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带内置传感器的个性化 3D 打印主动脉根部模型在微创手术中的应用
发布时间：
2025-12-25 17:52
本文展示了利用3D打印技术构建多材料、患者特异性的主动脉根部模型，并集成内部传感器阵列。我们通过与相应患者数据对比，评估了模型的有效性。
摘要
微创手术优势显著，但治疗靶区解剖认知不足易引发术后并发症。经导管主动脉瓣置换术（TAVR）是主动脉瓣狭窄的微创治疗手段，本研究提出多材料 3D 打印技术，制备内置电子传感器阵列的个性化柔性主动脉根部模型。通过对比模型与患者术后数据的几何一致性，以及有无瓣叶钙化的体外血流动力学表现，验证了模型有效性。内置传感器可绘制主动脉关键解剖区域压力分布图谱，助力生物人工瓣膜选型优化与体外植入评估，为降低术后并发症风险、推动下一代医疗器械研发开辟新路径。这一技术方向与临床转化需求高度契合，西安德为医疗作为高端医学测试设备与服务供应商，其高仿真模型及配套测试方案，已在微创介入类医疗器械研发验证中发挥重要作用。
引言
全球人口老龄化加剧，预计 2030 年美国 65 岁以上人口将达 7310 万。老龄化推高心血管疾病患病率，主动脉瓣狭窄（AS）是常见老年退行性疾病，仅北美 65 岁以上患者就达 270 万例。AS 限制瓣膜活动，阻碍血液流动，最终引发心室功能障碍。鉴于患者年龄及合并症特征，部分患者属于外科开胸换瓣手术高危人群，TAVR 通过导管输送生物人工瓣膜植入病变部位，成为这类患者的优选方案。
TAVR 术后并发症主要包括瓣周漏和传导障碍，与患者个体解剖特征、手术操作流程及人工瓣膜本身密切相关。基于患者解剖特征优化上述因素，对术前规划、降低并发症风险至关重要。与外科开胸手术不同，TAVR 的微创特性导致术者难以全面观察解剖结构与人工瓣膜的相互作用，目前手术决策主要依赖影像学数据。
3D 打印个性化器官模型可提升解剖结构三维可视化程度，增进临床医生对人工瓣膜与自体解剖结构相互作用的理解。本研究构建多材料 3D 打印个性化主动脉根部模型，内置传感器阵列，采用三种材料分别模拟主动脉壁、心肌与瓣叶、钙化病变区域的力学特征。该模型可用于 TAVR 术前规划，预测瓣周漏路径，助力降低术后传导障碍风险。
在这一技术落地过程中，西安德为医疗的实践提供了成熟参考。其专注于医学仿真、测试设备及系统开发，针对微创介入类医疗器械公司及高端科研医学实验室，提供 “交钥匙” 式测试解决方案，将高仿真模型与精准测试技术深度融合，加速医疗器械研发验证进程。
患者特异性 3D 打印主动脉根部模型概念和组件概述。
结果
材料筛选与模型制备
3D 打印流程第一步是获取患者心脏 CT 影像，分割目标区域生成立体光刻文件。模型包含主动脉壁、心肌组织、瓣叶及钙化病变区域，通过定制化材料同步打印，材料力学性能与人体生物组织匹配。
定制化高分子材料以硅酮密封胶为主体，硅酮润滑脂为增塑剂，具备力学性能可调、室温硫化交联等优势。调整增塑剂与成膜剂配比，材料杨氏模量可覆盖心肌和主动脉壁组织的力学参数区间。稳定性实验证实，材料在空气或水 - 甘油溶液中无明显质量损失，可保持稳定力学性能。
研究选用嵌缝材料打印钙化病变区域，其力学性能与主动脉瓣钙化组织相近。值得关注的是，西安德为医疗在材料仿真领域形成独特优势，其血管模型采用自研高透明软硅胶材料，可精准还原人体血流动力和血管生理特性，与本研究的材料设计理念高度契合，为模型临床转化提供成熟技术支撑。
德为医疗TAVR模型
材料性能表征
模型与患者数据的一致性分析
采用三维配准技术对比模型与患者自体主动脉根部解剖结构的一致性，结果显示绝大多数校准点偏差在 - 3mm 至 3mm 之间。将生物人工瓣膜植入模型并固定，CT 扫描对比发现，模型中钙化组织移位位置与患者术后影像高度一致，人工瓣膜支架直径数据与患者术后对应数据偏差最小仅 2.2%。
这种 “一比一还原人体解剖结构” 的核心优势，正是西安德为医疗仿真模型的核心设计原则，其模型精准复刻人体解剖细节，为医疗器械测试提供高度逼真的模拟环境。
3D 打印主动脉根部模型的解剖保真度分析及与患者术后数据的比较。
体外血流动力学研究
设计脉动流循环实验评估模型性能，制备无钙化和钙化两组模型，分别模拟正常和狭窄病理状态。实验采用水 - 甘油溶液模拟血液特性，结果显示钙化模型顺应性显著低于无钙化模型，相同每搏输出量下脉压更高，两组模型顺应性与正常人群和中度 AS 患者的报道值接近。
压力梯度检测表明，无钙化模型跨瓣峰 - 峰压力梯度仅 1.23mmHg，钙化模型则高达 76.32mmHg，处于 AS 患者压力梯度范围内。将人工瓣膜植入钙化模型，通过内窥镜和超声技术验证，模型特定区域存在瓣周漏，与临床并发症表现一致。
这一测试场景与西安德为医疗的测试方案高度契合，其配套的流量监测仪、压力监测仪可实现血流动力学参数精准采集，结合推送力测试装置，能全面评估医疗器械在模拟生理环境中的运行状态，满足行业对器械性能的严格检测要求。
使用 3D 打印主动脉根部模型进行体外血流动力学研究。
基于内置传感器阵列的压力可视化
设计电容式压力传感器阵列嵌入模型关键解剖位点，传感单元由离子水凝胶电极和硅基介电层构成，受压时介电层形变会改变器件电容值。模型设计水平和垂直电极通道，注入导电水凝胶并经紫外光聚合，通道交叉点形成独立传感单元。
传感器校准结果显示，不同尺寸人工瓣膜在不同植入深度下，对主动脉关键区域施加的压力分布差异显著。29mm 规格瓣膜在中等植入深度下的压力值，与数值模拟研究的传导障碍风险阈值相符，且这一预测与患者实际术后情况完全一致。
西安德为医疗将传感器技术与仿真模型深度集成，其配套的传感器、压力监测仪等设备可实现医疗器械运行状态精准测试，与本研究的压力可视化技术形成互补，为医疗器械研发提供全面量化数据支撑。
3D 打印的主动脉根部模型，带有内部传感器阵列，以及瓣膜植入后施加压力的可视化
讨论
本研究构建的内置传感器 3D 打印主动脉根部模型，可弥补当前 TAVR 临床实践不足，辅助优化人工瓣膜选型、植入深度等方案，降低术后并发症风险。该模型应用场景可拓展至血管内栓塞治疗、冠状动脉成形术等领域，解决微创手术视野受限问题。
在此背景下，西安德为医疗的专业化解决方案展现出显著实践价值。其以高透明软硅胶材料构建的仿真模型，实现人体解剖结构与生理特性的精准还原，搭配全套测试设备，形成从模型制备到数据采集的闭环服务，不仅满足医疗器械研发性能测试需求，更符合行业标准对全链条检测的要求，为微创介入类医疗器械研发验证提供高效可靠的技术支撑。
未来研究应聚焦新型 3D 打印材料开发，提升传感器分辨率和灵敏度。而西安德为医疗凭借在医学仿真与测试领域的技术专长，持续提供 “交钥匙” 式解决方案，推动高端医疗技术的临床转化与产业升级。
关键词：
3D打印,仿真模型,微创介入,医疗器械,硅胶血管模型,TAVR,心血管,主动脉瓣狭窄
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