心臟3D打印模型在不同先天性心臟病手術模擬矯治中的臨床應用

聶聰 伍明 侯安興 陳飛 羅佳文 聶磊 周慶 周文武

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

先天性心臟病復雜多樣，心臟內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。外科手術矯治心臟病時需全面考慮，既要考慮手術存活率，也要考慮遠期效果以及二期手術的問題。法洛四聯癥、右室雙出口、完全性肺靜脈異位引流等復雜先心病的手術方案制定是難點，外科醫師在手術前需要充分理解心臟病及其鄰近臟器的空間解剖結構[1]。術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平面結構圖在部分復雜心臟病的展示方面存在一定的局限性，需要外科醫師從個人經驗及認識出發，進行思維再構象；而心臟3D打印技術是將CT、MRI圖像通過計算機模擬重建后，將2D成像轉化為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，從而便于外科醫師對心臟解剖結構的進一步理解，有助于制定出更合理的手術方案[2-3]。本研究旨在探討以法洛四聯癥心臟3D打印模型為代表的多種心臟病手術模擬的應用經驗。

材料與方法

一、研究對象

選取湖南省人民醫院2016年12月至2020年8月術前使用Philips iCT 256層多層螺旋CT機行心臟CTA檢查，且病變典型、心臟病結構清晰的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。術前診斷：法洛四聯癥15例(為3D打印組)、房間隔缺損合并右側肺靜脈異位引流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癥患兒12例作為對照組，與上述3D打印組15例法洛四聯癥患兒的體外循環時間、主動脈阻斷時間進行對比。本研究獲湖南省人民醫院倫理委員會審批[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患兒，術前討論中，手術醫師根據患兒病史、體征、術前經胸超聲心動圖、術前常規二維CT以及三維重建影像明確診斷，并討論手術方案；同時多角度觀察患兒對應的心臟3D打印模型，對模型進行適當的切割暴露、測量、組合、縫合等操作，力求術前討論的手術方案可實物感知。完成模擬討論后執行真實手術，真實手術過程中，將術中探查的解剖結構與術前心臟3D打印模型進行對比。

三、統計學處理

結 果

一、模擬手術與真實手術情況

模擬手術中，3D打印組15例法洛四聯癥手術方案均為根治性手術。結合心臟3D打印模型，擬定室間隔缺損補片的大小、形態，并對修補室間隔缺損的途徑[經右心室切口和(或)經右房-三尖瓣環切口]及縫合技術(連續或間斷)進行模擬演練；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，僅經右室前壁疏通右室流出道內異常肌束者(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不進行肺動脈瓣處理，僅經右房-三尖瓣口疏通右室流出道(2例)。

真實手術中，3D打印組體外循環手術時間與對照組相當[(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]；并基本參照術前模擬的技術細節修補室間隔缺損。右室流出道-肺動脈瓣的真實手術與術前模擬有4例不一致(均為術前模擬的第一種方案，表1)，真實手術中執行方案為肺動脈瓣交界切開成形1例(再次轉流)、跨瓣環右室流出道-肺動脈主干切開并補片增寬2例、反復探查后未改變術前模擬方案(僅鈍性擴張肺動脈瓣環)1例。上述4例患兒術后復查結果滿意，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 法洛四聯癥患兒術前模擬和真實方案差距Table 1 Difference between preoperative simulation and real procedure病例術前評估肺動脈瓣Z值術中探查肺動脈瓣Z值真實手術方案手術方案變更原因病例1-1.7-2.5肺動脈瓣交界切開、肺動脈瓣下肌肉游離、瓣環鈍性擴張能順利停機,但跨瓣流速>2.5 m/s病例2-1.4-1.6鈍性擴張肺動脈瓣環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肺靜脈異位引流患兒于術前模擬時測量房間隔缺損補片大小、形態及補片縫合的路線，真實手術由低年資醫師在高年資醫師指導下主刀，術中探查及手術實施方案與術前模擬一致。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，術前模擬認為僅需切除主動脈瓣下隔膜；真實手術中探查符合術前模擬，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；術前模擬中認為經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；真實手術中因主刀個人習慣，前2例經雙心房切口行肺靜脈共匯-左心房后壁吻合，第3例經左心房頂切口做上述吻合。

右室雙出口13例，術前模擬討論術式均為心內隧道補片雙心室矯治，其中有5例需擴大室間隔缺損大小，這5例中僅2例行室間隔缺損擴大，1例修剪主動脈瓣下肌束，2例未行室間隔缺損擴大；未行室間隔缺損擴大的2例患兒術后主動脈瓣有狹窄、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狀氣管軟骨，術前模擬均予以長段氣管狹窄滑動成形修復術，并對氣管游離的長度、范圍以及滑動距離等進行模擬，真實手術中避免了反復多次氣管鏡檢查，按術前模擬游離后予以滑動成形。

二、模型一致性評分

手術后由主刀醫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中項目內容并未要求每枚心臟3D模型均以實物形態表達(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構，肺動脈吊帶者實體模型未顯示心房、心室結構)。一致性評分結果顯示，3D打印在大體解剖結構、心內重要結構空間位置關系(室間隔缺損與主動脈瓣、三尖瓣的位置關系)上的一致性滿意，而在涉及肺動脈瓣形態結構及心內細微結構上，一致性稍有不滿意，尤其是在法洛四聯癥、右室雙出口患兒中，其肺動脈瓣葉的形態、交界粘連等重要解剖指標顯示欠滿意，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項目例數平均評分大體解剖 主、肺動脈直徑比,空間螺旋關系354 靜脈-心房-心室-動脈節段連接方式304 右心室容積、前壁厚度354 合并畸形(動脈導管未閉、氣管畸形等)484解剖細節 肺動脈瓣瓣環直徑、瓣葉數目及形態332.5 室間隔缺損位置、直徑313 室間隔缺損與主動脈瓣、三尖瓣的位置關系314 室間隔缺損與心室腔內肥厚增生肌束關系313 右心室流出道肌肉肥厚梗阻程度、集中部位333 右心室內室上脊-調節束333 評分標準:完全一致、術前模擬好,計4分;基本一致、術前模擬有一定幫助,計3分;有差距、術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)，根據術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系、模擬和討論確定心內隧道構建方案，真實手術非常順利。

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結構； C：3D打印的心臟模型外觀，虛線顯示模擬手術的心臟切口； 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，發病率較高。早期外科手術矯正畸形是患兒長期生存的重要保障。有經驗的心臟外科醫師依據傳統的經胸和(或)食管超聲心動圖、心臟大血管CTA、MRI及心導管造影等檢查，可有效地將上述二維成像重新構畫，形成三維空間結構，但這一思維重建的過程受到外科醫師個體經驗、思維方式等多種因素的影響。而3D打印技術可以把心臟大血管CTA、MRI及超聲等二維平面圖形轉換為三維立體空間結構，所制作的模型是直觀具體的實物，有助于外科醫生理解心臟的解剖結構，尤其對青年醫師作用更明顯。

目前在醫學領域，3D打印已廣泛應用于普外科、骨科、口腔科、神經外科等多領域及手術模擬、臨床教學，在心臟大血管外科方面的應用越來越多[4-14]?；ㄖ袞|等[15]針對12例復雜的右室雙出口患兒構建心臟3D打印模型，術前在實體3D模型上對手術方案進行討論，并術前評估，減少了手術并發癥，改善了手術效果。本研究針對法洛四聯癥、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建3D模型，結果顯示，以心臟CTA為基礎制作的心臟3D打印模型除心臟大體形態重建滿意外，對室間隔缺損形態及周邊解剖結構的真實還原度也很高，外科醫師可依據3D模型，在術前基本確定疏通、清理右室流出道的解剖路徑以及技術細節，并可對需切除的異常肥厚心肌組織比例進行比較精確的計算。本研究中3D打印組體外循環轉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前模擬結果，對心包片的裁剪工作進行提前規劃，因而明顯縮短了主動脈阻斷的手術時間。本組有1例右位心合并右室雙出口患兒，其右位心和常規的正位心臟正好相反，室間隔缺損和三尖瓣的立體空間構象關系不易理解，而通過3D打印模型，可從任意剖面直接觀察心臟內部的空間關系，術前能明確內隧道的可行性及最佳路徑，因而手術非常順利。

然而，心臟3D打印模型在兒童肺動脈瓣瓣環直徑、瓣葉形態及數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，肺動脈瓣環直徑及肺動脈瓣葉的位置、形態也在不斷變化，因此盡管應用了心電門控技術，所獲圖像仍可能存在一定的偏差。在重建過程中，需要仔細考慮CTA影像技術、外科解剖、3D相關軟件應用技術等多方面因素。由于3D打印技術對肺動脈瓣葉的形態、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。隨著應用經驗的積累，3D打印技術在瓣葉以及腱索等結構的還原表現能得到進一步改善。隨著打印技術和材料的進步，3D打印模型將能更好地指導臨床醫師對血流動力學進行直觀的理解[7-10]。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明文獻檢索為聶聰、伍明、周文武，論文調查設計為聶聰、伍明、周文武，數據收集與分析為聶聰、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