3D打印有助于预测心脏瓣膜的泄漏

在美国，超过八分之一的75岁及以上的人在心脏中发生中度至重度的主动脉阻塞，通常是由于瓣膜小叶上积聚的钙化沉积物造成的，并阻止它们完全打开和关闭。许多这些老年患者的健康状况不足以进行心脏直视手术;相反，他们使用称为经导管主动脉瓣置换术（TAVR）的手术将人工瓣膜植入其心脏，该手术通过插入主动脉的导管展开瓣膜。然而，这个过程存在挑战，包括需要选择完美尺寸的心脏瓣膜，而不是真正看病人的心脏：太小，瓣膜可能会在边缘移动或泄漏;太大了，阀门可以撕裂心脏，带来死亡的危险。因此，心脏病专家一直试图寻找一种“恰到好处”的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员创造了一种新颖的3D打印工作流程，允许心脏病专家在实际执行医疗程序之前评估不同瓣膜尺寸与每位患者独特解剖结构的相互作用。该协议使用CT扫描数据生成个体患者主动脉瓣的物理模型，此外还有“sizer”装置以确定完美的替换瓣膜尺寸。这项工作是与布莱根妇女医院，华盛顿大学，马萨诸塞州综合医院和马克斯普朗克胶体与界面研究所的研究人员和医生合作完成的，并发表在《Journal of Cardiovascular Computed Tomography》杂志上。

当患者需要更换心脏瓣膜时，他们经常进行CT扫描，这需要一系列心脏X射线图像来创建其内部解剖结构的三维重建。虽然在CT扫描中很容易看到主动脉的外壁和任何相关的钙化沉积物，但是打开和关闭瓣膜的组织的精细“小叶”通常太薄而不能很好地显示出来。 “在进行心脏解剖结构的三维重建后，通常看起来钙化的沉积物只是在瓣膜内漂浮，对部署的TAVR瓣膜如何与它们相互作用提供很少或根本没有见解，”Weaver解释说。

为了解决这个问题，当时Wyss研究所的研究员Ahmed Hosny创建了一个软件程序，该程序使用参数化建模来生成传单的虚拟三维模型，每个患者的瓣膜上有七个坐标，这些坐标在CT扫描。然后将数字小叶模型与CT数据合并并进行调整，以使它们正确地适合瓣膜。然后将得到的模型（其中包含小叶及其相关的钙化沉积物）3D打印成物理多材料模型。

该团队还打印了一个定制的“sizer”设备，该设备适合3D打印的阀门模型，并进行扩展和收缩，以确定最适合每位患者的人造瓣膜尺寸。然后，他们用一层薄薄的压力传感薄膜包裹分级机，以绘制分级器和三维印刷阀门及其相关的钙化沉积物之间的压力，同时逐渐扩大分级器。

“我们发现传单上钙化沉积物的大小和位置对人工瓣膜与钙化瓣膜的适应性有很大影响，”目前在Dana-Farber癌症研究所工作的Hosny说。 “有时，TAVR瓣膜无法完全密封钙化瓣膜，这些患者实际上可以更好地进行心内直视手术以获得更好的贴合效果。”

此外，三维印刷阀门模型的多材料设计，将柔性小叶和刚性钙化沉积物整合成完全整合的形状，可以更准确地模拟人工瓣膜部署期间真实心脏瓣膜的行为，以及随着sizer的扩展，提供触觉反馈。

该团队根据已经接受过TAVR手术的30名患者的数据对他们的系统进行了测试，其中15名患者因阀门太小而发生泄漏。研究人员预测，根据分级器与主动脉瓣的3D打印模型的匹配程度，每个患者应该接受的瓣膜大小，以及手术后是否会出现泄漏。该系统能够成功预测60-73％的患者的泄漏结果（取决于患者接受的瓣膜类型），并确定60％的患者已接受适当大小的瓣膜。

“能够识别中心和低风险患者，其心脏瓣膜解剖结构使他们更容易发生TAVR并发症，这是至关重要的，我们以前从未有过一种非侵入性的方法来准确地确定这种情况。这些患者可能会通过手术获得更好的服务，因为不完美的TAVR结果的风险可能超过其益处。”作者们说道。此外，能够物理模拟该过程可能会告知阀门设计和部署方法的未来迭代。

该团队已经为希望使用它们的研究人员或临床医生在线免费提供了传单建模软件和3D打印协议。他们希望他们的项目将成为可进化的生物医学设计的跳板，与市场的最新技术保持同步。

“个性化医疗挑战的核心是认识到一种药物治疗不能同样为所有患者服务，并且治疗方法应该适合人，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士说到。他还是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程教授。 “这个原则适用于医疗器械和药物，我们很高兴看到我们的社区如何在这个领域进行创新，并试图将新的个性化方法从实验室到临床实践。”

来源：MDL科研助手