重塑呼吸，Stratasys全彩3D打印技術(shù)讓心臟病患兒擁抱新生活

來(lái)源： Stratasys


科羅拉多兒童醫(yī)院是兒科心臟護(hù)理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，該醫(yī)院正在使用患者特定的3D模型以改善復(fù)雜先天性心臟病兒童患者的生活。作為一家轉(zhuǎn)診中心，在這里能看到最為復(fù)雜的先天性心臟缺陷。

其中一個(gè)案例是一名患有先天性三尖瓣閉鎖的4歲兒童，這是一種先天性心臟缺陷，而在美國(guó)，大約每10,000名新生兒中就有一人患有這種疾病�；加羞@種疾病的兒童在出生時(shí)動(dòng)脈血氧濃度低，這種疾病也稱為紫紺�；颊咄ǔＰ枰�進(jìn)行一系列姑息性手術(shù)，以恢復(fù)正常的血氧飽和度，來(lái)延長(zhǎng)壽命并提高生活質(zhì)量。在科羅拉多兒童醫(yī)院，這種疾病并不少見(jiàn)。該醫(yī)院每年都會(huì)成功治愈多位患有三尖瓣閉鎖的兒童。

“在3D模型的幫助下，我盡我所能給了患者最好的手術(shù)治療，她術(shù)后恢復(fù)得也很好�！�

——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)博士

然而，這個(gè)特殊的病例也向我們展示了一個(gè)不同尋常的挑戰(zhàn)，其中涉及到一種極為罕見(jiàn)的變異，患者的心室處于上下位置排列，而通常情況下心室呈并列排列。心臟的大部分或心尖指向了右側(cè)，而非正常情況下的左側(cè)。大動(dòng)脈的朝向與常見(jiàn)情況相反，均從小右心室的上部流出。左心室通過(guò)一個(gè)叫做室間隔缺損的大孔洞向右心室供血。負(fù)責(zé)收集回流到心臟的血液的較小心房向后和向左旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致分割平面比通常情況更加橫向。

預(yù)激綜合癥(WPW)也使這種高度異常的解剖結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。WPW綜合癥是因?yàn)樾氖液托姆恐�間存在一條輔助通路，從而導(dǎo)致心率過(guò)快，具有危險(xiǎn)性。對(duì)于只有一個(gè)心室運(yùn)轉(zhuǎn)正常的患者而言，WPW綜合征極其危險(xiǎn)，如果不進(jìn)行處理，將會(huì)增加心臟手術(shù)后的死亡風(fēng)險(xiǎn)。

患者此前曾經(jīng)歷過(guò)兩次姑息性手術(shù)，但是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)有WPW綜合征，所以轉(zhuǎn)診去了科羅拉多兒童醫(yī)院的心臟研究院。

團(tuán)隊(duì)齊聚力量修復(fù)受損心臟

醫(yī)學(xué)博士Max Mitchell是先天性心臟外科醫(yī)生，醫(yī)學(xué)博士Kathryn Collins是專研電生理學(xué)的兒科心臟病學(xué)家，兩位專家共同審查了該兒童患者的病史，并確定了后續(xù)的治療步驟。該患者在出生時(shí)，控制血液從右心房流向右心室的三尖瓣并沒(méi)有發(fā)育好，因此，阻止了低氧血液進(jìn)入右心室和肺部。患者的主肺動(dòng)脈也太小，無(wú)法向其肺部提供足夠的血液。右心房與左心房之間的孔洞，稱為心房間隔缺損，可以讓富氧和缺氧的血液混合，然后泵入患者身體的其他部位。

為解決這些問(wèn)題，讓孩子能健康成長(zhǎng)，醫(yī)生在患者還是新生兒時(shí)期就在她的肺動(dòng)脈和主動(dòng)脈之間放置了分流管，使血液能夠流入肺部。患者在其12個(gè)月齡時(shí)接受了雙向Glenn手術(shù)，這是兩階段手術(shù)策略的第一階段，該手術(shù)完全繞過(guò)了心臟，將人體組織原本流回心臟的血液直接泵入肺部。

完成Glenn手術(shù)后，Mitchell醫(yī)生與其同事確定該兒童患者可以進(jìn)行下一階段的手術(shù)，稱作Fontan手術(shù)，這是兩階段手術(shù)策略的第二階段。

然而，F(xiàn)ontan手術(shù)的成功高度依賴于正常的心律和心率。由WPW綜合癥引發(fā)的心律不齊必須在手術(shù)前在導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行處理，或者在手術(shù)時(shí)得到解決。此外，患者的輔助通路必須在手術(shù)完成前消融，因?yàn)樵贔ontan手術(shù)后，導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室將無(wú)法進(jìn)行消融，而且那時(shí)患者身體到心臟的所有靜脈連接都將不再存在。此時(shí)導(dǎo)管將無(wú)法進(jìn)入副通路。Collins醫(yī)生嘗試在導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室中對(duì)副通路進(jìn)行消融，但卻由于解剖結(jié)構(gòu)明顯異常而未能找到副通路。因此，她找到Mitchell醫(yī)生，評(píng)估在按計(jì)劃進(jìn)行Fontan手術(shù)時(shí)實(shí)施手術(shù)消融的可行性。

患者特定的3D模型引領(lǐng)通往新希望的道路

使是經(jīng)驗(yàn)豐富的先天性心臟外科醫(yī)生，也很難將超聲波心動(dòng)圖與復(fù)雜、罕見(jiàn)的心臟異常的3D解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。

在使用3D重建審查了患者心臟的核磁共振成像掃描后，Mitchell醫(yī)生擔(dān)心手術(shù)消融很可能會(huì)失敗(圖1a、1b、1c)。

圖1a

圖1b

圖1c

有對(duì)比和無(wú)對(duì)比的患者心臟核磁共振成像

他找到了在科羅拉多大學(xué)安舒茨醫(yī)學(xué)院的同事，打印了患者特定的3D模型，然后將模型切成幾個(gè)部分，以便對(duì)患者的心臟解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的了解。用于打印該模型的材料需要能模擬患者心臟的外觀和觸感。

希望這能幫助在導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的第二次嘗試以取得成功。醫(yī)學(xué)博士Lorna Browne是本案的首席放射科醫(yī)生，他準(zhǔn)備了掃描工作并與Inworks的設(shè)計(jì)師合作創(chuàng)建了3D模型(圖2a、2b和2c)，Inworks是科羅拉多大學(xué)安舒茨醫(yī)學(xué)院的一家設(shè)計(jì)工作室。

圖2a:使用定制化Agilus30™和Vero™白色多材料混合材料制作的功能型模型


圖2b:圖2a模型切成3個(gè)部分，以幫助電生理學(xué)家確定放置設(shè)備的最佳方案


圖2c:圖2a模型進(jìn)行了策略性切割和拉伸，外科醫(yī)生便可以獲得心臟內(nèi)部的最佳視圖，以確定最佳的手術(shù)方案

Nicholas Jacobson是這次案例的主設(shè)計(jì)師，Hayden McClain是一名學(xué)生助理，二人幫助團(tuán)隊(duì)為術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)了3D打印流程—他們?cè)缙诒氵M(jìn)行了頭腦風(fēng)暴，以確定將要使用的模型設(shè)計(jì)。Michael DiMaria醫(yī)生是本案的首席心臟病學(xué)專家，由于對(duì)患者的診斷非常了解，他指導(dǎo)了Jacobson以確定模型中哪些解剖結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。為了滿足團(tuán)隊(duì)的手術(shù)需求，最終使用定制的Agilus30™和Vero™白色多材料混合材料來(lái)制作該模型。

“3D打印模型讓我對(duì)所有解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系有了準(zhǔn)確的理解，包括主動(dòng)脈的錯(cuò)位以及因小右心室位置異常而引起的主動(dòng)脈擴(kuò)大。根據(jù)模型所提供的信息，我在做手術(shù)時(shí)使用了與平時(shí)不同的方案。將模型拿在手里能讓我看到我將在手術(shù)中遇到的情況，這樣我便能規(guī)劃出更可靠的手術(shù)方案，在做手術(shù)時(shí)心里也更有底�！�

——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)博士

在電生理學(xué)(EP)實(shí)驗(yàn)室手術(shù)的準(zhǔn)備過(guò)程中，Mitchell醫(yī)生和心臟病學(xué)團(tuán)隊(duì)使用該模型來(lái)規(guī)劃手術(shù)方案。模型所具備的柔韌性和功能性讓他們能拉伸該模型，并取出模型中特定的區(qū)域，以便了解其內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流動(dòng)路徑。EP團(tuán)隊(duì)使用了疊加在實(shí)驗(yàn)室心臟內(nèi)導(dǎo)向系統(tǒng)上的核磁共振成像，以及并發(fā)實(shí)時(shí)的經(jīng)食管超聲波心動(dòng)圖。

“這個(gè)模型還能讓我為患者設(shè)計(jì)出更高效的Fontan手術(shù)，并在手術(shù)過(guò)程中安全地穿過(guò)之前手術(shù)所留下的所有疤痕組織。有了這個(gè)3D打印模型，并將其切割成適當(dāng)?shù)钠矫�，我們就能與電生理學(xué)團(tuán)隊(duì)和超聲波心動(dòng)圖團(tuán)隊(duì)一起，在EP實(shí)驗(yàn)室中，將導(dǎo)管在該兒童患者心臟中的位置精確到毫米以內(nèi)。同時(shí)使用醫(yī)院的導(dǎo)向系統(tǒng)、超聲波心動(dòng)圖和3D打印模型，讓我們能在實(shí)施消融手術(shù)的過(guò)程中判斷正確的方位，并且能在視覺(jué)上預(yù)測(cè)導(dǎo)向副通路疑似位置的路徑。這幫助了Collins醫(yī)生將導(dǎo)管導(dǎo)向副通路，成功實(shí)施消融手術(shù)�！�

——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)博士

為了進(jìn)一步評(píng)估患者心臟的血液流動(dòng)情況，Mitchell醫(yī)生的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了4D核磁共振血液流動(dòng)分析。這使得調(diào)查員能夠描繪出血液經(jīng)過(guò)心臟進(jìn)入血管的流動(dòng)情況。由于患者主動(dòng)脈的流出方向很不尋常，Mitchell醫(yī)生認(rèn)為其血液流經(jīng)心室進(jìn)入主動(dòng)脈的血流情況高度異常，并且很可能效率低下。這一觀點(diǎn)得到了證實(shí)，Mitchell醫(yī)生要求在手術(shù)前使用多材料3D打印心臟模型，以演示異常的血液流動(dòng)路徑(圖 3a)。

圖3a:使用血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)和患者心臟解剖結(jié)構(gòu)制作的視覺(jué)模型，用以演示血液流動(dòng)情況。此模型幫助醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)了解他們能在不中斷血液流動(dòng)的情況下進(jìn)入心臟的部位

Alex Barker醫(yī)生是先進(jìn)成像實(shí)驗(yàn)室的主任，也是早期使用4D流動(dòng)核磁共振成像程序先鋒，她與Mitchell醫(yī)生以及Jacobson合作，生成并提取了4D流動(dòng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用于3D打印新心臟模型的格式。模型使用的每一種顏色都有對(duì)應(yīng)的速度編碼(圖 3b)。

圖3b:用于制作圖3a中多材料3D打印模型的血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，演示出血液流動(dòng)的途徑。

“模型提供了整個(gè)心動(dòng)周期中，每個(gè)解剖部位全面的血流動(dòng)力學(xué)信息。模型展示出患者心臟內(nèi)的血流在各方面都高度異常，并證實(shí)了與典型的三尖瓣閉鎖患者相比，該患者在Fontan手術(shù)后的泵血效率可能仍然更低。這種先進(jìn)的4D流動(dòng)核磁共振成像分析模型為指導(dǎo)今后潛在的管理變更提供了寶貴的信息�！�

——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)博士

最后，無(wú)論是外科醫(yī)生還是患者，都能體驗(yàn)到這種個(gè)性化醫(yī)療帶來(lái)的益處。