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3D打印在心血管疾病外科治疗中的应用

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-06-10 10:01

  3D打印是一种将数字物体转化为物理模型的制造技术。该技术在特定的数字设计的基础上,通过在连续层中沉积材料来建立任意几何结构。尽管3D打印技术在心血管医学中的应用相对较新,但这门学科的进展正以令人吃惊的速度发展着。

  3D打印正处于打印机和材料工程、无创诊断成像、计算机辅助设计和结构心脏干预的十字路口。这项技术的心血管应用包括在医学教学中使用特定于病人的3D模型、探索瓣膜和血管功能、手术和导管基础上的程序规划、设计和完善最新的经皮结构设备创新、创造功能器官,并最终打印出专门针对特定基因患者的工作心脏。

  3D打印的特定病人模型可用于许多不同的应用,包括创建解剖教学工具、开发研究心内血流的功能模型、为复杂的过程规划创建可变形的混合材料模型以及创建或改进心脏内设备。一种能够收缩的心脏贴片在替换部分伤痕累累的心脏组织方面有着明显的应用。一种能够泵血的合成3D打印心脏正在进行研究。最终的目标是利用病人自身的细胞打印出一颗功能良好的人造心脏,这样就不会产生免疫排斥反应。

  已经有研究人员将这项技术应用于肺部的一种大型复杂房室畸形(AVM),在肋骨癌病例中打印定制肋骨,在二尖瓣反流需要修复的情况下,帮助我们了解疾病、规划各种选择,为病人提供咨询,教给年轻的医生并进行完美无缺的手术。

  3D打印在心血管疾病外科治疗中的应用大概可分为以下几个方面:

  1、教学工具

  就像我们熟悉的心脏整形模型一样,3D打印的模型能够快速表达复杂的解剖结构,同时也能描述特定患者的解剖病理。针对患者的先天性心脏病模型已被用于住院医师和护士的危重护理培训,并显示出加强外科医生和病人之间沟通的潜力。该模型可用于观察内部结构,如复杂的多室间隔缺损。在这缺乏解剖尸体的时代,打印的器官可以很容易地用于教学目的,而且,它可以以非常低的成本进行无限次复制。

  2、功能流模型

  通过将高空间分辨率CT、CAD软件和多材料3D打印技术相结合,可以很容易地创建病变瓣膜、先天性缺陷和冠状动脉的3D患者模型。这些模型可能特别适用于评估临床上具有挑战性的情况,如无创定量控制血流条件下的雪崩反流严重程度,或计划部署血管内支架。这些模型也有潜力模拟设备,如插头缺陷或新的冠状动脉支架,可以很容易地评估在这个病人的特定的冠状动脉床。

  3、程序规划

  先天性心血管疾病往往与复杂而独特的几何学有关,从二维CT、CMR或超声心动图图像上很难完全了解,就像复杂肺AVM病例一样。因此,3D打印模型在更全面地了解和评价各种先天性心脏病方面可能发挥着关键作用。这些模型最近被用于计划第一个结构心脏手术,以修复mv功能,同时部署一个mitraClip装置和一个封堵器设备来治疗重度mv反流。栩栩如生3D模型可以防止错误并促进特定结构性心脏介入治疗的创新。

  4、设备创新

  在一系列心脏病变中测试新的或修订的结构性心脏修复装置的能力特别有吸引力。虽然多年来一直依赖其他建模选项,但使用尸体模型的设备开发不能用于特定患者的程序规划。 同样,动物模型总是缺乏人类心血管疾病的正确大小或病理因素(例如,钙化)。

  5、功能器官

  在本世纪初,几个研究小组已经在芯片上生产了器官,这种装置可以模拟人体器官的工作(从化学角度来看),比如肝脏或肾脏。

  最近,以色列的一个小组成功地用血管打印出一颗小小的心脏——使用人类的细胞。这是产生一种定制的、功能齐全的完整心脏的漫长道路的第一步,它可能最终克服捐助者缺乏的问题。

  目前在病例中使用3D打印技术的明显优点是:它使复杂病变的规划更加精确,可以规划选项(A、B等),避免了OT中的紧急计划,能够更好地为病人和亲属提供咨询,有利于培训——这相当于一种临床转移工具,就像击球练习,它能让外科医生看到各个角落——通过有先见之明的可预视化,它允许外科医生通过血液进行“观察”,它可以进行一次试验,缩短手术时间,缩短体外循环时间,减少残存损伤的机会,减少再介入的机会,更好地进行训练,人们可以通过放入虚拟瓣膜来评估血流动力学,处理一个缺陷等,这对于通过程序前规划来规划精细方法是非常宝贵的。

  未来方向

  通过将高空间分辨率心脏成像技术、图像处理软件和融合双材料3D打印技术结合起来,一些医疗机构最近已经证明,各种心血管疾病的特定患者模型可能为这种情况提供一个重要的额外视角。特定患者的3D MV模型可能直接影响我们选择合适的患者进行结构性心脏治疗和预测程序并发症的能力,并有可能修改和迅速改善迅速心内设备的治疗用途。在有限的生理性能范围内,天然心脏成分(例如血管壁、室壁和瓣叶)可以由广泛的3D打印材料混合而成。这种个性化3D打印心血管假体的概念今天还没有出现,但未来清晰可见——最终的成功是由病人自己的细胞制成的功能齐全的心脏。

  随着3D打印技术在先天性心脏病、冠状动脉疾病、外科和导管型结构疾病中的应用,3D打印是一种新的工具,它正在挑战我们如何想象、规划和实施心血管干预。