3D打印有助于預(yù)測心臟瓣膜的泄漏

在美國，超過八分之一的75歲及以上的人在心臟中發(fā)生中度至重度的主動脈阻塞，通常是由于瓣膜小葉上積聚的鈣化沉積物造成的，并阻止它們完全打開和關(guān)閉。許多這些老年患者的健康狀況不足以進(jìn)行心臟直視手術(shù);相反，他們使用稱為經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)（TAVR）的手術(shù)將人工瓣膜植入其心臟，該手術(shù)通過插入主動脈的導(dǎo)管展開瓣膜。然而，這個過程存在挑戰(zhàn)，包括需要選擇完美尺寸的心臟瓣膜，而不是真正看病人的心臟：太小，瓣膜可能會在邊緣移動或泄漏;太大了，閥門可以撕裂心臟，帶來死亡的危險。因此，心臟病專家一直試圖尋找一種“恰到好處”的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員創(chuàng)造了一種新穎的3D打印工作流程，允許心臟病專家在實(shí)際執(zhí)行醫(yī)療程序之前評估不同瓣膜尺寸與每位患者獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)的相互作用。該協(xié)議使用CT掃描數(shù)據(jù)生成個體患者主動脈瓣的物理模型，此外還有“sizer”裝置以確定完美的替換瓣膜尺寸。這項(xiàng)工作是與布萊根婦女醫(yī)院，華盛頓大學(xué)，馬薩諸塞州綜合醫(yī)院和馬克斯普朗克膠體與界面研究所的研究人員和醫(yī)生合作完成的，并發(fā)表在《Journal of Cardiovascular Computed Tomography》雜志上。

當(dāng)患者需要更換心臟瓣膜時，他們經(jīng)常進(jìn)行CT掃描，這需要一系列心臟X射線圖像來創(chuàng)建其內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的三維重建。雖然在CT掃描中很容易看到主動脈的外壁和任何相關(guān)的鈣化沉積物，但是打開和關(guān)閉瓣膜的組織的精細(xì)“小葉”通常太薄而不能很好地顯示出來。 “在進(jìn)行心臟解剖結(jié)構(gòu)的三維重建后，通常看起來鈣化的沉積物只是在瓣膜內(nèi)漂浮，對部署的TAVR瓣膜如何與它們相互作用提供很少或根本沒有見解，”Weaver解釋說。

為了解決這個問題，當(dāng)時Wyss研究所的研究員Ahmed Hosny創(chuàng)建了一個軟件程序，該程序使用參數(shù)化建模來生成傳單的虛擬三維模型，每個患者的瓣膜上有七個坐標(biāo)，這些坐標(biāo)在CT掃描。然后將數(shù)字小葉模型與CT數(shù)據(jù)合并并進(jìn)行調(diào)整，以使它們正確地適合瓣膜。然后將得到的模型（其中包含小葉及其相關(guān)的鈣化沉積物）3D打印成物理多材料模型。

該團(tuán)隊(duì)還打印了一個定制的“sizer”設(shè)備，該設(shè)備適合3D打印的閥門模型，并進(jìn)行擴(kuò)展和收縮，以確定最適合每位患者的人造瓣膜尺寸。然后，他們用一層薄薄的壓力傳感薄膜包裹分級機(jī)，以繪制分級器和三維印刷閥門及其相關(guān)的鈣化沉積物之間的壓力，同時逐漸擴(kuò)大分級器。

“我們發(fā)現(xiàn)傳單上鈣化沉積物的大小和位置對人工瓣膜與鈣化瓣膜的適應(yīng)性有很大影響，”目前在Dana-Farber癌癥研究所工作的Hosny說。 “有時，TAVR瓣膜無法完全密封鈣化瓣膜，這些患者實(shí)際上可以更好地進(jìn)行心內(nèi)直視手術(shù)以獲得更好的貼合效果�！�

此外，三維印刷閥門模型的多材料設(shè)計(jì)，將柔性小葉和剛性鈣化沉積物整合成完全整合的形狀，可以更準(zhǔn)確地模擬人工瓣膜部署期間真實(shí)心臟瓣膜的行為，以及隨著sizer的擴(kuò)展，提供觸覺反饋。

該團(tuán)隊(duì)根據(jù)已經(jīng)接受過TAVR手術(shù)的30名患者的數(shù)據(jù)對他們的系統(tǒng)進(jìn)行了測試，其中15名患者因閥門太小而發(fā)生泄漏。研究人員預(yù)測，根據(jù)分級器與主動脈瓣的3D打印模型的匹配程度，每個患者應(yīng)該接受的瓣膜大小，以及手術(shù)后是否會出現(xiàn)泄漏。該系統(tǒng)能夠成功預(yù)測60-73％的患者的泄漏結(jié)果（取決于患者接受的瓣膜類型），并確定60％的患者已接受適當(dāng)大小的瓣膜。

“能夠識別中心和低風(fēng)險患者，其心臟瓣膜解剖結(jié)構(gòu)使他們更容易發(fā)生TAVR并發(fā)癥，這是至關(guān)重要的，我們以前從未有過一種非侵入性的方法來準(zhǔn)確地確定這種情況。這些患者可能會通過手術(shù)獲得更好的服務(wù)，因?yàn)椴煌昝赖腡AVR結(jié)果的風(fēng)險可能超過其益處。”作者們說道。此外，能夠物理模擬該過程可能會告知閥門設(shè)計(jì)和部署方法的未來迭代。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為希望使用它們的研究人員或臨床醫(yī)生在線免費(fèi)提供了傳單建模軟件和3D打印協(xié)議。他們希望他們的項(xiàng)目將成為可進(jìn)化的生物醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)的跳板，與市場的最新技術(shù)保持同步。

“個性化醫(yī)療挑戰(zhàn)的核心是認(rèn)識到一種藥物治療不能同樣為所有患者服務(wù)，并且治療方法應(yīng)該適合人，”Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber博士說到。他還是哈佛醫(yī)學(xué)院血管生物學(xué)的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的生物工程教授。 “這個原則適用于醫(yī)療器械和藥物，我們很高興看到我們的社區(qū)如何在這個領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，并試圖將新的個性化方法從實(shí)驗(yàn)室到臨床實(shí)踐。”

來源：MDL科研助手