法洛四联症患者接受瓣环补片治疗后，常出现严重的肺动脉反流（PR），这会导致自体右心室流出道（nRVOT）扩大，且其形态特征多样，极大增加了经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）的难度。为帮助医生提高 TPVR 手术技能，本研究利用 3D 打印技术研发了 TPVR 模拟器，并通过体外模拟手术过程对其进行验证。
一、材料与方法
3D 打印右心室流出道模型流程及 TPVR 模拟器的构建
研究将 PR 患者计算机断层扫描（CT）数据的医学数字成像和通信（DICOM）格式导入 Materialise Mimics 21.0 软件（比利时鲁汶）。借助该软件的阈值分割功能，在收缩期末生成右心室流出道的三维重建。之后，在 Materialise 3-Matic 13.0 软件（比利时鲁汶）中对生成的 3D 模型进一步处理，包括提取、裁剪、平滑和修复，以一对一的方式准确还原解剖结构，同时处理 3D 重建的标准三角形语言文件。
模型处理完成后，导出至 Stratasys Polyjet 850 多材料全彩色 3D 打印机进行打印。特定的右心室 - 肺动脉（RV-PA）模型制作时，右心室和肺动脉组织采用类橡胶柔性树脂材料（拉伸强度：1.95 MPa，断裂伸长率：190%，压缩强度：0.300 MPa，肖氏硬度：24 肖氏 A，Stratasys，以色列），钙化组织则使用刚性树脂材料（拉伸强度：31.7 MPa，断裂伸长率：25%，弯曲强度：41.4 MPa，屈服压缩应力：37.6 MPa，肖氏硬度：82 肖氏 D，Stratasys，以色列）。
TPVR 模拟器的构建过程如下：首先将患者的 CT 数据分为下腔静脉、右心房和右心室三部分，测量其内径和相应曲率。专业工程师利用这些测量数据制作 3D 重建模型的各个组件，并精心设计 grommets 以确保各部分紧密配合。该模拟器主要由操作部分和驱动部分组成，操作部分包括经股静脉和 3D 打印的 RV-PA 模型；驱动部分包含循环泵、完全集成的连接回路和控制机构。通过创建模拟压力 - 脉动血流的脉动模拟，3D 打印的 RV-PA 模型连同周围组织能够模拟真实病理生理条件下的运动。
TPVR 模拟器的构建及台架试验模拟训练。（a-c）3D 打印 RV-PA 模型的主要过程；（d-f）脉动模拟器的主要过程；（g-i）学员使用脉动模拟器模拟 TPVR。TPVR，经导管肺动脉瓣置换术；3D，三维；RV-PA，右心室 - 肺动脉。
3D 打印指导
对于年轻心血管专科医生的专业发展，模拟培训意义重大。随着计算机图形学、生物工程和数字建模技术的快速发展，基于 3D 打印的 TPVR 培训系统提供了更多模拟培训选择。学员可通过特定的 3D 打印模型，练习术前主要步骤，如跨瓣、换线、支架定位等，以提高操作技能和熟练度，改善学习曲线。同时，该模型还能帮助医生通过模拟放置选择瓣膜，评估冠状动脉受压、瓣膜迁移和血管并发症的风险。
3D 打印组与非 3D 打印组对比
研究流程为：将 10 例确诊为严重 PR 的患者系统分为 3D 打印模拟组和非 3D 打印模拟组，每组 5 名患者。同时选取 10 名专家，平均分为两组。3D 打印模拟组的 5 名手术医生在 TPVR 术前通过台架试验练习手术步骤，非 3D 打印模拟组的手术医生在 TPVR 术前进行标准的术前评估。
本研究中，每位专家完成 1 例手术，记录并统计分析跨瓣时间、透视时间、总时间以及术后主要并发症的发生情况。本研究经西京医院伦理委员会审查批准（KY20192138-C1），并按照《赫尔辛基宣言》的原则进行，该伦理登记已进入 ClinicalTrials.gov 协议注册系统（NCT02917980；2016 年 9 月 27 日），所有活动均在结构性心脏病背景下进行，尤其侧重于瓣膜性心脏病。
本研究的流程示意图。（a）利用 3D 打印模拟的组中的 5 名手术医生在 TPVR 前依次进行两个模拟步骤。相比之下，非 3D 打印模拟组的 5 名手术医生在 TPVR 手术前进行标准的二维影像评估。（b）专家组（n = 6）和年轻手术医生组（n = 6）均使用脉动模拟器成功进行了三轮模拟。
模拟器中专家与年轻外科医生对比
另外选取 6 名专家和 6 名初级手术医生，分为专家组和年轻手术医生组，每组各 6 人。每位参与者都进行三次模拟 session，期间精确记录跨瓣时间和模拟总时长，随后对第一次、第二次和第三次模拟 session 的结果进行成对比较和统计分析。
统计分析
所有统计评估均使用社会科学统计软件包（SPSS，美国芝加哥，IL）26.0 版本进行。连续变量以平均值、标准差或四分位数范围内的中位数表示。正态分布数据采用 t 检验进行比较，非正态分布数据采用非参数检验进行比较。双侧 p 值小于 0.05 被认为具有统计学意义。
二、结果
3D 打印组与非 3D 打印组对比
本研究从西京医院选取的 10 例诊断为肺动脉瓣反流的患者中，包括 4 名男性和 6 名女性，平均年龄 30.50 岁（范围：21.25–43.50 岁）。
3D 打印模拟队列中，专家平均年龄为 42.00 岁（范围：38.50–44.50 岁），介入专业经验平均年限为 9.00 年（范围：7.50–10.50 年）；非 3D 打印模拟队列中，专家平均年龄为 42.00 岁（范围：38.50–44.00 岁），介入经验为 8.00 年（范围：7.50–10.50 年）。
10 名专家均成功完成 1 例手术，非 3D 打印模拟队列中，5 名外科医生的平均跨瓣时间为 6.72 分钟（范围：6.12–7.70 分钟），透视时间平均为 19.00 分钟（范围：17.50–21.50 分钟），总手术时间为 67.00 分钟（范围：62.00–69.50 分钟）；3D 打印模拟方法的 5 名外科医生的跨瓣时间缩短至 5.22 分钟（范围：4.85–5.87 分钟），透视时间为 15.00 分钟（范围：13.50–16.50 分钟），总时间为 57.00 分钟（范围：54.00–62.50 分钟）。
值得注意的是，3D 打印模拟组未报告明显的术后并发症，包括冠状动脉受压或瓣膜栓塞等严重事件；非 3D 打印模拟队列中，有 2 名患者术后出现咯血。
TPVR 的结果。（a）对使用 3D 打印模拟的组和使用非 3D 打印模拟的组的跨瓣持续时间进行比较分析，发现存在统计学显著差异（p = 0.016）。（b）对 3D 打印模拟队列和非 3D 打印模拟队列的跨瓣持续时间进行额外比较，发现透视时间也存在显著差异（p = 0.012）。（c）此外，对 3D 打印模拟组和非 3D 打印模拟组的总手术时间进行比较，显示出高度显著的差异（p = 0.036）。p 值来自非参数检验。
模拟器中专家与年轻外科医生对比
专家组中，专家平均年龄为 42.00 岁（范围：40.50–45.50 岁），平均专业经验为 12.50 年（范围：11.75–17.50 年），其中介入手术经验为 10.00 年（范围：8.50–11.25 年）；年轻手术医生队列中，平均年龄为 30.50 岁（范围：29.75–31.50 岁），平均工作经验为 3.00 年（范围：2.00–4.00 年），介入经验为 1.50 年（范围：1.00–2.00 年）。
6 名专家和 6 名年轻手术专家成功完成了三次模拟。专家组中，第一次模拟的跨瓣时间为 10.19 分钟（范围：9.12–11.39 分钟），接下来的两次模拟分别减少到 8.87 分钟（范围：7.34–9.44 分钟）和 6.95 分钟（范围：6.69–8.28 分钟）；三次模拟的总时间呈下降趋势，分别为 27.79 分钟（范围：26.53–27.96 分钟）、25.95 分钟（范围：25.31–26.64 分钟）和 25.44 分钟（范围：24.08–25.75 分钟）。
年轻手术医生组中，三次模拟的跨瓣时间分别为 13.33 分钟（范围：11.53–15.05 分钟）、11.91 分钟（范围：10.08–12.76 分钟）和 9.99 分钟（范围：8.65–10.54 分钟）；总时间分别为 33.09 分钟（范围：30.55–33.45 分钟）、31.13 分钟（范围：29.66–32.10 分钟）和 30.64 分钟（范围：29.19–31.45 分钟）。随着模拟培训次数的增加，两组的跨瓣时间和总时间均显著减少，且与学员的经验水平无关。
TPVR 模拟的结果。（a）对专家队列中三次模拟的跨瓣持续时间进行比较分析。（b）对专家队列中三次模拟的总持续时间进行比较评估。（c）对年轻外科医生队列中三次模拟的跨瓣持续时间进行比较评估。（d）对年轻外科医生队列中三次模拟的总持续时间进行比较分析。使用非参数检验确定统计学显著性，并报告相应的 p 值。
三、讨论
TPVR 已被证明是治疗 PR 的安全、可靠且有效的方法。对于法洛四联症（TOF）治疗后出现严重 PR 的患者，TPVR 可以减少其一生中需要进行的体外循环手术次数，减轻患者负担，提高生活质量，并有望延长寿命。然而，早期 TOF 治疗后 nRVOT 的形态和尺寸存在变异性，仍带来挑战。
研究结果表明，三维（3D）打印体外模拟平台可作为 TPVR 有价值的实践培训资源。3D 打印技术在模拟中的应用已广泛用于 TPVR 的围手术期评估，为手术方法的完善和进步做出重要贡献。本研究中使用的患者特异性 RV-PA 模型，在临床实践中也可被外科医生用于术前治疗阶段，以更好地了解患者的解剖结构，有望减少术中意外并发症的发生，改善手术效果。
本研究的局限性主要体现在样本量较小以及缺乏临床验证分析。尽管结果显示了 TPVR 模拟器在培训中的有效性，但样本量小可能导致结果的统计效力下降，影响其普遍适用性和推广价值。因此，未来的研究应考虑扩大样本量并进行临床验证，以进一步证实模拟器在手术培训中的作用和影响。
此外，在当前情况下，3D 打印所用高分子材料的特性在弹性和韧性之间仍难以达到理想平衡。这一局限性阻碍了模拟过程中对某些并发症预测的准确性。尽管如此，随着安全要求的不断提高，材料研究无疑也将成为重点领域。另外，TPVR 模拟器虽采用循环泵模拟患者的心脏血流状态，但目前的循环泵无法满足心脏血流动力学评估的要求，模拟器仍需进一步调整以满足更高的临床需求。
近年来，3D 生物打印领域取得了重大进展。随着生物工程、材料科学、生物学和计算机科学等领域的跨学科合作不断推进，预计心血管三维（3D）打印在模拟培训和教育方面将取得显著进展。尽管目前的能力与临床应用之间存在差距，但持续的进步有望在这一领域产生新的突破。
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