重塑呼吸,3D打印技术让心脏病患儿拥抱新生活

重塑呼吸,拥抱新生活

科罗拉多儿童医院是儿科心脏护理领域的领导者,该医院正在使用患者特定的3D模型以改善复杂先天性心脏病儿童患者的生活。作为一家转诊中心,在这里能看到最为复杂的先天性心脏缺陷。

3D模型

其中一个案例是一名患有先天性三尖瓣闭锁的4岁儿童,这是一种先天性心脏缺陷,而在美国,大约每10,000名新生儿中就有一人患有这种疾病。患有这种疾病的儿童在出生时动脉血氧浓度低,这种疾病也称为紫绀。患者通常需要进行一系列姑息性手术,以恢复正常的血氧饱和度,来延长寿命并提高生活质量。在科罗拉多儿童医院,这种疾病并不少见。该医院每年都会成功治愈多位患有三尖瓣闭锁的儿童。

“在3D模型的帮助下,我尽我所能给了患者最好的手术治疗,她术后恢复得也很好。”

  ——Max Mitchell

  科罗拉多儿童医院医学博士

然而,这个特殊的病例也向我们展示了一个不同寻常的挑战,其中涉及到一种极为罕见的变异,患者的心室处于上下位置排列,而通常情况下心室呈并列排列。心脏的大部分或心尖指向了右侧,而非正常情况下的左侧。大动脉的朝向与常见情况相反,均从小右心室的上部流出。左心室通过一个叫做室间隔缺损的大孔洞向右心室供血。负责收集回流到心脏的血液的较小心房向后和向左旋转,导致分割平面比通常情况更加横向。

预激综合症(WPW)也使这种高度异常的解剖结构更为复杂。WPW综合症是因为心室和心房之间存在一条辅助通路,从而导致心率过快,具有危险性。对于只有一个心室运转正常的患者而言,WPW综合征极其危险,如果不进行处理,将会增加心脏手术后的死亡风险。

患者此前曾经历过两次姑息性手术,但是因为发现有WPW综合征,所以转诊去了科罗拉多儿童医院的心脏研究院。

团队齐聚力量修复受损心脏

医学博士Max Mitchell是先天性心脏外科医生,医学博士Kathryn Collins是专研电生理学的儿科心脏病学家,两位专家共同审查了该儿童患者的病史,并确定了后续的治疗步骤。该患者在出生时,控制血液从右心房流向右心室的三尖瓣并没有发育好,因此,阻止了低氧血液进入右心室和肺部。患者的主肺动脉也太小,无法向其肺部提供足够的血液。右心房与左心房之间的孔洞,称为心房间隔缺损,可以让富氧和缺氧的血液混合,然后泵入患者身体的其他部位。

为解决这些问题,让孩子能健康成长,医生在患者还是新生儿时期就在她的肺动脉和主动脉之间放置了分流管,使血液能够流入肺部。患者在其12个月龄时接受了双向Glenn手术,这是两阶段手术策略的第一阶段,该手术完全绕过了心脏,将人体组织原本流回心脏的血液直接泵入肺部。

完成Glenn手术后,Mitchell医生与其同事确定该儿童患者可以进行下一阶段的手术,称作Fontan手术,这是两阶段手术策略的第二阶段。

然而,Fontan手术的成功高度依赖于正常的心律和心率。由WPW综合症引发的心律不齐必须在手术前在导管实验室中进行处理,或者在手术时得到解决。此外,患者的辅助通路必须在手术完成前消融,因为在Fontan手术后,导管实验室将无法进行消融,而且那时患者身体到心脏的所有静脉连接都将不再存在。此时导管将无法进入副通路。Collins医生尝试在导管实验室中对副通路进行消融,但却由于解剖结构明显异常而未能找到副通路。因此,她找到Mitchell医生,评估在按计划进行Fontan手术时实施手术消融的可行性。

患者特定的3D模型引领通往新希望的道路

使是经验丰富的先天性心脏外科医生,也很难将超声波心动图与复杂、罕见的心脏异常的3D解剖结构联系起来。

在使用3D重建审查了患者心脏的核磁共振成像扫描后,Mitchell医生担心手术消融很可能会失败(图1a、1b、1c)。

3D模型

图1a

3D解剖结构

图1b

心脏核磁共振成像

图1c

  图1:有对比和无对比的患者心脏核磁共振成像

他找到了在科罗拉多大学安舒茨医学院的同事,打印了患者特定的3D模型,然后将模型切成几个部分,以便对患者的心脏解剖结构进行更深入的了解。用于打印该模型的材料需要能模拟患者心脏的外观和触感。

希望这能帮助在导管实验室进行的第二次尝试以取得成功。医学博士Lorna Browne是本案的首席放射科医生,他准备了扫描工作并与Inworks的设计师合作创建了3D模型(图2a、2b和2c),Inworks是科罗拉多大学安舒茨医学院的一家设计工作室。

功能型模型

  图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

模型

  图2b:图2a模型切成3个部分,以帮助电生理学家确定放置设备的最佳方案

3D打印

  图2c:图2a模型进行了策略性切割和拉伸,外科医生便可以获得心脏内部的最佳视图,以确定最佳的手术方案

Nicholas Jacobson是这次案例的主设计师,Hayden McClain是一名学生助理,二人帮助团队为术前规划设计了3D打印流程—他们早期便进行了头脑风暴,以确定将要使用的模型设计。Michael DiMaria医生是本案的首席心脏病学专家,由于对患者的诊断非常了解,他指导了Jacobson以确定模型中哪些解剖结构至关重要。为了满足团队的手术需求,最终使用定制的Agilus30™和Vero™白色多材料混合材料来制作该模型。

3D打印模型让我对所有解剖结构关系有了准确的理解,包括主动脉的错位以及因小右心室位置异常而引起的主动脉扩大。根据模型所提供的信息,我在做手术时使用了与平时不同的方案。将模型拿在手里能让我看到我将在手术中遇到的情况,这样我便能规划出更可靠的手术方案,在做手术时心里也更有底。”

  ——Max Mitchell

  科罗拉多儿童医院医学博士

在电生理学(EP)实验室手术的准备过程中,Mitchell医生和心脏病学团队使用该模型来规划手术方案。模型所具备的柔韧性和功能性让他们能拉伸该模型,并取出模型中特定的区域,以便了解其内部的拓扑结构和流动路径。EP团队使用了叠加在实验室心脏内导向系统上的核磁共振成像,以及并发实时的经食管超声波心动图。

“这个模型还能让我为患者设计出更高效的Fontan手术,并在手术过程中安全地穿过之前手术所留下的所有疤痕组织。有了这个3D打印模型,并将其切割成适当的平面,我们就能与电生理学团队和超声波心动图团队一起,在EP实验室中,将导管在该儿童患者心脏中的位置精确到毫米以内。同时使用医院的导向系统、超声波心动图和3D打印模型,让我们能在实施消融手术的过程中判断正确的方位,并且能在视觉上预测导向副通路疑似位置的路径。这帮助了Collins医生将导管导向副通路,成功实施消融手术。”

  ——Max Mitchell

  科罗拉多儿童医院医学博士

为了进一步评估患者心脏的血液流动情况,Mitchell医生的研究团队进行了4D核磁共振血液流动分析。这使得调查员能够描绘出血液经过心脏进入血管的流动情况。由于患者主动脉的流出方向很不寻常,Mitchell医生认为其血液流经心室进入主动脉的血流情况高度异常,并且很可能效率低下。这一观点得到了证实,Mitchell医生要求在手术前使用多材料3D打印心脏模型,以演示异常的血液流动路径(图3a)。

3D打印心脏模型

  图3a:使用血流动力学数据和患者心脏解剖结构制作的视觉模型,用以演示血液流动情况。此模型帮助医学团队了解他们能在不中断血液流动的情况下进入心脏的部位

Alex Barker医生是先进成像实验室的主任,也是早期使用4D流动核磁共振成像程序先锋,她与Mitchell医生以及Jacobson合作,生成并提取了4D流动数据,并将数据转换为可用于3D打印新心脏模型的格式。模型使用的每一种颜色都有对应的速度编码(图3b)。

3D打印模型

  图3b:用于制作图3a中多材料3D打印模型的血流动力学数据,演示出血液流动的途径。

“模型提供了整个心动周期中,每个解剖部位全面的血流动力学信息。模型展示出患者心脏内的血流在各方面都高度异常,并证实了与典型的三尖瓣闭锁患者相比,该患者在Fontan手术后的泵血效率可能仍然更低。这种先进的4D流动核磁共振成像分析模型为指导今后潜在的管理变更提供了宝贵的信息。”

  ——Max Mitchell

  科罗拉多儿童医院医学博士

最后,无论是外科医生还是患者,都能体验到这种个性化医疗带来的益处。

J850 DAP产品手册