重塑呼吸，Stratasys全彩3D打印技術讓心臟病患兒擁抱新生活
時間：2022-07-21 10:13 來源：Stratasys 作者：admin 閱讀：次
科羅拉多兒童醫院是兒科心臟護理領域的領導者，該醫院正在使用患者特定的3D模型以改善復雜先天性心臟病兒童患者的生活。作為一家轉診中心，在這里能看到最為復雜的先天性心臟缺陷。
其中一個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，大約每10,000名新生兒中就有一人患有這種疾病。患有這種疾病的兒童在出生時動脈血氧濃度低，這種疾病也稱為紫紺。患者通常需要進行一系列姑息性手術，以恢復正常的血氧飽和度，來延長壽命并提高生活質量。在科羅拉多兒童醫院，這種疾病并不少見。該醫院每年都會成功治愈多位患有三尖瓣閉鎖的兒童。
然而，這個特殊的病例也向我們展示了一個不同尋常的挑戰，其中涉及到一種極為罕見的變異，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，而非正常情況下的左側。大動脈的朝向與常見情況相反，均從小右心室的上部流出。左心室通過一個叫做室間隔缺損的大孔洞向右心室供血。負責收集回流到心臟的血液的較小心房向后和向左旋轉，導致分割平面比通常情況更加橫向。
預激綜合癥(WPW)也使這種高度異常的解剖結構更為復雜。WPW綜合癥是因為心室和心房之間存在一條輔助通路，從而導致心率過快，具有危險性。對于只有一個心室運轉正常的患者而言，WPW綜合征極其危險，如果不進行處理，將會增加心臟手術后的死亡風險。
患者此前曾經歷過兩次姑息性手術，但是因為發現有WPW綜合征，所以轉診去了科羅拉多兒童醫院的心臟研究院。
團隊齊聚力量修復受損心臟
醫學博士Max Mitchell是先天性心臟外科醫生，醫學博士Kathryn Collins是專研電生理學的兒科心臟病學家，兩位專家共同審查了該兒童患者的病史，并確定了后續的治療步驟。該患者在出生時，控制血液從右心房流向右心室的三尖瓣并沒有發育好，因此，阻止了低氧血液進入右心室和肺部。患者的主肺動脈也太小，無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。
為解決這些問題，讓孩子能健康成長，醫生在患者還是新生兒時期就在她的肺動脈和主動脈之間放置了分流管，使血液能夠流入肺部。患者在其12個月齡時接受了雙向Glenn手術，這是兩階段手術策略的第一階段，該手術完全繞過了心臟，將人體組織原本流回心臟的血液直接泵入肺部。
完成Glenn手術后，Mitchell醫生與其同事確定該兒童患者可以進行下一階段的手術，稱作Fontan手術，這是兩階段手術策略的第二階段。
然而，Fontan手術的成功高度依賴于正常的心律和心率。由WPW綜合癥引發的心律不齊必須在手術前在導管實驗室中進行處理，或者在手術時得到解決。此外，患者的輔助通路必須在手術完成前消融，因為在Fontan手術后，導管實驗室將無法進行消融，而且那時患者身體到心臟的所有靜脈連接都將不再存在。此時導管將無法進入副通路。Collins醫生嘗試在導管實驗室中對副通路進行消融，但卻由于解剖結構明顯異常而未能找到副通路。因此，她找到Mitchell醫生，評估在按計劃進行Fontan手術時實施手術消融的可行性。
患者特定的3D模型引領通往新希望的道路
使是經驗豐富的先天性心臟外科醫生，也很難將超聲波心動圖與復雜、罕見的心臟異常的3D解剖結構聯系起來。
在使用3D重建審查了患者心臟的核磁共振成像掃描后，Mitchell醫生擔心手術消融很可能會失敗(圖1a、1b、1c)。
圖1a
圖1b
圖1c
有對比和無對比的患者心臟核磁共振成像
他找到了在科羅拉多大學安舒茨醫學院的同事，打印了患者特定的3D模型，然后將模型切成幾個部分，以便對患者的心臟解剖結構進行更深入的了解。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。
希望這能幫助在導管實驗室進行的第二次嘗試以取得成功。醫學博士Lorna Browne是本案的首席放射科醫生，他準備了掃描工作并與Inworks的設計師合作創建了3D模型(圖2a、2b和2c)，Inworks是科羅拉多大學安舒茨醫學院的一家設計工作室。
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個部分，以幫助電生理學家確定放置設備的最佳方案
圖2c:圖2a模型進行了策略性切割和拉伸，外科醫生便可以獲得心臟內部的最佳視圖，以確定最佳的手術方案
Nicholas Jacobson是這次案例的主設計師，Hayden McClain是一名學生助理，二人幫助團隊為術前規劃設計了3D打印流程—他們早期便進行了頭腦風暴，以確定將要使用的模型設計。Michael DiMaria醫生是本案的首席心臟病學專家，由于對患者的診斷非常了解，他指導了Jacobson以確定模型中哪些解剖結構至關重要。為了滿足團隊的手術需求，最終使用定制的Agilus30™和Vero™白色多材料混合材料來制作該模型。
在電生理學(EP)實驗室手術的準備過程中，Mitchell醫生和心臟病學團隊使用該模型來規劃手術方案。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域，以便了解其內部的拓撲結構和流動路徑。EP團隊使用了疊加在實驗室心臟內導向系統上的核磁共振成像，以及并發實時的經食管超聲波心動圖。
為了進一步評估患者心臟的血液流動情況，Mitchell醫生的研究團隊進行了4D核磁共振血液流動分析。這使得調查員能夠描繪出血液經過心臟進入血管的流動情況。由于患者主動脈的流出方向很不尋常，Mitchell醫生認為其血液流經心室進入主動脈的血流情況高度異常，并且很可能效率低下。這一觀點得到了證實，Mitchell醫生要求在手術前使用多材料3D打印心臟模型，以演示異常的血液流動路徑(圖 3a)。
圖3a:使用血流動力學數據和患者心臟解剖結構制作的視覺模型，用以演示血液流動情況。此模型幫助醫學團隊了解他們能在不中斷血液流動的情況下進入心臟的部位
Alex Barker醫生是先進成像實驗室的主任，也是早期使用4D流動核磁共振成像程序先鋒，她與Mitchell醫生以及Jacobson合作，生成并提取了4D流動數據，并將數據轉換為可用于3D打印新心臟模型的格式。模型使用的每一種顏色都有對應的速度編碼(圖 3b)。
圖3b:用于制作圖3a中多材料3D打印模型的血流動力學數據，演示出血液流動的途徑。
最后，無論是外科醫生還是患者，都能體驗到這種個性化醫療帶來的益處。
其中一個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，大約每10,000名新生兒中就有一人患有這種疾病。患有這種疾病的兒童在出生時動脈血氧濃度低，這種疾病也稱為紫紺。患者通常需要進行一系列姑息性手術，以恢復正常的血氧飽和度，來延長壽命并提高生活質量。在科羅拉多兒童醫院，這種疾病并不少見。該醫院每年都會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治療，她術后恢復得也很好。”
——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫院醫學博士
然而，這個特殊的病例也向我們展示了一個不同尋常的挑戰，其中涉及到一種極為罕見的變異，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，而非正常情況下的左側。大動脈的朝向與常見情況相反，均從小右心室的上部流出。左心室通過一個叫做室間隔缺損的大孔洞向右心室供血。負責收集回流到心臟的血液的較小心房向后和向左旋轉，導致分割平面比通常情況更加橫向。
預激綜合癥(WPW)也使這種高度異常的解剖結構更為復雜。WPW綜合癥是因為心室和心房之間存在一條輔助通路，從而導致心率過快，具有危險性。對于只有一個心室運轉正常的患者而言，WPW綜合征極其危險，如果不進行處理，將會增加心臟手術后的死亡風險。
患者此前曾經歷過兩次姑息性手術，但是因為發現有WPW綜合征，所以轉診去了科羅拉多兒童醫院的心臟研究院。
團隊齊聚力量修復受損心臟
醫學博士Max Mitchell是先天性心臟外科醫生，醫學博士Kathryn Collins是專研電生理學的兒科心臟病學家，兩位專家共同審查了該兒童患者的病史，并確定了后續的治療步驟。該患者在出生時，控制血液從右心房流向右心室的三尖瓣并沒有發育好，因此，阻止了低氧血液進入右心室和肺部。患者的主肺動脈也太小，無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。
為解決這些問題，讓孩子能健康成長，醫生在患者還是新生兒時期就在她的肺動脈和主動脈之間放置了分流管，使血液能夠流入肺部。患者在其12個月齡時接受了雙向Glenn手術，這是兩階段手術策略的第一階段，該手術完全繞過了心臟，將人體組織原本流回心臟的血液直接泵入肺部。
完成Glenn手術后，Mitchell醫生與其同事確定該兒童患者可以進行下一階段的手術，稱作Fontan手術，這是兩階段手術策略的第二階段。
然而，Fontan手術的成功高度依賴于正常的心律和心率。由WPW綜合癥引發的心律不齊必須在手術前在導管實驗室中進行處理，或者在手術時得到解決。此外，患者的輔助通路必須在手術完成前消融，因為在Fontan手術后，導管實驗室將無法進行消融，而且那時患者身體到心臟的所有靜脈連接都將不再存在。此時導管將無法進入副通路。Collins醫生嘗試在導管實驗室中對副通路進行消融，但卻由于解剖結構明顯異常而未能找到副通路。因此，她找到Mitchell醫生，評估在按計劃進行Fontan手術時實施手術消融的可行性。
患者特定的3D模型引領通往新希望的道路
使是經驗豐富的先天性心臟外科醫生，也很難將超聲波心動圖與復雜、罕見的心臟異常的3D解剖結構聯系起來。
在使用3D重建審查了患者心臟的核磁共振成像掃描后，Mitchell醫生擔心手術消融很可能會失敗(圖1a、1b、1c)。
圖1a
圖1b
圖1c
他找到了在科羅拉多大學安舒茨醫學院的同事，打印了患者特定的3D模型，然后將模型切成幾個部分，以便對患者的心臟解剖結構進行更深入的了解。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。
希望這能幫助在導管實驗室進行的第二次嘗試以取得成功。醫學博士Lorna Browne是本案的首席放射科醫生，他準備了掃描工作并與Inworks的設計師合作創建了3D模型(圖2a、2b和2c)，Inworks是科羅拉多大學安舒茨醫學院的一家設計工作室。
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個部分，以幫助電生理學家確定放置設備的最佳方案
圖2c:圖2a模型進行了策略性切割和拉伸，外科醫生便可以獲得心臟內部的最佳視圖，以確定最佳的手術方案
Nicholas Jacobson是這次案例的主設計師，Hayden McClain是一名學生助理，二人幫助團隊為術前規劃設計了3D打印流程—他們早期便進行了頭腦風暴，以確定將要使用的模型設計。Michael DiMaria醫生是本案的首席心臟病學專家，由于對患者的診斷非常了解，他指導了Jacobson以確定模型中哪些解剖結構至關重要。為了滿足團隊的手術需求，最終使用定制的Agilus30™和Vero™白色多材料混合材料來制作該模型。
“3D打印模型讓我對所有解剖結構關系有了準確的理解，包括主動脈的錯位以及因小右心室位置異常而引起的主動脈擴大。根據模型所提供的信息，我在做手術時使用了與平時不同的方案。將模型拿在手里能讓我看到我將在手術中遇到的情況，這樣我便能規劃出更可靠的手術方案，在做手術時心里也更有底。”
——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫院醫學博士
在電生理學(EP)實驗室手術的準備過程中，Mitchell醫生和心臟病學團隊使用該模型來規劃手術方案。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域，以便了解其內部的拓撲結構和流動路徑。EP團隊使用了疊加在實驗室心臟內導向系統上的核磁共振成像，以及并發實時的經食管超聲波心動圖。
“這個模型還能讓我為患者設計出更高效的Fontan手術，并在手術過程中安全地穿過之前手術所留下的所有疤痕組織。有了這個3D打印模型，并將其切割成適當的平面，我們就能與電生理學團隊和超聲波心動圖團隊一起，在EP實驗室中，將導管在該兒童患者心臟中的位置精確到毫米以內。同時使用醫院的導向系統、超聲波心動圖和3D打印模型，讓我們能在實施消融手術的過程中判斷正確的方位，并且能在視覺上預測導向副通路疑似位置的路徑。這幫助了Collins醫生將導管導向副通路，成功實施消融手術。”
——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫院醫學博士
為了進一步評估患者心臟的血液流動情況，Mitchell醫生的研究團隊進行了4D核磁共振血液流動分析。這使得調查員能夠描繪出血液經過心臟進入血管的流動情況。由于患者主動脈的流出方向很不尋常，Mitchell醫生認為其血液流經心室進入主動脈的血流情況高度異常，并且很可能效率低下。這一觀點得到了證實，Mitchell醫生要求在手術前使用多材料3D打印心臟模型，以演示異常的血液流動路徑(圖 3a)。
圖3a:使用血流動力學數據和患者心臟解剖結構制作的視覺模型，用以演示血液流動情況。此模型幫助醫學團隊了解他們能在不中斷血液流動的情況下進入心臟的部位
Alex Barker醫生是先進成像實驗室的主任，也是早期使用4D流動核磁共振成像程序先鋒，她與Mitchell醫生以及Jacobson合作，生成并提取了4D流動數據，并將數據轉換為可用于3D打印新心臟模型的格式。模型使用的每一種顏色都有對應的速度編碼(圖 3b)。
圖3b:用于制作圖3a中多材料3D打印模型的血流動力學數據，演示出血液流動的途徑。
“模型提供了整個心動周期中，每個解剖部位全面的血流動力學信息。模型展示出患者心臟內的血流在各方面都高度異常，并證實了與典型的三尖瓣閉鎖患者相比，該患者在Fontan手術后的泵血效率可能仍然更低。這種先進的4D流動核磁共振成像分析模型為指導今后潛在的管理變更提供了寶貴的信息。”
——Max Mitchell
科羅拉多兒童醫院醫學博士
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