二尖瓣疾病是最常见的心脏瓣膜疾病，其主要治疗方式是手术或介入治疗。然而，二尖瓣及其瓣周解剖结构复杂，手术难度大，要求心外科医师具有丰富的手术经验。3D 打印技术能将 2D 医学图像转化为三维实体模型，能详细清晰地提供空间解剖信息及模拟手术的手段，为患者提供安全的、个性化的治疗。本文就 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗中的应用进行综述。
引用本文： 罗兴达, 李小辉, 廖胜杰, 罗德志, 严小辉, 张晓慎. 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗中的应用. 中国胸心血管外科临床杂志, 2019, 26(5): 509-513. doi: 10.7507/1007-4848.201809024 复制
二尖瓣疾病是临床上最常见的心脏瓣膜疾病，主要表现为二尖瓣关闭不全及二尖瓣狭窄[1]。目前，由风湿热导致的二尖瓣病变仍是发展中国家的主要负担[2-3]，而随着老龄化社会的到来，退行性二尖瓣病变所带来的影响亦不可小觑，二尖瓣疾病在 75 岁以上人群中的患病率已超过 10%[1, 4]。二尖瓣及其瓣周解剖结构复杂，手术难度大，要求手术医师详尽地掌握其解剖结构并有丰富的手术经验。3D 打印技术最早由 Charles Hull 于 1986 年提出[5]，它能将医学数字图像数据转化成三维立体模型，帮助医师更好地了解人体解剖结构、制定手术方案及提供手术训练的工具。随着精准化、个性化医疗概念的提出，目前 3D 打印技术已广泛应用于骨科、口腔科、整形美容科、神经外科、心血管外科等医学领域[6]。近些年来，也有学者将 3D 打印技术应用于二尖瓣疾病的治疗[7-11]，本文就 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗的应用进行综述。
1 3D 打印技术概述
3D 打印技术，又称为叠加制造技术或快速成型技术，它是一种通过逐层打印的方法把数字数据转化为立体物理模型的技术，最早在 1990 年应用于医学领域[12]。随着医学影像技术的发展，目前已经有 CT、MR 及超声心动图等影像手段能准确、无创地评估心脏结构缺陷。然而，由于心脏结构性疾病的空间解剖结构的复杂性，传统的二维（2D）图像极其考验医师的空间想象能力，并不能直观地将其解剖结构呈现出来。3D 打印技术可以将影像数据转化为 3D 立体模型，可以帮助临床医师更清晰地了解复杂的空间关系，同时提供了术前预演、训练的可能性[7-8, 13]。
个性化心脏模型的 3D 打印通常需要先采集患者的三维心血管图像并保存为 DICOM 格式，然后导入数据处理软件中（如 Mimics、Vitrea、3-matic 等）[14]进行图像分割处理，最后将数据以 STL 格式保存在基于 CAD 的软件中并导入 3D 打印机中打印出心脏模型。目前常用的 3D 打印方法有熔融沉积造型（FDM）、光固化快速成形（SLA）、选择性激光烧结（SLS）及 Polyjet 技术等几种，其中 Polyjet 技术由于打印精度高且可以同时组合多种颜色和材料来展现复杂的解剖结构而常用于患者特定模型的打印[15-16]。
获取高质量的三维心血管图像是打印高质量心脏模型的关键。高质量的三维图像可以最大限度地缩短图像处理时间并确保解剖结构的精确度，其需具有高空间分辨率、各向同性的特点，以此来提供丰富的细节，同时还需有足够高的对比度来区分相邻的结构。临床上常用的三种心脏三维成像手段是 CT、磁共振成像（MRI）和超声心动图，其成像方法各有优劣。CT 具有高空间分辨率的特点，在增强模式下对心腔结构及血管的显示具有一定的优势，然而，在软组织的显示方面却不如 MRI[17]，辐射暴露的问题也不能避免。相反，MRI 可以在没有电离辐射的情况下采集高分辨率图像，并且可以在没有碘对比剂的情况下区分组织成分，然而，MRI 的空间分辨率通常低于 CT，这限制了其用于评估冠状动脉或心脏瓣膜复合体内的小形态结构[15]。此外，MRI 检查的时间及成本均高于 CT。超声心动图对于组织的分辨率不如前两者，但其具有对心脏瓣膜等快速移动结构进行成像的优越能力[18]，还具有无辐射暴露、低成本及血流方向判断的优势，但是其成像受人为因素影响，且获取的数据集视野有限，一次仅允许打印解剖结构的一个区域。
2 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗中的应用
目前，二尖瓣疾病的主要治疗方式仍为外科手术或介入干预[2]，然而病变的二尖瓣解剖结构及血流动力学的改变，需要医师对其解剖结构的精确理解及大量的训练来保证手术的成功施行。3D 打印技术可以克服传统 2D 图像在空间结构显示上的不足并提供了个性化的实体模型，已有 Mahmood 及 Witschey 等学者使用三维超声心动图采集图像并打印出患者特定的二尖瓣模型并提出术前模拟及训练的概念[19-20]。近些年来，随着微创及介入技术的发展，国外有学者开始将 3D 打印技术应用于二尖瓣的微创及经导管介入治疗（表 1）。
表1
3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗中应用的相关研究
2.1 3D 打印技术在微创二尖瓣手术中的应用
微创心脏手术（MICS）是从上世纪 90 年代中期开始使用的[21]，相比于传统开胸手术，MICS 具有手术切口小，术后疼痛少，术后恢复快等优势。在可成功进行手术的患者中二尖瓣成形术的效果优于二尖瓣置换术[22-23]，然而，二尖瓣成形术对医师要求极高，术中对瓣膜的瓣叶切缝、人工腱索长短调整及成形环大小的选择等都会影响手术效果。Owais 等[24]通过使用 3D 经食管超声心动图（TEE） 采集患者图像并打印出二尖瓣瓣环模型，提供了术中成形环大小选择的方法并提出制造患者个性化二尖瓣成形环的可能性。此外，为了避免操作不熟练而导致体外循环时间延长和手术失败等情况出现，术前的培训及模拟尤为重要。虽然已有一些学者开发出低保真的二尖瓣修复模拟器[25-26]，与实际手术中的操作表现仍有较大差别。Sardari 等[11]术前使用三维超声心动图采集二尖瓣收缩期的图像并进行三维重建，通过 3D 打印出患者二尖瓣的模具并使用有机硅胶铸模，将得到的二尖瓣模型置入其开发的二尖瓣模拟器中进行腔镜下二尖瓣修复（P2 脱垂）。结果表明实际手术中与术前模拟的手术过程一致，并提出使用有机硅胶模拟二尖瓣能提供与实际相似的缝合体验。Yamada 等[9]亦开发了一种高保真的腔镜二尖瓣手术模拟训练器。他们通过测量并模拟猪心的弹性模量、断裂强度和含水量，开发了一种与心脏组织触感相似的 PVA 材料，并将铸造出的心脏模型置入 3D 打印的人体胸廓中模拟微创腔镜二尖瓣手术，在模型中肋骨造成受限的手术操作空间及仿真的心脏模型材料使得模拟过程与实际手术十分相似。作者团队在该训练器上成功模拟了人工或在达芬奇操作系统下的瓣环成形、人工腱索重建、切割与缝合、缘对缘缝合等操作。然而，该训练器使用 CT 进行数据采集并标准化建模，心脏模型的细节表现跟实际手术中仍有一定差别，还待开发出患者个性化的模型。目前，可有望通过 3D 打印技术打印出患者个性化的二尖瓣模型，为医师提供手术训练、术前规划及模拟的工具，保证手术质量，缩短体外循环时间，提高手术安全性。
2.2 3D 打印技术在经导管二尖瓣治疗中的应用
经导管二尖瓣修复（TMVP）及经导管二尖瓣置换（TMVR）主要应用于高龄并有多器官合并症，不能耐受外科手术的患者[27]。目前，TMVP 已在国外常规开展，TMVR 也已进入临床试验阶段，临床随访结果满意，而在国内仍鲜有报道[28-29]。经导管介入手术不能直视心内结构，操作难度大，为了避免装置植入失败、瓣周漏、左室流出道梗阻等情况，对植入装置的大小、方向及锚定部位的选择都有很高的要求。
Dankowski 等[13]通过术前打印患者心脏模型，将左心室、乳头肌、瓣环等结构在模型中表现出来，帮助术前模拟测量以确定引导导管长度、Bident™导管的尺寸及定位，成功将 3D 打印技术首先应用于 Mitralign 系统辅助下的二尖瓣成形术。Little 等[8]使用 CT 数据打印出患者二尖瓣反流合并后叶穿孔模型，帮助选择封堵器的型号及大小并成功手术。Vukicevic 等[10]利用 CT、超声心动图采集数据并使用多种材料打印出模拟实际二尖瓣特性的模型，他们在模型上使用 MitraClip 装置进行模拟并在患者身上成功手术。两个研究[7, 30]通过术前打印钙化的二尖瓣模型并通过测量、术前模拟来选择置入瓣膜的大小；El 团队还使用虚拟 3D 模型和打印出来的实体模型进行瓣周漏、左心室流出道狭窄等风险的预估，为 TMVR 手术的进一步开展提供了可能性。以上例子都表明了术前对患者的心脏及二尖瓣进行 3D 打印及手术模拟不但有助于提高手术的精确性及安全性，还能增加操作熟练度，缩短手术时间，进而减少患者及医师在心导管室的辐射暴露。此外，还有学者对接受过 MitraClip 的患者的二尖瓣进行三维心动图成像，打印出二尖瓣模型并置入脉冲复制器中进行数据测量，证明了对 3D 打印二尖瓣模型进行流体动力学测定的可行性，有助于提高对二尖瓣的功能生理学及流体动力学的理解[31]。
3 不足与展望
目前 3D 打印技术在二尖瓣的打印上仍存在着一些不足：（1）打印出的二尖瓣模型不够细腻，厚度及精细度跟真实瓣膜有一定差别[19]；（2）3D 打印的模型是静态的，难以复制运动瓣膜的特征[32]；（3）图像分割处理及打印模型所需时间仍过长[33]，打印材料昂贵，不能循环利用，耗费人力物力；（4）目前打印出来的瓣膜不能植入人体中进行瓣膜置换。这都在一定程度上限制了 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗上的广泛应用。针对上述问题，我们需要改进图像采集的方法，提高采图质量，同时开发自动化的图像分割处理软件，减少图像处理时间及人工操作所带来的偏倚。另外，我们还需研发新的打印技术及材料来改善打印瓣膜的质量及减少成本。目前我们应用的二尖瓣置换的机械瓣存在着抗凝意外的风险，而生物瓣又存在着寿命有限的缺陷，为解决上述问题，现已有学者进行 3D 生物瓣膜打印的研究，并致力于开发出具有生物活性的高度个性化定制的 3D 打印瓣膜，但目前技术仍不成熟[34-35]。虽然目前在 3D 打印技术上我们还面临着许多的挑战，但该技术在二尖瓣疾病的解剖显示、术前评估模拟、手术训练等方面有很大优势，它为我们提供了安全、个性化、精准化治疗的可能。相信伴随着上述问题的解决，3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗上的应用前景将一片光明。
二尖瓣疾病是临床上最常见的心脏瓣膜疾病，主要表现为二尖瓣关闭不全及二尖瓣狭窄[1]。目前，由风湿热导致的二尖瓣病变仍是发展中国家的主要负担[2-3]，而随着老龄化社会的到来，退行性二尖瓣病变所带来的影响亦不可小觑，二尖瓣疾病在 75 岁以上人群中的患病率已超过 10%[1, 4]。二尖瓣及其瓣周解剖结构复杂，手术难度大，要求手术医师详尽地掌握其解剖结构并有丰富的手术经验。3D 打印技术最早由 Charles Hull 于 1986 年提出[5]，它能将医学数字图像数据转化成三维立体模型，帮助医师更好地了解人体解剖结构、制定手术方案及提供手术训练的工具。随着精准化、个性化医疗概念的提出，目前 3D 打印技术已广泛应用于骨科、口腔科、整形美容科、神经外科、心血管外科等医学领域[6]。近些年来，也有学者将 3D 打印技术应用于二尖瓣疾病的治疗[7-11]，本文就 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗的应用进行综述。
1 3D 打印技术概述
3D 打印技术，又称为叠加制造技术或快速成型技术，它是一种通过逐层打印的方法把数字数据转化为立体物理模型的技术，最早在 1990 年应用于医学领域[12]。随着医学影像技术的发展，目前已经有 CT、MR 及超声心动图等影像手段能准确、无创地评估心脏结构缺陷。然而，由于心脏结构性疾病的空间解剖结构的复杂性，传统的二维（2D）图像极其考验医师的空间想象能力，并不能直观地将其解剖结构呈现出来。3D 打印技术可以将影像数据转化为 3D 立体模型，可以帮助临床医师更清晰地了解复杂的空间关系，同时提供了术前预演、训练的可能性[7-8, 13]。
个性化心脏模型的 3D 打印通常需要先采集患者的三维心血管图像并保存为 DICOM 格式，然后导入数据处理软件中（如 Mimics、Vitrea、3-matic 等）[14]进行图像分割处理，最后将数据以 STL 格式保存在基于 CAD 的软件中并导入 3D 打印机中打印出心脏模型。目前常用的 3D 打印方法有熔融沉积造型（FDM）、光固化快速成形（SLA）、选择性激光烧结（SLS）及 Polyjet 技术等几种，其中 Polyjet 技术由于打印精度高且可以同时组合多种颜色和材料来展现复杂的解剖结构而常用于患者特定模型的打印[15-16]。
获取高质量的三维心血管图像是打印高质量心脏模型的关键。高质量的三维图像可以最大限度地缩短图像处理时间并确保解剖结构的精确度，其需具有高空间分辨率、各向同性的特点，以此来提供丰富的细节，同时还需有足够高的对比度来区分相邻的结构。临床上常用的三种心脏三维成像手段是 CT、磁共振成像（MRI）和超声心动图，其成像方法各有优劣。CT 具有高空间分辨率的特点，在增强模式下对心腔结构及血管的显示具有一定的优势，然而，在软组织的显示方面却不如 MRI[17]，辐射暴露的问题也不能避免。相反，MRI 可以在没有电离辐射的情况下采集高分辨率图像，并且可以在没有碘对比剂的情况下区分组织成分，然而，MRI 的空间分辨率通常低于 CT，这限制了其用于评估冠状动脉或心脏瓣膜复合体内的小形态结构[15]。此外，MRI 检查的时间及成本均高于 CT。超声心动图对于组织的分辨率不如前两者，但其具有对心脏瓣膜等快速移动结构进行成像的优越能力[18]，还具有无辐射暴露、低成本及血流方向判断的优势，但是其成像受人为因素影响，且获取的数据集视野有限，一次仅允许打印解剖结构的一个区域。
2 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗中的应用
目前，二尖瓣疾病的主要治疗方式仍为外科手术或介入干预[2]，然而病变的二尖瓣解剖结构及血流动力学的改变，需要医师对其解剖结构的精确理解及大量的训练来保证手术的成功施行。3D 打印技术可以克服传统 2D 图像在空间结构显示上的不足并提供了个性化的实体模型，已有 Mahmood 及 Witschey 等学者使用三维超声心动图采集图像并打印出患者特定的二尖瓣模型并提出术前模拟及训练的概念[19-20]。近些年来，随着微创及介入技术的发展，国外有学者开始将 3D 打印技术应用于二尖瓣的微创及经导管介入治疗（表 1）。
表1
3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗中应用的相关研究
2.1 3D 打印技术在微创二尖瓣手术中的应用
微创心脏手术（MICS）是从上世纪 90 年代中期开始使用的[21]，相比于传统开胸手术，MICS 具有手术切口小，术后疼痛少，术后恢复快等优势。在可成功进行手术的患者中二尖瓣成形术的效果优于二尖瓣置换术[22-23]，然而，二尖瓣成形术对医师要求极高，术中对瓣膜的瓣叶切缝、人工腱索长短调整及成形环大小的选择等都会影响手术效果。Owais 等[24]通过使用 3D 经食管超声心动图（TEE） 采集患者图像并打印出二尖瓣瓣环模型，提供了术中成形环大小选择的方法并提出制造患者个性化二尖瓣成形环的可能性。此外，为了避免操作不熟练而导致体外循环时间延长和手术失败等情况出现，术前的培训及模拟尤为重要。虽然已有一些学者开发出低保真的二尖瓣修复模拟器[25-26]，与实际手术中的操作表现仍有较大差别。Sardari 等[11]术前使用三维超声心动图采集二尖瓣收缩期的图像并进行三维重建，通过 3D 打印出患者二尖瓣的模具并使用有机硅胶铸模，将得到的二尖瓣模型置入其开发的二尖瓣模拟器中进行腔镜下二尖瓣修复（P2 脱垂）。结果表明实际手术中与术前模拟的手术过程一致，并提出使用有机硅胶模拟二尖瓣能提供与实际相似的缝合体验。Yamada 等[9]亦开发了一种高保真的腔镜二尖瓣手术模拟训练器。他们通过测量并模拟猪心的弹性模量、断裂强度和含水量，开发了一种与心脏组织触感相似的 PVA 材料，并将铸造出的心脏模型置入 3D 打印的人体胸廓中模拟微创腔镜二尖瓣手术，在模型中肋骨造成受限的手术操作空间及仿真的心脏模型材料使得模拟过程与实际手术十分相似。作者团队在该训练器上成功模拟了人工或在达芬奇操作系统下的瓣环成形、人工腱索重建、切割与缝合、缘对缘缝合等操作。然而，该训练器使用 CT 进行数据采集并标准化建模，心脏模型的细节表现跟实际手术中仍有一定差别，还待开发出患者个性化的模型。目前，可有望通过 3D 打印技术打印出患者个性化的二尖瓣模型，为医师提供手术训练、术前规划及模拟的工具，保证手术质量，缩短体外循环时间，提高手术安全性。
2.2 3D 打印技术在经导管二尖瓣治疗中的应用
经导管二尖瓣修复（TMVP）及经导管二尖瓣置换（TMVR）主要应用于高龄并有多器官合并症，不能耐受外科手术的患者[27]。目前，TMVP 已在国外常规开展，TMVR 也已进入临床试验阶段，临床随访结果满意，而在国内仍鲜有报道[28-29]。经导管介入手术不能直视心内结构，操作难度大，为了避免装置植入失败、瓣周漏、左室流出道梗阻等情况，对植入装置的大小、方向及锚定部位的选择都有很高的要求。
Dankowski 等[13]通过术前打印患者心脏模型，将左心室、乳头肌、瓣环等结构在模型中表现出来，帮助术前模拟测量以确定引导导管长度、Bident™导管的尺寸及定位，成功将 3D 打印技术首先应用于 Mitralign 系统辅助下的二尖瓣成形术。Little 等[8]使用 CT 数据打印出患者二尖瓣反流合并后叶穿孔模型，帮助选择封堵器的型号及大小并成功手术。Vukicevic 等[10]利用 CT、超声心动图采集数据并使用多种材料打印出模拟实际二尖瓣特性的模型，他们在模型上使用 MitraClip 装置进行模拟并在患者身上成功手术。两个研究[7, 30]通过术前打印钙化的二尖瓣模型并通过测量、术前模拟来选择置入瓣膜的大小；El 团队还使用虚拟 3D 模型和打印出来的实体模型进行瓣周漏、左心室流出道狭窄等风险的预估，为 TMVR 手术的进一步开展提供了可能性。以上例子都表明了术前对患者的心脏及二尖瓣进行 3D 打印及手术模拟不但有助于提高手术的精确性及安全性，还能增加操作熟练度，缩短手术时间，进而减少患者及医师在心导管室的辐射暴露。此外，还有学者对接受过 MitraClip 的患者的二尖瓣进行三维心动图成像，打印出二尖瓣模型并置入脉冲复制器中进行数据测量，证明了对 3D 打印二尖瓣模型进行流体动力学测定的可行性，有助于提高对二尖瓣的功能生理学及流体动力学的理解[31]。
3 不足与展望
目前 3D 打印技术在二尖瓣的打印上仍存在着一些不足：（1）打印出的二尖瓣模型不够细腻，厚度及精细度跟真实瓣膜有一定差别[19]；（2）3D 打印的模型是静态的，难以复制运动瓣膜的特征[32]；（3）图像分割处理及打印模型所需时间仍过长[33]，打印材料昂贵，不能循环利用，耗费人力物力；（4）目前打印出来的瓣膜不能植入人体中进行瓣膜置换。这都在一定程度上限制了 3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗上的广泛应用。针对上述问题，我们需要改进图像采集的方法，提高采图质量，同时开发自动化的图像分割处理软件，减少图像处理时间及人工操作所带来的偏倚。另外，我们还需研发新的打印技术及材料来改善打印瓣膜的质量及减少成本。目前我们应用的二尖瓣置换的机械瓣存在着抗凝意外的风险，而生物瓣又存在着寿命有限的缺陷，为解决上述问题，现已有学者进行 3D 生物瓣膜打印的研究，并致力于开发出具有生物活性的高度个性化定制的 3D 打印瓣膜，但目前技术仍不成熟[34-35]。虽然目前在 3D 打印技术上我们还面临着许多的挑战，但该技术在二尖瓣疾病的解剖显示、术前评估模拟、手术训练等方面有很大优势，它为我们提供了安全、个性化、精准化治疗的可能。相信伴随着上述问题的解决，3D 打印技术在二尖瓣疾病治疗上的应用前景将一片光明。
