3D打印PEEK材料血管外支架建模及制作方法的可行性和有效性

　　摘要：目的證明用于治療胡桃夾綜合征的3D打印聚醚醚酮(PEEK)材料血管外支架的三維建模和制作方法的可行性和有效性。方法以37例胡桃夾綜合征患者為對象，利用患者的CT影像數(shù)據(jù)，分別對左腎靜脈(LRV)受壓迫處的動脈和靜脈部分進行三維重建并進行3D打印。根據(jù)患者動靜脈三維數(shù)字模型設(shè)計血管外支架，并利用PEEK材料進行3D打印。將3D打印PEEK材料血管外支架在1:1動靜脈模型上模擬置入并進行術(shù)前規(guī)劃。利用T檢驗對比分析患者術(shù)前和術(shù)后3個月的復(fù)查數(shù)據(jù)。

　　結(jié)果術(shù)前CT影像上測得LRV狹窄處直徑均值為(2.81±1.67)mm，動靜脈三維數(shù)字模型上測得其均值為(2.85±1.59)mm，誤差絕對值為(0.17±0.21)mm�；颊咝g(shù)前與術(shù)后3個月復(fù)查結(jié)果顯示，LRV狹窄處直徑(P<0.01)、LRV腎門處直徑與狹窄處比值(P<0.01)以及LRV腎門處血流速度(P<0.05)均有顯著性差異。37位患者術(shù)后均無并發(fā)癥，其中有22位癥狀完全消失，15位癥狀明顯緩解。CT影像顯示支架位置穩(wěn)定，無移位。結(jié)論用于治療胡桃夾綜合征的3D打印PEEK材料血管外支架的建模及制作程序可行且有效。

　　關(guān)鍵詞：胡桃夾綜合征,三維建模,3D打印,聚醚醚酮,血管外支架

　　左腎靜脈受壓綜合征又稱為胡桃夾綜合征(nutcrackersyndrome,NCS)，通常是由于左腎靜脈回流入下腔靜脈過程中在穿經(jīng)由腹主動脈和腸系膜上動脈形成的夾角時受到壓迫導(dǎo)致的[1]。NCS是一種伴有左腎靜脈血流速度下降、受壓處遠端靜脈擴張，并引起血尿、蛋白尿和左腰痛等一系列癥狀的較為罕見的臨床癥候群[1]。根據(jù)NCS的輕重程度，其治療方式分為保守治療和手術(shù)治療。對于有嚴重的癥狀且持續(xù)2年以上的患者，手術(shù)治療已經(jīng)成為一種共識[2,3]。

　　而手術(shù)治療中血管支架植入術(shù)以創(chuàng)傷小、操作較簡單以及患者術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)勢成為治療NCS更具優(yōu)勢的方式。血管內(nèi)支架置于左腎靜脈受壓處，可從血管內(nèi)部支撐起其狹窄部位，恢復(fù)左腎靜脈血流通暢[4]。

　　據(jù)案例報道顯示，血管內(nèi)支架雖然效果顯著但存在移位的風(fēng)險[5]。對于血管外支架植入術(shù)的報道較少，最早的一例報道[6]于1988年，用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)為材料以開腹手術(shù)方式將支架置于受壓的血管外部，支撐腸系膜上動脈和腹主動脈釋放左腎靜脈所受壓力，使其血流恢復(fù)通暢。2001年，Schultetus等[7]報道了首例腹腔鏡行血管外支架植入術(shù)效果顯著。但是，由于支架為統(tǒng)一規(guī)格，需在術(shù)中根據(jù)需求進行裁剪，這不僅延長了手術(shù)時間，還可能會因為支架不能完全符合而導(dǎo)致移位[6～9]。

　　近年來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用逐漸拓寬，尤其是在外科手術(shù)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[10]。我院泌尿外科與第四軍醫(yī)大學(xué)3D打印研究中心團隊將3D打印技術(shù)應(yīng)用到了NCS的治療上，腹腔鏡3D打印血管外支架植入術(shù)治療NCS得以實現(xiàn)[11～14]。本文從三維建模、3D打印以及模型驗證等方面證明了3D打印聚醚醚酮(PEEK)材料血管外支架設(shè)計制作的可行性和有效性。

　　1對象和方法

　　1.1對象

　　第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院泌尿外科2017年12月～2019年7月接受腹腔鏡3D打印PEEK材料血管外支架治療NCS的患者37例，其中男性32例，女性5例�；颊叩哪挲g為(21.2±5.6)歲，體質(zhì)量指數(shù)為(19.1±1.9)kg/m2。

　　1.2三維建模方法

　　在MimicsMedical軟件(Version19.0,Belgium)打開患者的CT影像定位左腎靜脈受壓迫部位，分別對該部位的動脈和靜脈進行三維重建。對于動脈部分使用Threshold功能對其進行分割，保證動脈邊緣清晰且圓滑，之后利用Calculatepart功能實現(xiàn)三維重建。

　　利用SplitMask功能將骨質(zhì)部分與動脈分離并將動脈部分以STL的格式輸出保存。對于靜脈部分利用MultipleSliceEdit功能對其進行描畫，再用CalculatePart對描畫出的靜脈進行三維重建，并以STL的格式輸出保存。將動脈與靜脈的三維模型導(dǎo)入到GeomagicWrap軟件(Version2017,USA)中對其進行后處理，使其達到光滑且不失真的效果，最后以STL的格式輸出保存。

　　1.3血管外支架設(shè)計

　　根據(jù)動靜脈的數(shù)字三維模型，在GeomagicWrap軟件中設(shè)計血管支架。通過測量壓迫處左腎靜脈血管橫截面面積，計算得到適合該血管的支架橫截面面積，再通過計算左腎靜脈受壓迫處腹主動脈的寬度設(shè)定支架的寬度。

　　利用NX軟件(Version10.0,USA)設(shè)計血管外支架，將血管外支架橫截面設(shè)計為橢圓形，支架結(jié)構(gòu)為開合架構(gòu)，由上下兩個護套組成，護套兩端設(shè)計防滑脫結(jié)構(gòu)，見圖1B。兩個護套的一側(cè)由PEEK銷連接，另一側(cè)可自由開合，在術(shù)中置入支架后，由醫(yī)生用縫合線固定。為減輕支架重量、利于軟組織攀爬，兩個護套分別設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)。

　　1.43D打印方法

　　1.4.1打印動靜脈模型

　　將STL格式的動靜脈模型文件導(dǎo)入切片軟件中，設(shè)置打印層厚0.2mm，壁厚為1.6mm，模型內(nèi)部填充參數(shù)為20%，并設(shè)置顏色為紅色和藍色(分別對應(yīng)動脈和靜脈)。設(shè)置線性支撐，支撐密度為30%，支撐角度為60°。擠出頭直徑為0.4mm，溫度為220℃，打印速度為50mm/s。將文件生成.gcode格式，導(dǎo)入FDM多色3D打印設(shè)備(Version3,空軍軍醫(yī)大學(xué)3D打印研究中心自主研發(fā)設(shè)備)。使用紅色和藍色的TPU線材(Φ1.75mm)進行打印。打印結(jié)束后去掉支撐并進行表面處理。

　　1.4.2打印PEEK材料血管外支架

　　將STL格式的血管外支架數(shù)字文件導(dǎo)入切片軟件中，設(shè)置打印層厚為0.2mm，壁厚為2.0mm，填充為100%。設(shè)置線性支撐，支撐密度為30%，支撐角度為60°。擠出頭直徑為0.5mm，溫度為400℃，打印速度為40mm/s。將文件生成.gcode格式，導(dǎo)入FDMPEEK3D打印設(shè)備(IntamsyFunmatHT,China)，使用醫(yī)用級PEEK線材(Φ1.75mm)進行打印。打印結(jié)束后用熔融連接法，將兩個護套用PEEK銷連接。之后進行熱處理、去支撐及表面打磨。將完整的血管外支架進行超聲清洗。

　　1.5建模和打印時間

　　動靜脈建模過程耗時30min，打印制作過程耗時約4.5h。血管外支架建模過程耗時1h，打印制作過程耗時30min，后處理耗時5h。

　　1.6模型驗證

　　1.6.1支架與血管數(shù)字模型

　　靜脈用藍色表示，動脈用紅色表示。術(shù)前CT影像上測得LRV狹窄處直徑均值為(2.81±1.67)mm，動靜脈三維數(shù)字模型上測得其均值為(2.85±1.59)mm,誤差絕對值為(0.17±0.21)mm。從模型上能夠清楚的看到腸系膜上動脈與腹主動脈之間左腎靜脈因受壓迫而導(dǎo)致變形。圖1B為基于此患者數(shù)據(jù)計算并設(shè)計的血管外支架數(shù)字模型。整個血管外支架由上下兩個相同的護套組成，護套上設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)。

　　1.6.2支架與血管模型

　　將血管外支架在與真實情況1:1的動靜脈模型上進行驗證。①支架置入后能夠撐起腸系膜上動脈，保護左腎靜脈不受壓迫;②支架本身對左腎靜脈沒有壓迫;③支架置入后對其它血管分支(左腎動脈和右腎動脈)不產(chǎn)生壓迫。在進行術(shù)前驗證及模擬后，醫(yī)生能夠更有把握的實施手術(shù)。

　　1.7統(tǒng)計學(xué)處理

　　采用SPSS22.0統(tǒng)計軟件，計量資料用±s表示，組間比較用T檢驗，P≤0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

　　2結(jié)果

　　2.1患者術(shù)前術(shù)后情況

　　37例患者均在術(shù)后1周出院，其中有22例癥狀完全消失，15例癥狀有所緩解。患者術(shù)前和術(shù)后3個月復(fù)查時的CT影像可見，血管外支架位置穩(wěn)定，無移位;患者術(shù)前與術(shù)后3個月復(fù)查的頻譜多普勒血流圖顯示其左腎靜脈的血流情況術(shù)后得以改善。37位NCS患者術(shù)前和術(shù)后3個月時復(fù)查的數(shù)據(jù)對比，與術(shù)前LRV狹窄處直徑(2.8±1.7)mm相比，術(shù)后LRV狹窄處直徑為(7.4±0.9)mm，(P<0.01);與術(shù)前LRV腎門處直徑與狹窄處比值為(5.2±3.5)相比，術(shù)后LRV腎門處直徑與狹窄處比值為(1.3±0.2)(P<0.01)，與術(shù)前LRV腎門處血流速度(17.8±7.3)cm/s相比，LRV腎門處血流速度術(shù)后為(23.6±16.2)cm/s(P<0.05)。

　　3討論

　　隨著醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)的發(fā)展，越來越多的患者被診斷出患有NCS，對于情況嚴重的患者，手術(shù)治療是能夠解除左腎靜脈壓迫、緩解癥狀最有效的治療方式[15]。目前，治療NCS的傳統(tǒng)手術(shù)包括腸系膜上動脈移位術(shù)、左腎靜脈下移-下腔靜脈端側(cè)吻合術(shù)、自體腎臟移植術(shù)、生殖靜脈-下腔靜脈轉(zhuǎn)流術(shù)等，其手術(shù)方式可分為開腹和腹腔鏡[3]。

　　然而，由于術(shù)中需行動脈吻合，導(dǎo)致腎缺血的時間長，且有危及腸道血流，并造成血栓等術(shù)后并發(fā)癥，這些手術(shù)方式仍存在一定的局限性[2,3][16,17]。置入血管內(nèi)支架可以有效的緩解左腎靜脈受壓迫的情況。血管內(nèi)支架尺寸較小，可以利用腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)實現(xiàn)支架的置入，手術(shù)創(chuàng)口小，操作較簡單[18]。Chen等[19]報道了61例利用血管內(nèi)支架治療NCS的案例，其中59例緩解癥狀效果顯著，但是，這些血管內(nèi)支架有向下腔靜脈移位的傾向，容易引發(fā)血栓。Wu等[20]報道了75例接受血管內(nèi)支架治療方式的案例，其中6.6%的患者術(shù)后出現(xiàn)了支架移位。另外，接受血管內(nèi)支架植入術(shù)的患者須長期服用抗凝藥物[1]。

　　Wang等[9]報道了13例接受血管外支架植入術(shù)治療NCS的案例，結(jié)果顯示其中77%的患者癥狀完全消失，15%的患者部分癥狀得到緩解，有1例出現(xiàn)了支架移位的情況。Zhang等[8]報道了3例接受血管外支架植入術(shù)的案例，術(shù)后兩位患者癥狀完全消失，1例部分癥狀消失，在之后的回訪中出現(xiàn)鏡下血尿。兩篇文獻中所記敘的血管外支架均為PTFE材料，且規(guī)格單一(Wang等報道中稱所用外支架直徑均為10mm，Zhang等所用外支架直徑均為8mm)，并在術(shù)中需進行重新裁剪和固定[8,9]。

　　在過去的二十多年里，3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛。如今，隨著該技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越成熟，利用3D打印技術(shù)解決臨床問題已然成為醫(yī)學(xué)與工程結(jié)合的新興手段之一[10]。3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢是可實現(xiàn)個性化定制。我們利用患者自身的CT影像數(shù)據(jù)，在精準建模、精確計算之后，為患者量身打造符合其生理解剖結(jié)構(gòu)的血管外支架，打破傳統(tǒng)的植入物只能選擇固定的尺寸的限制，能夠在最大程度上滿足患者的需求。

　　相比于傳統(tǒng)的血管支架，3D打印血管外支架的另一大優(yōu)勢在于可根據(jù)手術(shù)的要求對其進行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，最大程度的在功能和結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)優(yōu)化：①支架由兩個保護套組成，并且為開合結(jié)構(gòu)，這是為了方便手術(shù)過程中在不破壞血管的情況下，能夠?qū)⑵涮自谧竽I靜脈受壓處的外部;②保護套的兩端預(yù)留的孔可以方便醫(yī)生利用縫合線對齊進行固定;③兩端凸起的防滑脫結(jié)構(gòu)和內(nèi)側(cè)的凹槽結(jié)構(gòu)可以防止腹主動脈和腸系膜上動脈滑脫支架，有效地防止支架移位;④支架上的孔結(jié)構(gòu)能夠減輕支架的質(zhì)量，并且，在置入后有利于周圍軟組織的攀爬，包裹支架，從而進一步將其固定在左腎靜脈受壓處，防止移位。

　　另外，我們注意到在血管支架治療NCS的案例中，支架的塌陷也是一大問題[21,22]。血管支架必須具有一定的強度，能夠支撐來自腸系膜上動脈和腹主動脈的壓力，保護左腎靜脈。金屬材料的支架強度固然可靠，但由于金屬外支架的比重較大，對于特殊的患者(比如經(jīng)常暴露于過載環(huán)境中的飛行員)，或者一般患者在遇到突發(fā)狀況時有移位甚至血管損傷的風(fēng)險。普通的血管外支架是由PTFE制作的，雖然其具有較強的耐腐蝕性，但純PTFE強度低、耐磨性差以及耐蠕變性不好，需添加一些無機顆粒如碳纖維等來提高其力學(xué)性能[23]。

　　PEEK是一種高分子化合物，其密度為1.3g/cm3，具有耐腐蝕、抗老化、韌性與剛性兼?zhèn)涞奶攸c，且具有很好的生物相容性。并且，其彈性模量與人體皮質(zhì)骨相似，因此，作為正常生理狀態(tài)下軟組織的支撐，PEEK材料的血管外支架具有足夠的強度[24]。

　　綜上所述，我們利用患者自身的影像數(shù)據(jù)設(shè)計并利用3D打印技術(shù)制作出符合其生理解剖結(jié)構(gòu)特點的血管外支架，使得醫(yī)生能夠在1：1的模型上進行術(shù)前驗證和規(guī)劃，在一定程度上對提高手術(shù)的準確度有所幫助，同時患者術(shù)前術(shù)后的指標以及CT和超聲影像對比證明了支架的有效性。因此，用于治療胡桃夾綜合征的模型與血管支架的建模、設(shè)計和制作過程具有一定的可行性和有效性。

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