下對心腔結構及血管的顯示具有一定的優勢，然而，在軟組織的顯示方面卻不如 MRI[17]，輻射暴露的問題也不能避免。相反，MRI 可以在沒有電離輻射的情況下采集高分辨率圖像，并且可以在沒有碘對比劑的情況下區分組織成分，然而，MRI 的空間分辨率通常低于 CT，這限制了其用于評估冠狀動脈或心臟瓣膜復合體內的小形態結構[15]。此外，MRI 檢查的時間及成本均高于 CT。超聲心動圖對于組織的分辨率不如前兩者，但其具有對心臟瓣膜等快速移動結構進行成像的優越能力[18]，還具有無輻射暴露、低成本及血流方向判斷的優勢，但是其成像受人為因素影響，且獲取的數據集視野有限，一次僅允許打印解剖結構的一個區域。
2 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療中的應用
目前，二尖瓣疾病的主要治療方式仍為外科手術或介入干預[2]，然而病變的二尖瓣解剖結構及血流動力學的改變，需要醫師對其解剖結構的精確理解及大量的訓練來保證手術的成功施行。3D 打印技術可以克服傳統 2D 圖像在空間結構顯示上的不足并提供了個性化的實體模型，已有 Mahmood 及 Witschey 等學者使用三維超聲心動圖采集圖像并打印出患者特定的二尖瓣模型并提出術前模擬及訓練的概念[19-20]。近些年來，隨著微創及介入技術的發展，國外有學者開始將 3D 打印技術應用于二尖瓣的微創及經導管介入治療（表 1）。
表1
3D 打印技術在二尖瓣疾病治療中應用的相關研究
2.1 3D 打印技術在微創二尖瓣手術中的應用
微創心臟手術（MICS）是從上世紀 90 年代中期開始使用的[21]，相比于傳統開胸手術，MICS 具有手術切口小，術后疼痛少，術后恢復快等優勢。在可成功進行手術的患者中二尖瓣成形術的效果優于二尖瓣置換術[22-23]，然而，二尖瓣成形術對醫師要求極高，術中對瓣膜的瓣葉切縫、人工腱索長短調整及成形環大小的選擇等都會影響手術效果。Owais 等[24]通過使用 3D 經食管超聲心動圖（TEE） 采集患者圖像并打印出二尖瓣瓣環模型，提供了術中成形環大小選擇的方法并提出制造患者個性化二尖瓣成形環的可能性。此外，為了避免操作不熟練而導致體外循環時間延長和手術失敗等情況出現，術前的培訓及模擬尤為重要。雖然已有一些學者開發出低保真的二尖瓣修復模擬器[25-26]，與實際手術中的操作表現仍有較大差別。Sardari 等[11]術前使用三維超聲心動圖采集二尖瓣收縮期的圖像并進行三維重建，通過 3D 打印出患者二尖瓣的模具并使用有機硅膠鑄模，將得到的二尖瓣模型置入其開發的二尖瓣模擬器中進行腔鏡下二尖瓣修復（P2 脫垂）。結果表明實際手術中與術前模擬的手術過程一致，并提出使用有機硅膠模擬二尖瓣能提供與實際相似的縫合體驗。Yamada 等[9]亦開發了一種高保真的腔鏡二尖瓣手術模擬訓練器。他們通過測量并模擬豬心的彈性模量、斷裂強度和含水量，開發了一種與心臟組織觸感相似的 PVA 材料，并將鑄造出的心臟模型置入 3D 打印的人體胸廓中模擬微創腔鏡二尖瓣手術，在模型中肋骨造成受限的手術操作空間及仿真的心臟模型材料使得模擬過程與實際手術十分相似。作者團隊在該訓練器上成功模擬了人工或在達芬奇操作系統下的瓣環成形、人工腱索重建、切割與縫合、緣對緣縫合等操作。然而，該訓練器使用 CT 進行數據采集并標準化建模，心臟模型的細節表現跟實際手術中仍有一定差別，還待開發出患者個性化的模型。目前，可有望通過 3D 打印技術打印出患者個性化的二尖瓣模型，為醫師提供手術訓練、術前規劃及模擬的工具，保證手術質量，縮短體外循環時間，提高手術安全性。
2.2 3D 打印技術在經導管二尖瓣治療中的應用
經導管二尖瓣修復（TMVP）及經導管二尖瓣置換（TMVR）主要應用于高齡并有多器官合并癥，不能耐受外科手術的患者[27]。目前，TMVP 已在國外常規開展，TMVR 也已進入臨床試驗階段，臨床隨訪結果滿意，而在國內仍鮮有報道[28-29]。經導管介入手術不能直視心內結構，操作難度大，為了避免裝置植入失敗、瓣周漏、左室流出道梗阻等情況，對植入裝置的大小、方向及錨定部位的選擇都有很高的要求。
Dankowski 等[13]通過術前打印患者心臟模型，將左心室、乳頭肌、瓣環等結構在模型中表現出來，幫助術前模擬測量以確定引導導管長度、Bident?導管的尺寸及定位，成功將 3D 打印技術首先應用于 Mitralign 系統輔助下的二尖瓣成形術。Little 等[8]使用 CT 數據打印出患者二尖瓣反流合并后葉穿孔模型，幫助選擇封堵器的型號及大小并成功手術。Vukicevic 等[10]利用 CT、超聲心動圖采集數據并使用多種材料打印出模擬實際二尖瓣特性的模型，他們在模型上使用 MitraClip 裝置進行模擬并在患者身上成功手術。兩個研究[7, 30]通過術前打印鈣化的二尖瓣模型并通過測量、術前模擬來選擇置入瓣膜的大小；El 團隊還使用虛擬 3D 模型和打印出來的實體模型進行瓣周漏、左心室流出道狹窄等風險的預估，為 TMVR 手術的進一步開展提供了可能性。以上例子都表明了術前對患者的心臟及二尖瓣進行 3D 打印及手術模擬不但有助于提高手術的精確性及安全性，還能增加操作熟練度，縮短手術時間，進而減少患者及醫師在心導管室的輻射暴露。此外，還有學者對接受過 MitraClip 的患者的二尖瓣進行三維心動圖成像，打印出二尖瓣模型并置入脈沖復制器中進行數據測量，證明了對 3D 打印二尖瓣模型進行流體動力學測定的可行性，有助于提高對二尖瓣的功能生理學及流體動力學的理解[31]。
3 不足與展望
目前 3D 打印技術在二尖瓣的打印上仍存在著一些不足：（1）打印出的二尖瓣模型不夠細膩，厚度及精細度跟真實瓣膜有一定差別[19]；（2）3D 打印的模型是靜態的，難以復制運動瓣膜的特征[32]；（3）圖像分割處理及打印模型所需時間仍過長[33]，打印材料昂貴，不能循環利用，耗費人力物力；（4）目前打印出來的瓣膜不能植入人體中進行瓣膜置換。這都在一定程度上限制了 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療上的廣泛應用。針對上述問題，我們需要改進圖像采集的方法，提高采圖質量，同時開發自動化的圖像分割處理軟件，減少圖像處理時間及人工操作所帶來的偏倚。另外，我們還需研發新的打印技術及材料來改善打印瓣膜的質量及減少成本。目前我們應用的二尖瓣置換的機械瓣存在著抗凝意外的風險，而生物瓣又存在著壽命有限的缺陷，為解決上述問題，現已有學者進行 3D 生物瓣膜打印的研究，并致力于開發出具有生物活性的高度個性化定制的 3D 打印瓣膜，但目前技術仍不成熟[34-35]。雖然目前在 3D 打印技術上我們還面臨著許多的挑戰，但該技術在二尖瓣疾病的解剖顯示、術前評估模擬、手術訓練等方面有很大優勢，它為我們提供了安全、個性化、精準化治療的可能。相信伴隨著上述問題的解決，3D 打印技術在二尖瓣疾病治療上的應用前景將一片光明。
二尖瓣疾病是臨床上最常見的心臟瓣膜疾病，主要表現為二尖瓣關閉不全及二尖瓣狹窄[1]。目前，由風濕熱導致的二尖瓣病變仍是發展中國家的主要負擔[2-3]，而隨著老齡化社會的到來，退行性二尖瓣病變所帶來的影響亦不可小覷，二尖瓣疾病在 75 歲以上人群中的患病率已超過 10%[1, 4]。二尖瓣及其瓣周解剖結構復雜，手術難度大，要求手術醫師詳盡地掌握其解剖結構并有豐富的手術經驗。3D 打印技術最早由 Charles Hull 于 1986 年提出[5]，它能將醫學數字圖像數據轉化成三維立體模型，幫助醫師更好地了解人體解剖結構、制定手術方案及提供手術訓練的工具。隨著精準化、個性化醫療概念的提出，目前 3D 打印技術已廣泛應用于骨科、口腔科、整形美容科、神經外科、心血管外科等醫學領域[6]。近些年來，也有學者將 3D 打印技術應用于二尖瓣疾病的治療[7-11]，本文就 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療的應用進行綜述。
1 3D 打印技術概述
3D 打印技術，又稱為疊加制造技術或快速成型技術，它是一種通過逐層打印的方法把數字數據轉化為立體物理模型的技術，最早在 1990 年應用于醫學領域[12]。隨著醫學影像技術的發展，目前已經有 CT、MR 及超聲心動圖等影像手段能準確、無創地評估心臟結構缺陷。然而，由于心臟結構性疾病的空間解剖結構的復雜性，傳統的二維（2D）圖像極其考驗醫師的空間想象能力，并不能直觀地將其解剖結構呈現出來。3D 打印技術可以將影像數據轉化為 3D 立體模型，可以幫助臨床醫師更清晰地了解復雜的空間關系，同時提供了術前預演、訓練的可能性[7-8, 13]。
個性化心臟模型的 3D 打印通常需要先采集患者的三維心血管圖像并保存為 DICOM 格式，然后導入數據處理軟件中（如 Mimics、Vitrea、3-matic 等）[14]進行圖像分割處理，最后將數據以 STL 格式保存在基于 CAD 的軟件中并導入 3D 打印機中打印出心臟模型。目前常用的 3D 打印方法有熔融沉積造型（FDM）、光固化快速成形（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）及 Polyjet 技術等幾種，其中 Polyjet 技術由于打印精度高且可以同時組合多種顏色和材料來展現復雜的解剖結構而常用于患者特定模型的打印[15-16]。
獲取高質量的三維心血管圖像是打印高質量心臟模型的關鍵。高質量的三維圖像可以最大限度地縮短圖像處理時間并確保解剖結構的精確度，其需具有高空間分辨率、各向同性的特點，以此來提供豐富的細節，同時還需有足夠高的對比度來區分相鄰的結構。臨床上常用的三種心臟三維成像手段是 CT、磁共振成像（MRI）和超聲心動圖，其成像方法各有優劣。CT 具有高空間分辨率的特點，在增強模式下對心腔結構及血管的顯示具有一定的優勢，然而，在軟組織的顯示方面卻不如 MRI[17]，輻射暴露的問題也不能避免。相反，MRI 可以在沒有電離輻射的情況下采集高分辨率圖像，并且可以在沒有碘對比劑的情況下區分組織成分，然而，MRI 的空間分辨率通常低于 CT，這限制了其用于評估冠狀動脈或心臟瓣膜復合體內的小形態結構[15]。此外，MRI 檢查的時間及成本均高于 CT。超聲心動圖對于組織的分辨率不如前兩者，但其具有對心臟瓣膜等快速移動結構進行成像的優越能力[18]，還具有無輻射暴露、低成本及血流方向判斷的優勢，但是其成像受人為因素影響，且獲取的數據集視野有限，一次僅允許打印解剖結構的一個區域。
2 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療中的應用
目前，二尖瓣疾病的主要治療方式仍為外科手術或介入干預[2]，然而病變的二尖瓣解剖結構及血流動力學的改變，需要醫師對其解剖結構的精確理解及大量的訓練來保證手術的成功施行。3D 打印技術可以克服傳統 2D 圖像在空間結構顯示上的不足并提供了個性化的實體模型，已有 Mahmood 及 Witschey 等學者使用三維超聲心動圖采集圖像并打印出患者特定的二尖瓣模型并提出術前模擬及訓練的概念[19-20]。近些年來，隨著微創及介入技術的發展，國外有學者開始將 3D 打印技術應用于二尖瓣的微創及經導管介入治療（表 1）。
表1
3D 打印技術在二尖瓣疾病治療中應用的相關研究
2.1 3D 打印技術在微創二尖瓣手術中的應用
微創心臟手術（MICS）是從上世紀 90 年代中期開始使用的[21]，相比于傳統開胸手術，MICS 具有手術切口小，術后疼痛少，術后恢復快等優勢。在可成功進行手術的患者中二尖瓣成形術的效果優于二尖瓣置換術[22-23]，然而，二尖瓣成形術對醫師要求極高，術中對瓣膜的瓣葉切縫、人工腱索長短調整及成形環大小的選擇等都會影響手術效果。Owais 等[24]通過使用 3D 經食管超聲心動圖（TEE） 采集患者圖像并打印出二尖瓣瓣環模型，提供了術中成形環大小選擇的方法并提出制造患者個性化二尖瓣成形環的可能性。此外，為了避免操作不熟練而導致體外循環時間延長和手術失敗等情況出現，術前的培訓及模擬尤為重要。雖然已有一些學者開發出低保真的二尖瓣修復模擬器[25-26]，與實際手術中的操作表現仍有較大差別。Sardari 等[11]術前使用三維超聲心動圖采集二尖瓣收縮期的圖像并進行三維重建，通過 3D 打印出患者二尖瓣的模具并使用有機硅膠鑄模，將得到的二尖瓣模型置入其開發的二尖瓣模擬器中進行腔鏡下二尖瓣修復（P2 脫垂）。結果表明實際手術中與術前模擬的手術過程一致，并提出使用有機硅膠模擬二尖瓣能提供與實際相似的縫合體驗。Yamada 等[9]亦開發了一種高保真的腔鏡二尖瓣手術模擬訓練器。他們通過測量并模擬豬心的彈性模量、斷裂強度和含水量，開發了一種與心臟組織觸感相似的 PVA 材料，并將鑄造出的心臟模型置入 3D 打印的人體胸廓中模擬微創腔鏡二尖瓣手術，在模型中肋骨造成受限的手術操作空間及仿真的心臟模型材料使得模擬過程與實際手術十分相似。作者團隊在該訓練器上成功模擬了人工或在達芬奇操作系統下的瓣環成形、人工腱索重建、切割與縫合、緣對緣縫合等操作。然而，該訓練器使用 CT 進行數據采集并標準化建模，心臟模型的細節表現跟實際手術中仍有一定差別，還待開發出患者個性化的模型。目前，可有望通過 3D 打印技術打印出患者個性化的二尖瓣模型，為醫師提供手術訓練、術前規劃及模擬的工具，保證手術質量，縮短體外循環時間，提高手術安全性。
2.2 3D 打印技術在經導管二尖瓣治療中的應用
經導管二尖瓣修復（TMVP）及經導管二尖瓣置換（TMVR）主要應用于高齡并有多器官合并癥，不能耐受外科手術的患者[27]。目前，TMVP 已在國外常規開展，TMVR 也已進入臨床試驗階段，臨床隨訪結果滿意，而在國內仍鮮有報道[28-29]。經導管介入手術不能直視心內結構，操作難度大，為了避免裝置植入失敗、瓣周漏、左室流出道梗阻等情況，對植入裝置的大小、方向及錨定部位的選擇都有很高的要求。
Dankowski 等[13]通過術前打印患者心臟模型，將左心室、乳頭肌、瓣環等結構在模型中表現出來，幫助術前模擬測量以確定引導導管長度、Bident?導管的尺寸及定位，成功將 3D 打印技術首先應用于 Mitralign 系統輔助下的二尖瓣成形術。Little 等[8]使用 CT 數據打印出患者二尖瓣反流合并后葉穿孔模型，幫助選擇封堵器的型號及大小并成功手術。Vukicevic 等[10]利用 CT、超聲心動圖采集數據并使用多種材料打印出模擬實際二尖瓣特性的模型，他們在模型上使用 MitraClip 裝置進行模擬并在患者身上成功手術。兩個研究[7, 30]通過術前打印鈣化的二尖瓣模型并通過測量、術前模擬來選擇置入瓣膜的大小；El 團隊還使用虛擬 3D 模型和打印出來的實體模型進行瓣周漏、左心室流出道狹窄等風險的預估，為 TMVR 手術的進一步開展提供了可能性。以上例子都表明了術前對患者的心臟及二尖瓣進行 3D 打印及手術模擬不但有助于提高手術的精確性及安全性，還能增加操作熟練度，縮短手術時間，進而減少患者及醫師在心導管室的輻射暴露。此外，還有學者對接受過 MitraClip 的患者的二尖瓣進行三維心動圖成像，打印出二尖瓣模型并置入脈沖復制器中進行數據測量，證明了對 3D 打印二尖瓣模型進行流體動力學測定的可行性，有助于提高對二尖瓣的功能生理學及流體動力學的理解[31]。
3 不足與展望
目前 3D 打印技術在二尖瓣的打印上仍存在著一些不足：（1）打印出的二尖瓣模型不夠細膩，厚度及精細度跟真實瓣膜有一定差別[19]；（2）3D 打印的模型是靜態的，難以復制運動瓣膜的特征[32]；（3）圖像分割處理及打印模型所需時間仍過長[33]，打印材料昂貴，不能循環利用，耗費人力物力；（4）目前打印出來的瓣膜不能植入人體中進行瓣膜置換。這都在一定程度上限制了 3D 打印技術在二尖瓣疾病治療上的廣泛應用。針對上述問題，我們需要改進圖像采集的方法，提高采圖質量，同時開發自動化的圖像分割處理軟件，減少圖像處理時間及人工操作所帶來的偏倚。另外，我們還需研發新的打印技術及材料來改善打印瓣膜的質量及減少成本。目前我們應用的二尖瓣置換的機械瓣存在著抗凝意外的風險，而生物瓣又存在著壽命有限的缺陷，為解決上述問題，現已有學者進行 3D 生物瓣膜打印的研究，并致力于開發出具有生物活性的高度個性化定制的 3D 打印瓣膜，但目前技術仍不成熟[34-35]。雖然目前在 3D 打印技術上我們還面臨著許多的挑戰，但該技術在二尖瓣疾病的解剖顯示、術前評估模擬、手術訓練等方面有很大優勢，它為我們提供了安全、個性化、精準化治療的可能。相信伴隨著上述問題的解決，3D 打印技術在二尖瓣疾病治療上的應用前景將一片光明。
