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(duì)象，利用患者的CT影像數(shù)據(jù)，分別對(duì)左腎靜脈(LRV)受壓迫處的動(dòng)脈和靜脈部分進(jìn)行三維重建并進(jìn)行3D打印。根據(jù)患者動(dòng)靜脈三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)血管外支架，并利用PEEK材料進(jìn)行3D打印。將3D打印PEEK材料血管外支架在1:1動(dòng)靜脈模型上模擬置入并進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃。利用T檢驗(yàn)對(duì)比分析患者術(shù)前和術(shù)后3個(gè)月的復(fù)查數(shù)據(jù)。

　　結(jié)果術(shù)前CT影像上測(cè)得LRV狹窄處直徑均值為(2.81±1.67)mm，動(dòng)靜脈三維數(shù)字模型上測(cè)得其均值為(2.85±1.59)mm，誤差絕對(duì)值為(0.17±0.21)mm�；颊咝g(shù)前與術(shù)后3個(gè)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(dòng)脈和腸系膜上動(dòng)脈形成的夾角時(shí)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(yuǎn)端靜脈擴(kuò)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(duì)于有嚴(yán)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(shí)[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(jiǎn)單以及患者術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)勢(shì)成為治療NCS更具優(yōu)勢(shì)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(bào)道顯示，血管內(nèi)支架雖然效果顯著但存在移位的風(fēng)險(xiǎn)[5]。對(duì)于血管外支架植入術(shù)的報(bào)道較少，最早的一例報(bào)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(dòng)脈和腹主動(dòng)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(bào)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(jìn)行裁剪，這不僅延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間，還可能會(huì)因?yàn)橹Ъ懿荒芡耆�符合而�?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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)[11～14]。本文從三維建模、3D打印以及模型驗(yàn)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(jì)制作的可行性和有效性。

　　1對(duì)象和方法

　　1.1對(duì)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(duì)該部位的動(dòng)脈和靜脈進(jìn)行三維重建。對(duì)于動(dòng)脈部分使用Threshold功能對(duì)其進(jìn)行分割，保證動(dòng)脈邊緣清晰且圓滑，之后利用Calculatepart功能實(shí)現(xiàn)三維重建。

　　利用SplitMask功能將骨質(zhì)部分與動(dòng)脈分離并將動(dòng)脈部分以STL的格式輸出保存。對(duì)于靜脈部分利用MultipleSliceEdit功能對(duì)其進(jìn)行描畫，再用CalculatePart對(duì)描畫出的靜脈進(jìn)行三維重建，并以STL的格式輸出保存。將動(dòng)脈與靜脈的三維模型導(dǎo)入到GeomagicWrap軟件(Version2017,USA)中對(duì)其進(jìn)行后處理，使其達(dá)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(jì)

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

　　利用NX軟件(Version10.0,USA)設(shè)計(jì)血管外支架，將血管外支架橫截面設(shè)計(jì)為橢圓形，支架結(jié)構(gòu)為開合架構(gòu)，由上下兩個(gè)護(hù)套組成，護(hù)套兩端設(shè)計(jì)防滑脫結(jié)構(gòu)，見圖1B。兩個(gè)護(hù)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(gè)護(hù)套分別設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)。

　　1.43D打印方法

　　1.4.1打印動(dòng)靜脈模型

　　將STL格式的動(dòng)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(lán)色(分別對(duì)應(yīng)動(dòng)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(lán)色的TPU線材(Φ1.75mm)進(jìn)行打印。打印結(jié)束后去掉支撐并進(jìn)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(jí)PEEK線材(Φ1.75mm)進(jìn)行打印。打印結(jié)束后用熔融連接法，將兩個(gè)護(hù)套用PEEK銷連接。之后進(jìn)行熱處理、去支撐及表面打磨。將完整的血管外支架進(jìn)行超聲清洗。

　　1.5建模和打印時(shí)間

　　動(dòng)靜脈建模過程耗時(shí)30min，打印制作過程耗時(shí)約4.5h。血管外支架建模過程耗時(shí)1h，打印制作過程耗時(shí)30min，后處理耗時(shí)5h。

　　1.6模型驗(yàn)證

　　1.6.1支架與血管數(shù)字模型

　　靜脈用藍(lán)色表示，動(dòng)脈用紅色表示。術(shù)前CT影像上測(cè)得LRV狹窄處直徑均值為(2.81±1.67)mm，動(dòng)靜脈三維數(shù)字模型上測(cè)得其均值為(2.85±1.59)mm,誤差絕對(duì)值為(0.17±0.21)mm。從模型上能夠清楚的看到腸系膜上動(dòng)脈與腹主動(dòng)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(jì)算并設(shè)計(jì)的血管外支架數(shù)字模型。整個(gè)血管外支架由上下兩個(gè)相同的護(hù)套組成，護(hù)套上設(shè)計(jì)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(shí)情況1:1的動(dòng)靜脈模型上進(jìn)行驗(yàn)證。①支架置入后能夠撐起腸系膜上動(dòng)脈，保護(hù)左腎靜脈不受壓迫;②支架本身對(duì)左腎靜脈沒有壓迫;③支架置入后對(duì)其它血管分支(左腎動(dòng)脈和右腎動(dòng)脈)不產(chǎn)生壓迫。在進(jìn)行術(shù)前驗(yàn)證及模擬后，醫(yī)生能夠更有把握的實(shí)施手術(shù)。

　　1.7統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

　　采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)量資料用±s表示，組間比較用T檢驗(yàn)，P≤0.05為差異有統(tǒng)計(jì)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(gè)月復(fù)查時(shí)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(gè)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(gè)月時(shí)復(fù)查的數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)于情況嚴(yán)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(dòng)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(dòng)脈吻合，導(dǎo)致腎缺血的時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)支架的置入，手術(shù)創(chuàng)口小，操作較簡(jiǎn)單[18]。Chen等[19]報(bào)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(bào)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(zhǎng)期服用抗凝藥物[1]。

　　Wang等[9]報(bào)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(bào)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(xiàn)中所記敘的血管外支架均為PTFE材料，且規(guī)格單一(Wang等報(bào)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(jìn)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(shì)是可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。我們利用患者自身的CT影像數(shù)據(jù)，在精準(zhǔn)建模、精確計(jì)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(shì)在于可根據(jù)手術(shù)的要求對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，最大程度的在功能和結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化：①支架由兩個(gè)保護(hù)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(hù)套的兩端預(yù)留的孔可以方便醫(yī)生利用縫合線對(duì)齊進(jìn)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(dòng)脈和腸系膜上動(dòng)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(jìn)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(qiáng)度，能夠支撐來自腸系膜上動(dòng)脈和腹主動(dòng)脈的壓力，保護(hù)左腎靜脈。金屬材料的支架強(qiáng)度固然可靠，但由于金屬外支架的比重較大，對(duì)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(shí)有移位甚至血管損傷的風(fēng)險(xiǎn)。普通的血管外支架是由PTFE制作的，雖然其具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，但純PTFE強(qiáng)度低、耐磨性差以及耐蠕變性不好，需添加一些無機(jī)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(diǎn)，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(qiáng)度[24]。

　　綜上所述，我們利用患者自身的影像數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)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(diǎn)的血管外支架，使得醫(yī)生能夠在1：1的模型上進(jìn)行術(shù)前驗(yàn)證和規(guī)劃，在一定程度上對(duì)提高手術(shù)的準(zhǔn)確度有所幫助，同時(shí)患者術(shù)前術(shù)后的指標(biāo)以及CT和超聲影像對(duì)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(jì)和制作過程具有一定的可行性和有效性。

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