西京结构文献谈|内置传感器个性化3D打印主动脉根部模型在TAVR手术中的应用

2023年11月(总第7期)

编译:刘元章,王义为,李兰兰 

Highlight

本文亮点:

3D打印的可视化优势明显:使用3D打印的患者特定器官模型可以增强3D可视化,增强对介入瓣膜和患者自身解剖结构之间物理作用的理解。 


3D打印体外模拟能够精确预测TAVR术后植入瓣膜形态:在不同心动周期,3D打印模型中模拟植入瓣膜的直径,与术后真实测量数据接近。


3D打印带有内置传感器的根部模型能够实现局部力学环境测量:3D打印内部集成传感器阵列的主动脉根部模型,结合血流动力学研究,可实现受力测量、部分并发症预测的可视化。

////////////////////////////////////////


主动脉瓣狭窄(AS)是老年人常见的心血管疾病之一,传统治疗方法是外科手术主动脉瓣置换,但因该手术创伤大风险高,众多患者未能接受手术治疗。经过近年来的发展,经导管主动脉瓣置换即TAVR手术作为一项主动脉瓣疾病治疗的革命性技术在临床快速推广,并在很多国家地区超过了传统外科手术主动脉瓣置换手术量。欧美瓣膜病管理指南也不断更新对TAVR手术的推荐级别,适应症逐渐拓展。
虽然TAVR技术微创的优势非常明显,手术不需开胸,体外循环,心脏停跳,大大减小了手术创伤和围术期风险,但TAVR相关并发症也不容忽视,瓣周漏,传导阻滞,冠脉开口阻塞等并发症明确影响患者预后。这些并发症与TAVR本身的技术特点密切相关。正因为TAVR微创不开胸的特点,使术者很难完全了解患者病变的解剖细节。同时,目前TAVR手术采用的主要人工瓣膜类型均依靠径向支撑力锚定,人工瓣膜与主动脉根部结构的力学关系也非常复杂。因此,通过CT等常规解剖结构评估手段很难制定完美的手术策略,或对并发症做出准确预测。

针对以上问题,3D打印技术对CT等影像评估技术做了很好的补充。使用3D打印模型能够在术前直观呈现患者局部解剖细节,通过体外模拟能够指导人工瓣膜类型/型号的选择,植入位置的规划,并发症的预判等。既往研究已经表明3D打印指导手术策略规划的有益效果,但多数研究对3D打印技术的应用主要是结构观察,并不能充分发挥实物模型体外模拟的优势。如果能够通过实物模型模拟充分体现局部解剖结构的力学环境,将非常有助于术者对这项技术的理解,以及实现对并发症的预判,并制定个性化针对性的手术策略。实现力学测量是完善以上设想的重要环节,这里为大家分享一项内置传感器的3D打印主动脉根部模型体外模拟在TAVR中应用的研究结果,期待各位同道共同探讨。 



主要研究结果

作者研究团队主要针对3D打印实物模型进行了材料学革新,以主动脉根部模型为基础,结合TAVR手术技术特点,将力学传感器植入主动脉瓣瓣环和左室流出道位置,通过密集传感器阵列,实现长支架自膨瓣膜TAVR手术主动脉根部力学环境的精确模拟测量。

图1患者特异性3D打印主动脉根部模型。(A)主动脉根部植入TAVR瓣膜的心脏示意图。(B)3D打印主动脉根部模型,内置传感器阵列。(C)主动脉根部模型的不同组件。
研究团队比较了3D打印术前模拟植入效果与术后真实植入效果的差异,结果显示术前模拟植入瓣膜在多个平面与术后真实植入效果的瓣膜横径拟合度优良,说明术前3D打印模拟能够较好的反映和预测术后真实植入效果。

图23D打印主动脉根部模型的解剖保真度分析以及与患者术后数据的比较。(A)3D打印主动脉根部模型的CT扫描。(B)经校准的距离图,将3D打印主动脉根模型的解剖保真度与患者的解剖结构进行比较。(C)3D打印主动脉根模型的表面点与患者解剖结构之间的校准距离的直方图。(D)3D打印模型中植入的TAVR假体与患者术后数据的比较。(E)比较3D打印模型中植入瓣膜的瓣架直径变化与9个不同节段的患者术后数据。
研究团队还针对不同瓣叶钙化程度的3D打印瓣叶模型进行了相关力学模拟效果分析和脉动流循环流场特性分析,结果提示3D打印实物模型能够较好体现不同钙化程度瓣叶结构的力学和血流动力学特点,并通过长支架自膨瓣模拟植入预测瓣周漏的位置和程度。

图33D打印主动脉根模型的体外血流动力学研究。(A)用于体外血流动力学评价的开放和闭合状态下无钙化的3D打印模型(第1组)的瓣叶。(B)用于体外血流动力学评价的开放和闭合状态下钙化的3D打印模型(第2组)的瓣叶。(C)第1组模型的顺应性比较(无钙化; n = 3)和组2(有钙化; n = 3)。(D)连续脉动流循环中无钙化模型的左心室压力(LVP)和主动脉压力(AP)变化。(E)在连续脉动流循环中钙化模型的左心室压力和主动脉压力的变化。(F)在植入瓣膜的3D打印主动脉根模型中检测潜在PVL部位(由白色箭头指示)和相应的彩色多普勒超声心动图。
应用植入压力感受器阵列的主动脉根部模型进行TAVR模拟植入能够精确反映主动脉根部在瓣膜植入后局部力学环境,并通过不同型号自膨瓣植入体现局部受力变化。这些结果提示,采用植入传感器阵列的根部模型进行体外模拟将有助于传导阻滞/瓣周漏等并发症的预测及瓣膜型号精准选择等。

图43D打印主动脉根部模型,内部传感器阵列和瓣膜植入后受力的可视化。(A)平面配置的传感器阵列概念设计示意图。(B)带有内部传感器阵列(左)和相应隔离传感器区域(右)的3D打印主动脉根部模型。模型上集成传感器阵列的垂直(橙色)和水平(绿色)电极分别对应于平面设计中的顶部和底部电极。(C)在较浅高度植入29-mm Evolut R TAVR瓣架。(D)在中间高度植入29-mm Evolut R TAVR瓣架。(E)在较深高度植入29-mm Evolut R TAVR瓣架。(C)至(E)中的红色标记线对应于中间植入高度。(F)在中间高度植入26-mm Evolut R TAVR瓣膜。(G)在中间高度植入29-mm Evolut R TAVR瓣膜。(H)在中间高度植入31-mm TAVR瓣膜。

结论

本研究展示了患者特定的主动脉根部模型,内部集成的电子传感器阵列有助于TAVR术前手术策略规划并发症预测等。文中通过比较模型的几何保真度与患者术后数据,以及有和无瓣叶钙化病例的体外血流动力学性能,评价了这类模型的有效性。此外,内部传感器阵列可以通过映射施加在主动脉解剖结构关键区域上的压力来促进生物瓣膜选择和体外模拟的优化。这些模型为减轻术后并发症的风险评估和促进下一代医疗器械的开发提供了重要的技术支持。

这项工作旨在证明具有内部传感器的3D打印主动脉根部模型作为微创手术(如TAVR)的术前模拟应用效果。这些患者模型可以更广泛地被设计为具有针对各种微创手术的特定目标功能,也可以作为外科手术的辅助物,为临床精准治疗提供帮助。此外,这些传感型可以作为开发下一代假肢和医疗设备的平台。这项工作的成果可能有助于将先进的动态功能纳入器官模型,为仿生器官或“更智能”的手术奠定基础,通过使用模型来训练机器人辅助的微创手术,从而为个性化医疗的未来定义了一个引人注目的范例。

扫码查看原文


原文链接:

https://drvoicedev.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/drvoice/server/uploadfile/2023/11/20/36093da6d69d4320a293e9778b44f334.pdf

参考文献

[1]. B. R. Lindman, M.-A. Clavel, P. Mathieu, B. Iung, P. Lancellotti, C. M. Otto, P. Pibarot, Calcific aortic stenosis. Nat. Rev. Dis. Primers. 2, 16006 (2016).
[2].J. J. Bax, V. Delgado, V. Bapat, H. Baumgartner, J. P. Collet, R. Erbel, C. Hamm, A. P. Kappetein, J. Leipsic, M. B. Leon, P. MacCarthy, N. Piazza, P. Pibarot, W. C. Roberts, J. Rodés-Cabau, P. W. Serruys,,M. Thomas, A. Vahanian, J. Webb, J. L. Zamorano, S. Windecker, Open issues in transcatheter aortic valve implantation. Part 2: Procedural issues and outcomes after transcatheter aortic valve implantation. Eur. Heart J. 35, 2639–2654 (2014).
[3].G. Rocatello, N. El Faquir, G. De Santis, F. Iannaccone, J. Bosmans, O. De Backer,L. Sondergaard, P. Segers, M. De Beule, P. de Jaegere, Mortier, Patient-specific computer simulation to elucidate the role of contact pressure in the development of new conduction abnormalities after catheter-based implantation of a self-expanding aortic valve. Circ. Cardiovasc. Interv. 11, e005344 (2018).
[4]. M. Y. Lee, S. C. Yeshwant, S. Chava, D. L. Lustgarten, Mechanisms of heart block after transcatheter aortic valve replacement–cardiac anatomy, clinical predictors and mechanical factors that contribute to permanent pacemaker implantation. Arrhythm. Electrophysiol. Rev.04, 81–85 (2015).
[5].N. Piazza, P. de Jaegere, C. Schultz, A. E. Becker, P. W. Serruys, R. H. Anderson, Anatomy of the aortic valvar complex and its implications for transcatheter implantation of the aortic valve. Circ. Cardiovasc. Interv. 1, 74–81 (2008).
[6].A. Hamdan, V. Guetta, R. Klempfner, E. Konen, E. Raanani, M. Glikson, O. Goitein, A. Segev,I. Barbash, P. Fefer, D. Spiegelstein, I. Goldenberg, E. Schwammenthal, Inverse relationship between membranous septal length and the risk of atrioventricular block in patients undergoing transcatheter aortic valve implantation. JACC Cardiovasc. Interv. 8,1218–1228 (2015).
[7].R.-J. Nuis, N. M. Van Mieghem, C. J. Schultz, A. Tzikas, R. M. Van der Boon, A.-M. Maugenest,
J. Cheng, N. Piazza, R. T. van Domburg, P. W. Serruys, P. P. de Jaegere, Timing and potential mechanisms of new conduction abnormalities during the implantation of the Medtronic CoreValve System in patients with aortic stenosis. Eur. Heart J. 32, 2067–2074 (2011).
[8].B. Fujita, M. Kütting, M. Seiffert, S. Scholtz, S. Egron, E. Prashovikj, J. Börgermann,T. Schäfer, W. Scholtz, R. Preuss, J. Gummert, U. Steinseifer, S. M. Ensminger, Calcium distribution patterns of the aortic valve as a risk factor for the need of permanent pacemaker implantation after transcatheter aortic valve implantation. Eur. J. Echocardiogr.
[9].K. Qiu, G. Haghiashtiani, M. C. McAlpine, 3D printed organ models for surgical applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 11, 287–306 (2018).
[10]. M. Vukicevic, B. Mosadegh, J. K. Min, S. H. Little, Cardiac 3D printing and its future directions. JACC Cardiovasc. Imaging 10, 171–184 (2017).
阅读数: 521