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西京医院、唐都医院...案例洞悉心血管医疗领域的3D打印应用情况

国际金属加工网 2023年02月23日

根据西京医院,3D打印结合计算机建模,加速了设备测试中对流体力学的研发和理解,3D打印、计算机建模和人工智能的有效整合正在逐步改变医生培训模式和以患者为中心的医疗服务模式。

亮点包括:

1)结构性心脏病治疗需要医师深入理解心脏的病理生理学;

2)3D打印技术可以明显缩短新技术新业务的学习曲线;

3)计算建模有助于模拟心脏病理生理状态下的物理生理特性;

4)AI技术有助于构建患者特异性解剖结构,进而促进手术模拟培训。

根据3D科学谷的市场研究,目前3D打印在心胸外科有广泛的应用 ,包括几个重要应用:先天性心脏缺陷 (CHD) 、二尖瓣疾病、三尖瓣介入治疗、左心耳(LAA)封堵、心脏瓣膜人造器官、肺部介入治疗、气管支架、血管支架等。

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▲ 3D打印心脏瓣膜

© 3D科学谷

先天性心脏缺陷

先天性心脏缺陷 (CHD) 具有多种复杂而独特的结构。CT、超声和 MRI 等传统成像方法对于评估与 CHD 相关的独特且通常错综复杂的空间关系不是很有用,因为其二维投影与手术室现实有很大不同。因此,3D 打印模型在心脏手术的术前规划和模拟方面具有显着优势。这些模型以高保真度显示 CHD 患者的复杂解剖缺陷,并能够全面评估其他方法无法获得的独特空间关系。

几项研究表明 3D 打印模型在临床决策、介入计划、促进医生与患者之间的沟通以及加强对医学生和外科住院医师的医学教育方面的效用。最近一项评估 3D打印 在 CHD 中的应用和准确性的系统评价得出结论,以高精度复杂心脏解剖结构复制的患者特异性 3D 模型在术前计划、手术模拟、决策制定和术中定位方面具有重要价值。

根据3D科学谷的市场观察,2019年,3D打印解决方案提供商Materialise曾与上海儿童医学中心、爱佑慈善基金会携手建立了“Little Hearts of China”公益慈善项目。结合先进的医疗技术、顶尖的医疗团队和慈善基金向中国贫困地区患有复杂性先天性心脏病的孩子提供免费的医疗救助。让世界更美好、更健康是Materialise始终坚持的企业使命,让高科技、让3D打印的发展为这个世界的美好未来助力。Materialise在医疗领域的3D打印软件解决方案,能够为复杂先天性心脏病的孩子,提供术前3D建模、3D模型打印,为医生更好地进行术前规划,选择手术方案,减少手术风险。

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二尖瓣

由于二尖瓣与左心室流出道 (LVOT) 的关系、其在心脏后部的位置以及心室、瓣下器官和 LVOT 之间的复杂关系,因此难以评估二尖瓣解剖结构。由于严重二尖瓣反流的治疗没有医学选择,其治疗依赖于手术修复或置换,这面临许多挑战。 

陡峭的学习曲线,手术的成功取决于外科医生的专业知识,因为它挑战了从 2D 或 3D 超声心动图投影对瓣膜解剖结构的解释。通过 3D打印模拟不同的二尖瓣病理过程,,这些模型允许医生在微创瓣膜手术模拟器上进行术前计划和设备测试。

3D打印术前计划对于经导管二尖瓣置换术 (TMVR) 很有用,TMVR 是一种替代治疗方法,用于治疗因术中风险增加而无法手术的严重症状性二尖瓣疾病。TMVR 有一个非常普遍的并发症,TMVR瓣膜置入后易引起左室流出道(LVOT)梗阻,可导致心律失常、充血性心力衰竭甚至死亡,特别是二尖瓣瓣膜钙化严重的老年患者,其发生率更高。通过使用 3D 解剖模型,外科医生可以将经导管瓣膜插入模型中以模拟和界定新 LVOT。

西京医院通过加工处理获得患者特异性的3D打印模型,打印出重要解剖结构,包括二尖瓣复合体、左室流出道及心房面,通过计算机CAD模拟植入支架瓣膜假体,能动态地分析TMVR术后支架瓣膜对LVOT的影响,进一步通过调整植入假体的内径和长短,观测对LVOT的动态影响。也有助于反馈给介入瓣膜的研发团队,从而不断改进和完善介入瓣膜。由于二尖瓣病变造成患者左房、左室、室间隔厚度的变化,每个患者的左室流出道及继环平面角度都不同,针对目前市面存在的介入二尖瓣,研究团队通过建立患者特异性的左心3D模型,通过将介入瓣模型植入,能更加真实地反映出患者特性的LVOT梗阻风险。

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▲ 西京医院3D打印二尖瓣模型体外进行经导管二尖瓣修复手术模拟

经皮二尖瓣修复术的迅猛发展不断催生二尖瓣领域3D打印技术的应用创新。在国内外学者的不懈努力下,很多公司已经可以用3D打印技术打印出正常或病变二尖瓣的瓣环和瓣叶结构。

三尖瓣

根据西京医院,经导管三尖瓣介入治疗是SHD介入领域的热点方向之一。由于三尖瓣复合体结构复杂,瓣环、瓣叶、腱索、乳头肌等结构因人而异,传统影像学方法在评估右心解剖和三尖瓣复合体方面略显不足,而3D打印能很好地解决这一难题。

此外,根据西京医院心血管外科杨剑教授的《3D打印技术在TTVR手术中的应用初探》,基于多材料3D打印模型的术前评估方法同样适用于LuX-Valve®经导管三尖瓣置换系统。通过3D打印模型与瓣膜假体的体外模拟植入,可以进一步分析最佳植入角度、瓣周漏及其他术中并发症风险。

左心耳(LAA)封堵

左心耳(LAA)封堵早期临床试验和可行性研究中,3D打印技术的作用并不突出;然而在LAA封堵器械在各大医院推广应用后,大家很快发现,未开展3D打印技术的医院,初学者在确定器械尺寸和植入操作技巧方面存在明显学习曲线。3D打印左心耳模型使得术者对左心耳的大小、成角、受力区域及其周边组织的结构情况理解更透彻。此外,3D打印技术应用于LAA封堵术围术期规划能够帮忙医生确定各种型号器械在不同左心耳解剖结构中的锚定部位,选择最佳的器械、尺寸以及导管。

心脏瓣膜

目前的心脏瓣膜不会随着患者的生长而生长,并且必须在多年的多次手术中进行更换。根据3D科学谷的市场观察,慕尼黑工业大学和西澳大利亚大学设计了仿生心脏瓣膜,以支持患者新功能组织的形成。儿童将特别受益于这种解决方案,因为相比之下,3D打印的心脏瓣膜模仿天然心脏瓣膜的复杂性,旨在让患者自己的细胞渗入支架。尽管还有很长的路要走,但该团队相信这对于患有心脏瓣膜疾病的人来说将是一个很大的改善。

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▲ 3D打印心脏瓣膜

© 3D科学谷白皮书

组织工程学拥有巨大的潜力,在医疗领域可以克服器官移植排斥和药物筛选的问题,并且通过其研究生物功能油管的分子现象,比如伤口愈合以及炎症反应。虽然3D生物打印有着巨大的潜力,但目前生物墨水和打印技术依然存在缺陷。这些缺陷阻碍了打印打印弹性和高度血管化组织的能力。因此完全基于3D生物打印的制造生产依然有着很大的挑战性。

未来可能-心脏置换

根据美国加利福尼亚大学的研究团队在《Advanced Materials》上发表的题为“基于重组人弹性蛋白的生物墨水用于血管化软组织的3D生物打印技术”的文章,在研究项目中证明了使用重组人原弹性蛋白作为生物弹性墨水制造复杂软组织的3D打印的可行性。文中提到对血管化的心脏构建体实现生物打印,打印结构显示内皮细胞屏障功能和心肌细胞的自发搏动,这些是心脏组织的重要功能。另外打印后结构体引起的炎症反应很小,这证明了弹性生物墨水在3D打印生物组织的潜力。或许这项技术未来将应用于心脏置换技术。

呼吸系统

3D打印 在复杂呼吸系统疾病的管理中起着至关重要的作用。气管支气管树解剖结构的高度可变性使得标准化介入治疗非常具有挑战性,尤其是对于支架置入。根据3D科学谷,传统支架由于不合适的安装问题,可能需要经常更换或清洁,而由于与患者解剖结构相匹配,定制式气管支架比标准化产品具有更强的耐受性。

气管支气管支架适用于通过内在和外在气道压缩治疗复杂的中央气道阻塞 ,以维持气道通畅并为肺部提供通气。由不同材料(硅胶和弹性热塑性塑料)制成的患者专用 3D 支架可以产生非标准的几何图形,有助于预防与未安装支气管支架相关的后期并发症。借助医学影像技术和3D可视化软件以及3D打印技术,开发完全适合患者解剖结构的定制式气管支架。3D打印技术用于制造定制式气管支架的模具,模具制造完成后,将被用于气管支架成型,气管支架材料为医用级硅胶。

此外,一些团体正在测试可生物降解的支架。国内,唐都医院在2018年1月通过3D打印可降解气管外支架成功救治气管软化症患儿,发现患儿存在左肺动脉干和胸主动脉的成角畸形,两条动脉长期挤压左主支气管导致管壁发生软化性狭窄。明确病因后,唐都医院考虑到患儿多次内科治疗效果不佳,于是先后讨论了多种外科手术方案,包括软化段气管切除术、气管成形术、主动脉悬吊术等,但都因手术复杂、风险大等原因放弃。结合胸外科前期在4D打印气管外支架方面的工作,综合分析患者病情决定为患儿施行4D打印气管外支架悬吊手术,最后通过自主研发的3D打印机为患儿制作了1:1气管模型,充分评估病情特点,然后为患儿量身定做了可降解的聚己内酯(PCL)外支架。

血管

自3D打印首次应用于血管手术以来,在血管内手术之前制作了真人大小的动脉瘤复制品以进行手术计划,在过去的 20 年中发表了许多研究。血管外科中的 3D打印 主要应用于 (a) 肾下和肾旁腹主动脉瘤,(b) 胸主动脉瘤,以及 (c) 大血管的其他入路,如腹腔干、脾动脉、颈动脉、锁骨下动脉和股动脉, 以及门静脉。

大多数血管外科医生使用 CT 和磁共振成像来计划他们的手术,在某些情况下,还使用多普勒超声来获得互补的血流动力学细节。在3D打印血管模型中,FDM熔融挤出是最被广泛应用和最便宜的技术之一。随着血管手术的不断发展,通过3D打印提供从大血管到最小血管的图像,从而可以完全控制规划手术的区域。3D打印的用途之一是在复杂的胸腹主动脉瘤病例中减少手术时间并改善结果,减少人为错误 。

金属血管支架方面,基于粉末床激光熔化工艺(L-PBF)的3D打印-增材制造技术,不仅可以制造复杂的几何形状,而且可以调整3D打印金属零件的性能,打印工艺参数和扫描策略显示出对制成零件的微观结构、性能和尺寸精度的显著影响。国内,铂力特3D打印镍钛合金血管支架技术探索取得进展,铂力特依据镍钛血管支架应用特点开发出形状记忆合金工艺,可实现0.1~0.2mm的精细结构成形,材料具有超弹性,经变形训练后具有良好的形状记忆效应。

水凝胶支架方面,三维支架中的大孔和相互连接的微通道是支持新组织生长和血管化的重要架构疗法。具有设计的大孔和完全互连的微通道(FIM)网络的水凝胶支架的制造仍然是一个挑战。深圳大学报告了一种通过3D打印和表面交联有效制造包含设计的大孔和FIM网络的水凝胶支架的简便方法。相关论文以题为3D printed hydrogel scaffolds with macro pores and interconnected microchannel networks for tissue engineering vascularization发表在《Chemical Engineering Journal》上。通讯作者是深圳大学罗永祥副教授。

可吸收血管支架方面,重庆大学生物工程学院王贵学教授和尹铁英副教授期刊Bioactive Materials上发表研究性文章:3D打印生物可吸收血管支架的两段式降解及促进功能性新生内膜的特性。该研究针对生物可吸收血管支架在体降解特征与血管生物力学微环境动态变化和血管组织之间的相互作用问题,研究其促进功能性新生内膜修复的机制。发现的支架两段式降解特性,有力地证明了生物可吸收血管支架的优势,也提示针对该特性设计的组合药物涂层可造福更多的心脑血管疾病患者。

参考资料:

1. Combined use of 3D printing and computer-assisted navigation in the clinical treatment of multiple maxillofacial fractures

2. An overview of 3D printing and the orthopaedic application of patient-specific models in malunion surgery

3. Starting a medical 3D printing lab for otolaryngology-head and neck surgery collaboration

4. Anatomical Engineering and 3D Printing for Surgery and Medical Devices: International Review and Future Exponential Innovations

5. 西京医院:3D打印、计算机建模和人工智能在结构性心脏病中的应用展望

6. 3D打印生物可吸收血管支架的两段式降解及促进功能性新生内膜的特性

(3D科学谷)

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