引用本文： 伍冬冬, 顾其华, 潘频华, 曹立明, 孟婕, 胡成平. 3D打印技术引导气道狭窄支架置入术一例. 中国呼吸与危重监护杂志, 2014, 13(6): 610-612. doi: 10.7507/1671-6205.2014150 复制
3D打印技术在医疗领域的应用是目前国内外研究的热点之一，在牙科整形、血管支架、人体假肢等领域的应用正在蓬勃发展，已越来越受到医师们的关注。但是这项技术在气管狭窄支架植入术领域中的应用却少见报道。本科最近应用3D打印技术重建患者气道模型并成功指导患者气管内支架植入术，现报告如下。
临床资料 患者男性，60岁。于2014年6月30日因“声嘶、咳嗽、咳痰5个月，加重伴气促1个月余”入院。查体：双侧颈部多个黄豆大小淋巴结，桶状胸，可见三凹征，双肺叩诊过清音，呼吸音减弱，吸气相延长，可闻及吸气相干啰音。入我院行肺部CT检查提示后上纵隔内软组织密度灶，大小约4.0 cm×2.8 cm×5.3 cm，CT值41 HU，增强后CT值81 HU，气管下段被包绕，管腔明显变窄，与食管分界不清，下段食管管壁增厚，纵隔内未见明显肿大淋巴结影；食管来源恶性病变？左上肺感染(图 1)。诊断为上纵隔占位性病变、气管狭窄。
图1
CT肺平扫图像 a．气管上段轮廓尚正常；b~d．后上纵隔内软组织密度灶，气管下段被包绕，管腔明显变窄(箭头所示)，与食管分界限不清
患者明显气促，术前气管狭窄程度Cotton评分[1]Ⅲ级，气促评级4级，考虑有气管支架植入术指征。根据CT扫描气管支气管成像数据按实际比例制作气管支气管3D打印模型。模型尺寸：气管长度10.5 cm，气管壁厚度约3 mm，气管最大直径为1.8 cm，最小直径为0.5 cm，狭窄范围约6 cm，根据3D打印模型(图 2和图 3)制订气管支架长度、直径和气道内植入位置，然后在全身麻醉下行支气管镜检查并引导准确放置1.8 cm×6 cm支架(图 4)，支架通畅，术中及术后生命体征平稳，无严重并发症发生。其后患者气促及呼吸困难情况明显改善。气管下端黏膜病理学检查结果提示坏死组织中见4小团异型细胞巢，高度疑似为癌，宜再检；另见曲霉菌丝。
图2
3D建模及实物图像 a．从声门至段支气管3D建模图像，整体观可明确显示气管下段狭窄部位及范围；b．3D打印实物图正面观；c．3D打印实物图后面观
图3
3D打印实物图像 中空气道模型并用钢丝探查
图4
纤维支气管镜诊疗图像 a．气管中下段肿瘤狭窄，狭窄上端距声门下端3 cm，狭窄下端几乎平隆突水平；b．根据3D打印模型引导支气管镜下放置1.8 cm×6 cm支架，支架通畅；c．气管支架植入术后3 d复查图像
讨论 中央气道为气体进出的主要通道，一旦发生狭窄，即可出现反复咳嗽、咳痰以及呼吸困难等症状，常常引起呼吸衰竭导致患者死亡。中央气道狭窄是气管支架植入术的有效指征，在支架植入之前，狭窄段的严重程度及长度都需要评估。常规CT的横断面图像不能显示气管主支气管的整体结构，对病变的显示缺乏整体观。图像技术对解剖学及病理学的展现都非常重要，简单的重组图像可能会对病灶部位的3D可视化提供帮助，然而在弥漫性气道受累或者动态变化的复杂情况下，3D模型可以对诊疗方案提供巨大帮助[2]。
3D打印技术最早出现于20世纪80年代，首先在工程领域应用，是一种快速成型技术[3]。它利用重建的三维数字模型，运用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造三维物体。常见的重建方式包括多平面重建、三维容积再现、最小容积投影等，评价气管还可以采用虚拟支气管镜。3D打印在形态学方面有很好的展现能力。利用该技术重建的气道三维图像可以系统、准确地表现气管的正常和病理解剖特点，在薄层容积数据采集的基础上，从冠状、矢状及任意角度显示气管、支气管树的轮廓，并可以达到与纤维支气管镜和外科解剖所见相似的病理生理信息。在医学领域，随着计算机断层扫描和核磁共振技术的发展，放射学诊断变得更精确，创伤也更小，而且其高分辨率的三维图像数据在数秒内就可以获得，成为理想的三维数据获取手段。而且，CT三维重建可以全面完整、立体直观地显示正常解剖形态及异常形态学改变，在呼吸道疾病方面弥补了横断面图像对气管、支气管长轴显示不足的缺陷。
随着3D技术的发展，我们能够将螺旋CT三维重建的图像通过3D打印机“打印”出来，形成真正的三维实物。3D打印的气管模型可以多方位、多角度地观察气道病变的位置以及肿瘤所致管腔的变形和狭窄，能够比较准确地测量狭窄的长度及宽度；3D模型可以将病变的器官组织将更加直观地展现，临床医生在观察病变部位或制定手术计划时更加方便；对于一些风险性比较高的手术，医生可以用这些模型先进行模拟训练，降低手术的风险；同时可以深入浅出地与缺乏相关医疗知识的病患及其家属进行沟通；在医疗教学方面，打印出的病例模型相对于书本上的图文更加生动灵活。
本例患者在获取CT扫描信息的基础上采用3D重建方法，不仅明确直观地展现了气管及支气管的形态结构，同时明确显示了狭窄的位置。由于狭窄下端几乎平隆突水平，支架下端拟定位于隆突上端约0.5 cm处，避免了支架全程覆盖狭窄段顶住气管隆突的问题。因此，3D打印模型可以对支架的定位和大小的选择提供帮助，便于准确地定量测量狭窄的程度，指导气管支架的植入，以及尽量避免支架的移位；还可以将支架放入3D模型中，从而预计放入支架后的情况。虽然目前在实际工作中3D打印气道模型对于气道支架置放来说并不是常规的，但无疑是非常有益的补充。尤其对于气管严重狭窄的患者，在纤维支气管镜亦不能通过的情况下，3D建模却可以清晰地显示气道内部情况，这是其他检查技术无法比拟的，更体现出其优势所在。因此，利用CT扫描影像制造的3D模型对指导外科或者介入治疗意义重大。
3D气道模型的意义并不局限于了解病变范围和位置及指导支架的选择和置放，如果将来可以进一步利用与人体组织相容性生物材料打印出正常气管来替换原有的病变气管，或对于气道塌陷的患者打印出相应的气管夹板来支撑气道，那么3D打印在呼吸领域的应用将会日新月异。另外，如果CT三维重建后的图像经过简单的处理及格式转换，直接由3D打印机制作出来，省去了3D建模这一复杂过程，实现3D打印机与CT三维重建的结合应用，将无疑是医疗技术的一大飞跃，同时3D打印的成本也会随之降低，目前尚存在软件接口等技术问题需要解决[4]。
3D打印材料是制约3D打印技术广泛应用的重要因素。相信随着3D技术的不断进步，通过计算机辅助制造技术(computer-assisted manufacture，CAM)可以制造支架用于组织修复[5]。在原材料的选择上我们可以直接控制细胞的种类和功能[6]，也许未来通过3D生物打印用来打印气管支架甚至个性化定制亦有可能。虽然3D打印技术的优势比较明显，但是相对于普通的影像学检测技术仍稍显昂贵。相信随着技术的发展其不足之处将得以克服，3D技术在临床中的应用将更加广泛，临床意义将进一步得到验证。
3D打印技术在医疗领域的应用是目前国内外研究的热点之一，在牙科整形、血管支架、人体假肢等领域的应用正在蓬勃发展，已越来越受到医师们的关注。但是这项技术在气管狭窄支架植入术领域中的应用却少见报道。本科最近应用3D打印技术重建患者气道模型并成功指导患者气管内支架植入术，现报告如下。
临床资料 患者男性，60岁。于2014年6月30日因“声嘶、咳嗽、咳痰5个月，加重伴气促1个月余”入院。查体：双侧颈部多个黄豆大小淋巴结，桶状胸，可见三凹征，双肺叩诊过清音，呼吸音减弱，吸气相延长，可闻及吸气相干啰音。入我院行肺部CT检查提示后上纵隔内软组织密度灶，大小约4.0 cm×2.8 cm×5.3 cm，CT值41 HU，增强后CT值81 HU，气管下段被包绕，管腔明显变窄，与食管分界不清，下段食管管壁增厚，纵隔内未见明显肿大淋巴结影；食管来源恶性病变？左上肺感染(图 1)。诊断为上纵隔占位性病变、气管狭窄。
图1
CT肺平扫图像 a．气管上段轮廓尚正常；b~d．后上纵隔内软组织密度灶，气管下段被包绕，管腔明显变窄(箭头所示)，与食管分界限不清
患者明显气促，术前气管狭窄程度Cotton评分[1]Ⅲ级，气促评级4级，考虑有气管支架植入术指征。根据CT扫描气管支气管成像数据按实际比例制作气管支气管3D打印模型。模型尺寸：气管长度10.5 cm，气管壁厚度约3 mm，气管最大直径为1.8 cm，最小直径为0.5 cm，狭窄范围约6 cm，根据3D打印模型(图 2和图 3)制订气管支架长度、直径和气道内植入位置，然后在全身麻醉下行支气管镜检查并引导准确放置1.8 cm×6 cm支架(图 4)，支架通畅，术中及术后生命体征平稳，无严重并发症发生。其后患者气促及呼吸困难情况明显改善。气管下端黏膜病理学检查结果提示坏死组织中见4小团异型细胞巢，高度疑似为癌，宜再检；另见曲霉菌丝。
图2
3D建模及实物图像 a．从声门至段支气管3D建模图像，整体观可明确显示气管下段狭窄部位及范围；b．3D打印实物图正面观；c．3D打印实物图后面观
图3
3D打印实物图像 中空气道模型并用钢丝探查
图4
纤维支气管镜诊疗图像 a．气管中下段肿瘤狭窄，狭窄上端距声门下端3 cm，狭窄下端几乎平隆突水平；b．根据3D打印模型引导支气管镜下放置1.8 cm×6 cm支架，支架通畅；c．气管支架植入术后3 d复查图像
讨论 中央气道为气体进出的主要通道，一旦发生狭窄，即可出现反复咳嗽、咳痰以及呼吸困难等症状，常常引起呼吸衰竭导致患者死亡。中央气道狭窄是气管支架植入术的有效指征，在支架植入之前，狭窄段的严重程度及长度都需要评估。常规CT的横断面图像不能显示气管主支气管的整体结构，对病变的显示缺乏整体观。图像技术对解剖学及病理学的展现都非常重要，简单的重组图像可能会对病灶部位的3D可视化提供帮助，然而在弥漫性气道受累或者动态变化的复杂情况下，3D模型可以对诊疗方案提供巨大帮助[2]。
3D打印技术最早出现于20世纪80年代，首先在工程领域应用，是一种快速成型技术[3]。它利用重建的三维数字模型，运用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造三维物体。常见的重建方式包括多平面重建、三维容积再现、最小容积投影等，评价气管还可以采用虚拟支气管镜。3D打印在形态学方面有很好的展现能力。利用该技术重建的气道三维图像可以系统、准确地表现气管的正常和病理解剖特点，在薄层容积数据采集的基础上，从冠状、矢状及任意角度显示气管、支气管树的轮廓，并可以达到与纤维支气管镜和外科解剖所见相似的病理生理信息。在医学领域，随着计算机断层扫描和核磁共振技术的发展，放射学诊断变得更精确，创伤也更小，而且其高分辨率的三维图像数据在数秒内就可以获得，成为理想的三维数据获取手段。而且，CT三维重建可以全面完整、立体直观地显示正常解剖形态及异常形态学改变，在呼吸道疾病方面弥补了横断面图像对气管、支气管长轴显示不足的缺陷。
随着3D技术的发展，我们能够将螺旋CT三维重建的图像通过3D打印机“打印”出来，形成真正的三维实物。3D打印的气管模型可以多方位、多角度地观察气道病变的位置以及肿瘤所致管腔的变形和狭窄，能够比较准确地测量狭窄的长度及宽度；3D模型可以将病变的器官组织将更加直观地展现，临床医生在观察病变部位或制定手术计划时更加方便；对于一些风险性比较高的手术，医生可以用这些模型先进行模拟训练，降低手术的风险；同时可以深入浅出地与缺乏相关医疗知识的病患及其家属进行沟通；在医疗教学方面，打印出的病例模型相对于书本上的图文更加生动灵活。
本例患者在获取CT扫描信息的基础上采用3D重建方法，不仅明确直观地展现了气管及支气管的形态结构，同时明确显示了狭窄的位置。由于狭窄下端几乎平隆突水平，支架下端拟定位于隆突上端约0.5 cm处，避免了支架全程覆盖狭窄段顶住气管隆突的问题。因此，3D打印模型可以对支架的定位和大小的选择提供帮助，便于准确地定量测量狭窄的程度，指导气管支架的植入，以及尽量避免支架的移位；还可以将支架放入3D模型中，从而预计放入支架后的情况。虽然目前在实际工作中3D打印气道模型对于气道支架置放来说并不是常规的，但无疑是非常有益的补充。尤其对于气管严重狭窄的患者，在纤维支气管镜亦不能通过的情况下，3D建模却可以清晰地显示气道内部情况，这是其他检查技术无法比拟的，更体现出其优势所在。因此，利用CT扫描影像制造的3D模型对指导外科或者介入治疗意义重大。
3D气道模型的意义并不局限于了解病变范围和位置及指导支架的选择和置放，如果将来可以进一步利用与人体组织相容性生物材料打印出正常气管来替换原有的病变气管，或对于气道塌陷的患者打印出相应的气管夹板来支撑气道，那么3D打印在呼吸领域的应用将会日新月异。另外，如果CT三维重建后的图像经过简单的处理及格式转换，直接由3D打印机制作出来，省去了3D建模这一复杂过程，实现3D打印机与CT三维重建的结合应用，将无疑是医疗技术的一大飞跃，同时3D打印的成本也会随之降低，目前尚存在软件接口等技术问题需要解决[4]。
3D打印材料是制约3D打印技术广泛应用的重要因素。相信随着3D技术的不断进步，通过计算机辅助制造技术(computer-assisted manufacture，CAM)可以制造支架用于组织修复[5]。在原材料的选择上我们可以直接控制细胞的种类和功能[6]，也许未来通过3D生物打印用来打印气管支架甚至个性化定制亦有可能。虽然3D打印技术的优势比较明显，但是相对于普通的影像学检测技术仍稍显昂贵。相信随着技术的发展其不足之处将得以克服，3D技术在临床中的应用将更加广泛，临床意义将进一步得到验证。
