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1、2020年心血管3D打印的进展和展望(全文)随着社会的进步及对医疗安全要求的不断提高，医学教育在20世纪得到快速发展，心血管医学也同样经历着巨大的变革，尤其是在心脏病介入治疗领域，如结构性心脏病介入治疗学和心脏电生理学等，体外手术模拟和介入治疗方案的选择被视为提高手术成功率和保证患者安全性的重要因素。1213D打印已成为心血管内外科教学与仿真模拟工具3D打印技术业已成为满足体外手术模拟和介入治疗方案两方面要求的有力工具，能够良好模拟人体各个解剖结构以及描述结构之间的关系，使制作个体化模型成为可能，这意味着3D打印模型具有患者个体化的解剖特征，能够更好地解析复杂心脏解剖结构及变异，如先天性心脏病
2、、冠状动脉异常起源、肺血管疾病、瓣膜病、左心耳(Leftatrialappendage，LAA)病变等。此外，3D打印还可用于模拟演示患者心脏的生理病理活动。医生术前一定要充分了解患者解剖结构特征，同时也让学生更好地理解各种手术方式的应用，如房间隔缺损(Atrialseptaldefect，ASD)、LAA封堵或治疗复杂先天性心脏病等，在解决这些问题的过程中，3D打印模型可能成为介入手术或者外科医生教学训练的有效工具。对于复杂介入手术，可以使手术的DSA曝光时间得到最大程度的缩短。3D打印模型也可以被分割成不同截面，学生可以从各个角度观察心脏的内部结构，对于学生或医生了解心血管解剖结构、训练手
3、术技能大有裨益。尤其是对于介入心脏病学或电生理医生，手术成功的关键在于能够在各种成像定位中都能够充分了解心脏结构（如左前斜位、右前斜位、头侧位和前后投影）。心血管领域越来越依赖于先进的成像技术和3D打印重建技术，常用的成像方式包括计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和超声心动图都在不断地发展。从教学角度来讲，3D打印技术使学生能更好地理解心脏成像和体内解剖之间的关系，这是心血管介入手术的关键。3D打印技术易与如食道超声心动图（TEE）或心内超声心动图等成像工具相偶联，成为完整的仿真模拟工具，使受训者或者介入医生能够根据导管室实际操作过程中看到的图像与3D打印模型相联系，从而更好地理解患
4、者的心血管解剖结构。此外心血管3D打印模型能够提高学生的学习能力和患者的安全性，作为介入和外科手术的强有力工具，将在未来复杂心血管介入手术培训中发挥越来越重要的作用。12.2 3D打印在心血管疾病的临床应用展望在常见结构性心脏病介入诊疗实践中，临床医生已经认识到复杂的结构性心脏病存在个体差异，在前面的章节中，已经探讨了3D打印技术在该类患者中的潜在应用价值。包括如下： 经导管主动脉瓣膜置换(Transcatheteraorticvalvereplacement，TAVR)、ASD和室间隔缺损(Ventricularseptaldefect，VSD)封堵术、瓣周漏(Perivalvularlea
5、k，PVL)介入封堵和LAA封堵术的术前评估。介入医生可以根据患者特定疾病部位的3D打印模型进行可视化操作，确定导丝导管的位置以及植入器械的型号，从而选择最优的手术路径及手术方式。未来，随着3D打印材料和打印技术地不断发展，心血管介入医生将根据每个患者特定的病情，进行个体化3D心脏模型打印，优化手术方案。 重建功能模型。在日常临床实践中，心血管医生经常会遇到瓣膜病变引起血流动力学等病理改变，对于严重复杂病例的评估十分具有挑战性，在个别类型的手术中如重度主动脉狭窄(Aorticstenosis,AS)和主动脉瓣反流(Aorticregurgitation，AR)等情况尤为明显。利用主动脉瓣病变患
6、者多模态3D成像以及多种3D打印材料制作的3D打印模型，再结合动态成像，将可以模拟主动脉瓣频谱和功能障碍。最近的硏究报道了利用多种材料对8名重度退行性AS患者的主动脉瓣膜进行3D打印，并在体外模拟血流动力学的流体环境中对每个瓣膜进行功能学评估，每个模型都对主动脉瓣解剖结构包括钙化点、瓣叶增厚部位、瓣口形状等进行了精确的复制。结果表明，3D打印模型瓣口面积随着流量增加而增大。因此，患者特异性3D打印功能模型可以针对不同疾病状态提供可控、可重复性的测试。类似的功能流量模型也可以用于新型心血管器械以及流量储备分数等新的诊断方法的测试。未来，这些患者特定3D模型可能成为心血管植入医疗器械临床前测试的基
7、石。而目前临床前测试多使用动物模型，3D打印模型可减少实验动物使用量，并提供更加精确的人体解剖学和生理学指标，未来将带来更多益处。 定制专用植入器械。3D打印器械在口腔科、颌面外科的患者中具有巨大的应用潜力，并且已有很多应用产品，在未来心血管介入治疗领域，3D技术的进步将在符合医疗监管机构的要求的情况下，满足更多患者的特殊需求。12.2.1电生理学应用射频消融是治疗心律失常的常用方法。过去二十年间，复杂心律失常的三维电生理解剖标测和消融方面有了突飞猛进的发展，三维虚拟电生理解剖图和实时导管可视化绘图提高了心血管介入手术的可视化水平，极大地推进复杂心律失常射频消融领域的发展。然而，心脏解剖的复杂
8、性以及心律失常治疗对于多数术者仍具有挑战性。因此，患者特定的3D打印模型有助于更好地阐明心律失常机理，具有更好的靶向性和可重复性。例如，左心房、肺静脉和LAA等患者3D打印模型基于每个人独特的解剖结构，有助于选择最佳的治疗方案、导管以及消融技术（心内膜和/或心外膜），利用模型预先进行体外模拟手术对于提高手术成功率很有帮助。这种模型还可以帮助医生在乳头肌和主动脉瓣瓣尖部等复杂解剖结构中找到心律失常的异位起搏点。另一个重要电生理学应用是在心脏再同步治疗中建立冠状动脉窦特异性3D打印模型，辅助寻找冠状窦最佳位置的手术路线，这种方法可以缩短手术时间、减少辐射暴露和造影剂使用量。未来3D生物打印心脏模型
9、可模拟心脏电传导系统，协助术者靶向定位心律失常的关键部位（如AV节点），甚至起到优化起搏位置的作用。12.2.2结构性心脏病尽管有多模态成像技术的辅助，如何实现复杂先天性心脏病以及结构性心脏病的三维可视化（如TAVR）是目前心脏病学中最难解决的问题之一。近十几年来，TAVR在全球的快速发展，为结构性心脏病的微创治疗提供了新思路和新经验，越来越多的严重老年瓣膜病患者得到了救治。因此，对于儿童或成人复杂结构性心脏病，患者特异性3D打印模型对术前选择最佳的手术路径和缺损的空间位置定位至关重要。此外，患者自身主要血管的大小、形状、分流情况，都与姑息性或矫正性手术、心脏移植和心室辅助装置植入密切相关。未
10、来，先天性心脏病的治疗还可根据患者的年龄、解剖结构定制3D打印专用医疗器械（如同种移植物、封堵器、人工瓣膜等）。可以预见，因为每名先心病患者都有独特的解剖结构，需要制定个体化的手术方案和装置，3D打印技术在先天性心脏病的治疗中将会发挥重要作用。12.2.3冠状动脉和全身血管疾病目前3D打印技术已经可以打印大血管和冠状动脉模型。对于冠状动脉模型，三维仿真模型有助于冠状动脉血流动力学评估，并且术后的冠脉解剖结构成为可视可触的真实模型。冠状动脉模型可以用来评估无创血流定量技术的体外疗效（如冠状动脉病变部位的血流储备分数），也有助于复杂冠状动脉介入治疗的术前手术方案的确定（如冠状动脉分叉支架置入术）。
11、在全身大血管应用方面，3D打印在一些手术中已经展现出了其巨大的临床应用价值。马方综合征和主动脉瘤患者，一种被称为个体化主动脉根部外支撑(Personalizedexternalaorticrootsupport,PEARS)可以替代主动脉根部置换术。PEARS利用快速打印技术在患者主动脉根部周围重建了个体化编织打印的网格模型，精确复制了患者主动脉根部形态，定制的外支撑植入物可进行外科手术植入，替换患者病变的主动脉根部及瓣膜。3D打印的另一个应用是介入手术方案的规划，患者3D打印模型可辅助最佳支架尺寸选择、降主动脉瘤主动脉弓部位的开窗大小和定位的评估，特别是对于复杂的主动脉瘤颈部和远端解剖结构的
12、模拟。将来，定制患者专用的预开窗血管支架将成为可能，可以减少内漏等术后并发症的发生率。12.3 3D打印在心血管领域面临的挑战与未来的发展方向就目前3D打印技术的发展状况来看，虽然3D打印技术在心血管疾病中应用前景广阔，但仍处于起步阶段，需要在以下几个方面上取得重大的突破性进展，才能够充分挖掘3D打印技术的巨大潜力。12.3.1图像采集与后处理的创新是3D打印在心血管领域应用的关键心血管3D打印依赖于患者心脏结构的3D心血管动态或静态成像，大多数模型的数据目前来源于CTA和/或MRI，经食道三维超声心动虱30TEE）、经胸超声心动图、血管造影等也有少量应用，最理想的心血管3D打印方式是将多种成
13、像方式相结合。例如，心脏容积的评估可以根据CTA或MRI的分辨率和图像面积等数据；相反，由于超声心动图可以根据时间分辨率和捕捉快速移动结构如瓣叶和乳头肌的影像，最适合用于评估瓣膜的解剖结构。每种成像方式都有自身的优势，前期图像采集和软件处理需要结合来自多个模态的高分辨率图像，同时尽量减少伪影，是一个复杂而耗时的过程。3D模型打印之前的图像后处理也同样复杂，涉及使用计算机辅助设计（CAD）操作：重建、压缩、分割或裁剪等，进而更好地显示解剖结构，增强组织之间的连续性。3D打印多模态三维成像、图像采集与后处理需要借助图像分割和CAD建模等软件模块实现，具有多样性和复杂性，必须制定指南建议去指导、简化
14、和规范这一过程。图像后处理需要借助商业化软件，商业软件包含了高端自动化或半自动化分割模块以及医学3D打印辅助CAD软件，简化了图像后处理操作。此外，即使具备了多种软件功能，操作者对于软件模块使用的主观性也会对模型的最终打印效果有影响。因此，规范图像处理过程对于3D打印技术的创新和长久发展至关重要。12.3.23D打印材料的创新硏发是3D打印在心血管领域应用的驱动为了能够精确复制3D打印心脏模型，很重要的一个方面是对心脏组织成分和生理功能的多样性进行复制的能力，这不同于简单解剖教学，使用3D打印对复杂的外科手术模拟或定制医疗器械，需要组织生理特性的高级建模以及确保建模的准确性。例如，这些模型能够
15、准确地模拟人工瓣膜植入后对心脏组织生理功能的影响。此外，还需要模型去证实大血管支架和冠脉支架的植入后的作用。3D打印模型满足心血管组织的复制以及功能的模拟要求，需要符合力学要求的更柔软的组织材料。目前材料学的不断发展，制造出了越来越多的可以模拟一些心脏和血管组织的力学材料，使用TangoPlus家族的材料（Stratasys公司）制造了具有很好刚度和顺应性的心脏延展模型。多材料3D打印技术，如聚合物喷射（Polyjet）技术，可结合多种颜色和材质的材料构建复杂解剖结构。这种3D打印机可以使用非常软（TangoPlus）以及硬（VeroPlus）的混合材料制作具有不同性质的高分辨率模型（如二尖瓣
16、钙化模型）3D打印材料的多样性和可塑性对于制作血流动力学功能模型非常重要。尽管3D打印材料的硏发有着重大进展，目前可用材料也只能部分复制心血管组织的机械和生理特性。此外，心脏组织具有多样性，且每一种组织都具随年龄和生理状态（如心力衰竭和高血压）变化而产生复杂的动态改变。作为材料学的一个新领域，其发展迅速，硏发具有广泛延展性和生理性能的人工3D打印材料成为该领域争夺的制高点。此外，这些材料的应用还需要考虑成本问题，3D打印技术面临主要问题是打印材料以及多材料3D打印机的成本问题。因此，硏发新型经济的3D打印材料对于继续推进3D打印技术的发展至关重要。除了非生物3D打印材料的创新，生物打印和分子打印的发展对推进3D打印技术也产生了巨大影响。这些技术用于构建组织工程生物活性组织，可以模拟患者心脏组织结构的机械和生物性能。新型仿生材料包括细胞悬浮液和水凝胶、脱细胞外基质组分、使细胞快速附着表面的微载体、无支架细胞微粒，这些材料可以使心脏组织模
