引用本文： 伍冬冬, 顧其華, 潘頻華, 曹立明, 孟婕, 胡成平. 3D打印技術引導氣道狹窄支架置入術一例. 中國呼吸與危重監護雜志, 2014, 13(6): 610-612. doi: 10.7507/1671-6205.2014150 復制
3D打印技術在醫療領域的應用是目前國內外研究的熱點之一，在牙科整形、血管支架、人體假肢等領域的應用正在蓬勃發展，已越來越受到醫師們的關注。但是這項技術在氣管狹窄支架植入術領域中的應用卻少見報道。本科最近應用3D打印技術重建患者氣道模型并成功指導患者氣管內支架植入術，現報告如下。
臨床資料?患者男性，60歲。于2014年6月30日因“聲嘶、咳嗽、咳痰5個月，加重伴氣促1個月余”入院。查體：雙側頸部多個黃豆大小淋巴結，桶狀胸，可見三凹征，雙肺叩診過清音，呼吸音減弱，吸氣相延長，可聞及吸氣相干啰音。入我院行肺部CT檢查提示后上縱隔內軟組織密度灶，大小約4.0 cm×2.8 cm×5.3 cm，CT值41 HU，增強后CT值81 HU，氣管下段被包繞，管腔明顯變窄，與食管分界不清，下段食管管壁增厚，縱隔內未見明顯腫大淋巴結影；食管來源惡性病變？左上肺感染(圖 1)。診斷為上縱隔占位性病變、氣管狹窄。
圖1
CT肺平掃圖像 a．氣管上段輪廓尚正常；b~d．后上縱隔內軟組織密度灶，氣管下段被包繞，管腔明顯變窄(箭頭所示)，與食管分界限不清
患者明顯氣促，術前氣管狹窄程度Cotton評分[1]Ⅲ級，氣促評級4級，考慮有氣管支架植入術指征。根據CT掃描氣管支氣管成像數據按實際比例制作氣管支氣管3D打印模型。模型尺寸：氣管長度10.5 cm，氣管壁厚度約3 mm，氣管最大直徑為1.8 cm，最小直徑為0.5 cm，狹窄范圍約6 cm，根據3D打印模型(圖 2和圖 3)制訂氣管支架長度、直徑和氣道內植入位置，然后在全身麻醉下行支氣管鏡檢查并引導準確放置1.8 cm×6 cm支架(圖 4)，支架通暢，術中及術后生命體征平穩，無嚴重并發癥發生。其后患者氣促及呼吸困難情況明顯改善。氣管下端黏膜病理學檢查結果提示壞死組織中見4小團異型細胞巢，高度疑似為癌，宜再檢；另見曲霉菌絲。
圖2
3D建模及實物圖像 a．從聲門至段支氣管3D建模圖像，整體觀可明確顯示氣管下段狹窄部位及范圍；b．3D打印實物圖正面觀；c．3D打印實物圖后面觀
圖3
3D打印實物圖像 中空氣道模型并用鋼絲探查
圖4
纖維支氣管鏡診療圖像 a．氣管中下段腫瘤狹窄，狹窄上端距聲門下端3 cm，狹窄下端幾乎平隆突水平；b．根據3D打印模型引導支氣管鏡下放置1.8 cm×6 cm支架，支架通暢；c．氣管支架植入術后3 d復查圖像
討論?中央氣道為氣體進出的主要通道，一旦發生狹窄，即可出現反復咳嗽、咳痰以及呼吸困難等癥狀，常常引起呼吸衰竭導致患者死亡。中央氣道狹窄是氣管支架植入術的有效指征，在支架植入之前，狹窄段的嚴重程度及長度都需要評估。常規CT的橫斷面圖像不能顯示氣管主支氣管的整體結構，對病變的顯示缺乏整體觀。圖像技術對解剖學及病理學的展現都非常重要，簡單的重組圖像可能會對病灶部位的3D可視化提供幫助，然而在彌漫性氣道受累或者動態變化的復雜情況下，3D模型可以對診療方案提供巨大幫助[2]。
3D打印技術最早出現于20世紀80年代，首先在工程領域應用，是一種快速成型技術[3]。它利用重建的三維數字模型，運用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造三維物體。常見的重建方式包括多平面重建、三維容積再現、最小容積投影等，評價氣管還可以采用虛擬支氣管鏡。3D打印在形態學方面有很好的展現能力。利用該技術重建的氣道三維圖像可以系統、準確地表現氣管的正常和病理解剖特點，在薄層容積數據采集的基礎上，從冠狀、矢狀及任意角度顯示氣管、支氣管樹的輪廓，并可以達到與纖維支氣管鏡和外科解剖所見相似的病理生理信息。在醫學領域，隨著計算機斷層掃描和核磁共振技術的發展，放射學診斷變得更精確，創傷也更小，而且其高分辨率的三維圖像數據在數秒內就可以獲得，成為理想的三維數據獲取手段。而且，CT三維重建可以全面完整、立體直觀地顯示正常解剖形態及異常形態學改變，在呼吸道疾病方面彌補了橫斷面圖像對氣管、支氣管長軸顯示不足的缺陷。
隨著3D技術的發展，我們能夠將螺旋CT三維重建的圖像通過3D打印機“打印”出來，形成真正的三維實物。3D打印的氣管模型可以多方位、多角度地觀察氣道病變的位置以及腫瘤所致管腔的變形和狹窄，能夠比較準確地測量狹窄的長度及寬度；3D模型可以將病變的器官組織將更加直觀地展現，臨床醫生在觀察病變部位或制定手術計劃時更加方便；對于一些風險性比較高的手術，醫生可以用這些模型先進行模擬訓練，降低手術的風險；同時可以深入淺出地與缺乏相關醫療知識的病患及其家屬進行溝通；在醫療教學方面，打印出的病例模型相對于書本上的圖文更加生動靈活。
本例患者在獲取CT掃描信息的基礎上采用3D重建方法，不僅明確直觀地展現了氣管及支氣管的形態結構，同時明確顯示了狹窄的位置。由于狹窄下端幾乎平隆突水平，支架下端擬定位于隆突上端約0.5 cm處，避免了支架全程覆蓋狹窄段頂住氣管隆突的問題。因此，3D打印模型可以對支架的定位和大小的選擇提供幫助，便于準確地定量測量狹窄的程度，指導氣管支架的植入，以及盡量避免支架的移位；還可以將支架放入3D模型中，從而預計放入支架后的情況。雖然目前在實際工作中3D打印氣道模型對于氣道支架置放來說并不是常規的，但無疑是非常有益的補充。尤其對于氣管嚴重狹窄的患者，在纖維支氣管鏡亦不能通過的情況下，3D建模卻可以清晰地顯示氣道內部情況，這是其他檢查技術無法比擬的，更體現出其優勢所在。因此，利用CT掃描影像制造的3D模型對指導外科或者介入治療意義重大。
3D氣道模型的意義并不局限于了解病變范圍和位置及指導支架的選擇和置放，如果將來可以進一步利用與人體組織相容性生物材料打印出正常氣管來替換原有的病變氣管，或對于氣道塌陷的患者打印出相應的氣管夾板來支撐氣道，那么3D打印在呼吸領域的應用將會日新月異。另外，如果CT三維重建后的圖像經過簡單的處理及格式轉換，直接由3D打印機制作出來，省去了3D建模這一復雜過程，實現3D打印機與CT三維重建的結合應用，將無疑是醫療技術的一大飛躍，同時3D打印的成本也會隨之降低，目前尚存在軟件接口等技術問題需要解決[4]。
3D打印材料是制約3D打印技術廣泛應用的重要因素。相信隨著3D技術的不斷進步，通過計算機輔助制造技術(computer-assisted manufacture，CAM)可以制造支架用于組織修復[5]。在原材料的選擇上我們可以直接控制細胞的種類和功能[6]，也許未來通過3D生物打印用來打印氣管支架甚至個性化定制亦有可能。雖然3D打印技術的優勢比較明顯，但是相對于普通的影像學檢測技術仍稍顯昂貴。相信隨著技術的發展其不足之處將得以克服，3D技術在臨床中的應用將更加廣泛，臨床意義將進一步得到驗證。
3D打印技術在醫療領域的應用是目前國內外研究的熱點之一，在牙科整形、血管支架、人體假肢等領域的應用正在蓬勃發展，已越來越受到醫師們的關注。但是這項技術在氣管狹窄支架植入術領域中的應用卻少見報道。本科最近應用3D打印技術重建患者氣道模型并成功指導患者氣管內支架植入術，現報告如下。
臨床資料?患者男性，60歲。于2014年6月30日因“聲嘶、咳嗽、咳痰5個月，加重伴氣促1個月余”入院。查體：雙側頸部多個黃豆大小淋巴結，桶狀胸，可見三凹征，雙肺叩診過清音，呼吸音減弱，吸氣相延長，可聞及吸氣相干啰音。入我院行肺部CT檢查提示后上縱隔內軟組織密度灶，大小約4.0 cm×2.8 cm×5.3 cm，CT值41 HU，增強后CT值81 HU，氣管下段被包繞，管腔明顯變窄，與食管分界不清，下段食管管壁增厚，縱隔內未見明顯腫大淋巴結影；食管來源惡性病變？左上肺感染(圖 1)。診斷為上縱隔占位性病變、氣管狹窄。
圖1
CT肺平掃圖像 a．氣管上段輪廓尚正常；b~d．后上縱隔內軟組織密度灶，氣管下段被包繞，管腔明顯變窄(箭頭所示)，與食管分界限不清
患者明顯氣促，術前氣管狹窄程度Cotton評分[1]Ⅲ級，氣促評級4級，考慮有氣管支架植入術指征。根據CT掃描氣管支氣管成像數據按實際比例制作氣管支氣管3D打印模型。模型尺寸：氣管長度10.5 cm，氣管壁厚度約3 mm，氣管最大直徑為1.8 cm，最小直徑為0.5 cm，狹窄范圍約6 cm，根據3D打印模型(圖 2和圖 3)制訂氣管支架長度、直徑和氣道內植入位置，然后在全身麻醉下行支氣管鏡檢查并引導準確放置1.8 cm×6 cm支架(圖 4)，支架通暢，術中及術后生命體征平穩，無嚴重并發癥發生。其后患者氣促及呼吸困難情況明顯改善。氣管下端黏膜病理學檢查結果提示壞死組織中見4小團異型細胞巢，高度疑似為癌，宜再檢；另見曲霉菌絲。
圖2
3D建模及實物圖像 a．從聲門至段支氣管3D建模圖像，整體觀可明確顯示氣管下段狹窄部位及范圍；b．3D打印實物圖正面觀；c．3D打印實物圖后面觀
圖3
3D打印實物圖像 中空氣道模型并用鋼絲探查
圖4
纖維支氣管鏡診療圖像 a．氣管中下段腫瘤狹窄，狹窄上端距聲門下端3 cm，狹窄下端幾乎平隆突水平；b．根據3D打印模型引導支氣管鏡下放置1.8 cm×6 cm支架，支架通暢；c．氣管支架植入術后3 d復查圖像
討論?中央氣道為氣體進出的主要通道，一旦發生狹窄，即可出現反復咳嗽、咳痰以及呼吸困難等癥狀，常常引起呼吸衰竭導致患者死亡。中央氣道狹窄是氣管支架植入術的有效指征，在支架植入之前，狹窄段的嚴重程度及長度都需要評估。常規CT的橫斷面圖像不能顯示氣管主支氣管的整體結構，對病變的顯示缺乏整體觀。圖像技術對解剖學及病理學的展現都非常重要，簡單的重組圖像可能會對病灶部位的3D可視化提供幫助，然而在彌漫性氣道受累或者動態變化的復雜情況下，3D模型可以對診療方案提供巨大幫助[2]。
3D打印技術最早出現于20世紀80年代，首先在工程領域應用，是一種快速成型技術[3]。它利用重建的三維數字模型，運用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造三維物體。常見的重建方式包括多平面重建、三維容積再現、最小容積投影等，評價氣管還可以采用虛擬支氣管鏡。3D打印在形態學方面有很好的展現能力。利用該技術重建的氣道三維圖像可以系統、準確地表現氣管的正常和病理解剖特點，在薄層容積數據采集的基礎上，從冠狀、矢狀及任意角度顯示氣管、支氣管樹的輪廓，并可以達到與纖維支氣管鏡和外科解剖所見相似的病理生理信息。在醫學領域，隨著計算機斷層掃描和核磁共振技術的發展，放射學診斷變得更精確，創傷也更小，而且其高分辨率的三維圖像數據在數秒內就可以獲得，成為理想的三維數據獲取手段。而且，CT三維重建可以全面完整、立體直觀地顯示正常解剖形態及異常形態學改變，在呼吸道疾病方面彌補了橫斷面圖像對氣管、支氣管長軸顯示不足的缺陷。
隨著3D技術的發展，我們能夠將螺旋CT三維重建的圖像通過3D打印機“打印”出來，形成真正的三維實物。3D打印的氣管模型可以多方位、多角度地觀察氣道病變的位置以及腫瘤所致管腔的變形和狹窄，能夠比較準確地測量狹窄的長度及寬度；3D模型可以將病變的器官組織將更加直觀地展現，臨床醫生在觀察病變部位或制定手術計劃時更加方便；對于一些風險性比較高的手術，醫生可以用這些模型先進行模擬訓練，降低手術的風險；同時可以深入淺出地與缺乏相關醫療知識的病患及其家屬進行溝通；在醫療教學方面，打印出的病例模型相對于書本上的圖文更加生動靈活。
本例患者在獲取CT掃描信息的基礎上采用3D重建方法，不僅明確直觀地展現了氣管及支氣管的形態結構，同時明確顯示了狹窄的位置。由于狹窄下端幾乎平隆突水平，支架下端擬定位于隆突上端約0.5 cm處，避免了支架全程覆蓋狹窄段頂住氣管隆突的問題。因此，3D打印模型可以對支架的定位和大小的選擇提供幫助，便于準確地定量測量狹窄的程度，指導氣管支架的植入，以及盡量避免支架的移位；還可以將支架放入3D模型中，從而預計放入支架后的情況。雖然目前在實際工作中3D打印氣道模型對于氣道支架置放來說并不是常規的，但無疑是非常有益的補充。尤其對于氣管嚴重狹窄的患者，在纖維支氣管鏡亦不能通過的情況下，3D建模卻可以清晰地顯示氣道內部情況，這是其他檢查技術無法比擬的，更體現出其優勢所在。因此，利用CT掃描影像制造的3D模型對指導外科或者介入治療意義重大。
3D氣道模型的意義并不局限于了解病變范圍和位置及指導支架的選擇和置放，如果將來可以進一步利用與人體組織相容性生物材料打印出正常氣管來替換原有的病變氣管，或對于氣道塌陷的患者打印出相應的氣管夾板來支撐氣道，那么3D打印在呼吸領域的應用將會日新月異。另外，如果CT三維重建后的圖像經過簡單的處理及格式轉換，直接由3D打印機制作出來，省去了3D建模這一復雜過程，實現3D打印機與CT三維重建的結合應用，將無疑是醫療技術的一大飛躍，同時3D打印的成本也會隨之降低，目前尚存在軟件接口等技術問題需要解決[4]。
3D打印材料是制約3D打印技術廣泛應用的重要因素。相信隨著3D技術的不斷進步，通過計算機輔助制造技術(computer-assisted manufacture，CAM)可以制造支架用于組織修復[5]。在原材料的選擇上我們可以直接控制細胞的種類和功能[6]，也許未來通過3D生物打印用來打印氣管支架甚至個性化定制亦有可能。雖然3D打印技術的優勢比較明顯，但是相對于普通的影像學檢測技術仍稍顯昂貴。相信隨著技術的發展其不足之處將得以克服，3D技術在臨床中的應用將更加廣泛，臨床意義將進一步得到驗證。
