2018年12月11日
在美国，超过八分之一的75岁及以上的老年人会出现中度至重度的主动脉瓣阻塞，这通常是由于钙化沉积物积聚在主动脉瓣叶上，阻碍其完全开启和关闭。大多数老年患者的健康状况都不足以进行开胸手术;相反，他们使用一种名为经导管主动脉瓣置换术(TAVR)的方法将人工瓣膜植入心脏，这种方法通过一根导管注入主动脉来安装瓣膜。然而，这个过程也有困难，包括需要在没有真正看到病人心脏的情况下选择完美大小的心脏瓣膜:太小，瓣膜可能脱臼或泄漏边缘;如果瓣膜太大，就会撕裂心脏，有死亡的危险。就像“金发姑娘”一样，心脏病学家也在寻找一个“刚好合适”的TAVR瓣膜。
结合CT扫描和自定义参数化建模过程，创建了患者主动脉瓣的多材料物理模型，每个瓣膜都有自己独特的尺寸、形状和钙化量。(资料来源:哈佛大学维斯研究所)
威斯生物工程研究所的科学家们哈佛大学已经开发了一种独特的3D打印工作流，使心脏病专家能够在医疗程序真正执行之前，评估不同瓣膜大小将如何与每个患者独特的解剖结构相互作用。该协议使用CT扫描数据创建单个患者主动脉瓣的物理模型，并使用“尺寸测量器”设备建立完美的替换瓣膜尺寸。这项工作是与来自布里格姆妇女医院、华盛顿大学、马萨诸塞综合医院和马克斯·普朗克胶体和界面研究所的研究人员和医生合作进行的心血管计算机断层摄影杂志．
如果你在网上买了一双鞋没有先试穿，很有可能它们不合适。更换TAVR瓣膜的尺寸也存在类似的问题，因为医生在手术前没有机会评估特定的瓣膜尺寸如何与病人的解剖结构相匹配．我们的集成3D打印和瓣膜尺寸系统提供了每个患者独特的主动脉瓣形状的定制报告，消除了许多猜测，帮助每个患者获得更精确的瓣膜尺寸。
James Weaver，研究合著者，博士，Wyss研究所高级研究科学家。
当病人需要更换心脏瓣膜时，他们通常会接受CT扫描，它会捕捉一系列心脏的x射线图像，从而形成内部解剖结构的3D重建。虽然在CT扫描上很容易看到主动脉外壁和任何相关的钙化沉积物，但打开和关闭瓣膜的脆弱组织“小叶”大多非常薄，看起来很好。
心脏解剖结构的三维重建完成后，通常看起来钙化沉积物只是简单地漂浮在瓣膜内部，很少或根本无法了解部署的TAVR瓣膜如何与它们相互作用。
James Weaver，研究合著者，博士，Wyss研究所高级研究科学家。
为了解决这个问题，当时在Wyss研究所的研究员Ahmed Hosny开发了一个软件程序，利用参数化建模，在每个病人的瓣膜上使用可以在CT扫描上看到的七个坐标，生成虚拟的3D模型。然后将数字传单模型与CT数据结合，进行调整，使其适合于阀门。最终得到的模型，包括小叶及其相关钙化沉积物，然后被3D打印成物理多材料模型。
该团队还3D打印了一个量身定制的“尺寸”设备，该设备可以安装在3D打印的瓣膜模型中，并扩大和收缩，以确定什么样的人工瓣膜最适合每个患者。然后，他们用一层薄薄的压力传感膜将浆液器包裹起来，绘制出浆液器与3d打印阀门及其相关钙化沉积物之间的压力，同时缓慢扩大浆液器。
“我们发现，小叶上钙化沉积物的大小和位置对人工瓣膜与钙化瓣膜的匹配程度有很大影响。”目前在达纳-法伯癌症研究所工作的霍斯尼说。“有时，TAVR瓣膜不可能完全密封钙化的瓣膜，这些患者实际上最好接受开胸手术，以获得更好的结果。”
此外，3d打印的瓣膜模型采用多材料设计，将柔性瓣叶和刚性钙化沉积物集成到一个完全集成的形状中，可以更准确地模拟人工瓣膜展开过程中的真实心脏瓣膜的行为，并在尺寸放大时提供触觉反馈。
研究人员用30名已经接受TAVR手术的患者的数据对他们的系统进行了测试，其中15名患者的瓣膜非常小，出现了泄漏。研究小组根据3D打印的主动脉瓣模型与尺寸的匹配程度，每个患者的瓣膜尺寸，以及手术后是否会有任何泄漏进行了预测。该系统能够有效预测60-73%患者的泄漏结果(基于患者所使用的瓣膜类型)，并确定60%的患者接受了正确大小的瓣膜。
“能够识别那些心脏瓣膜解剖结构使得TAVR并发症可能性更高的中、低风险患者是至关重要的，我们以前从未有过一种非侵入性方法来准确确定这一点。”合著者Beth Ripley说，她是华盛顿大学放射科的助理教授，医学博士，研究完成时她是布莱根妇女医院的心血管成像研究员。“这些患者可能通过手术得到更好的治疗，因为TAVR结果不完美的风险可能大于它的好处。”此外，能够在物理上模拟该过程，可能会为阀门设计和部署方法的未来迭代提供信息。
研究人员已经将他们的传单建模软件和3D打印协议免费提供给那些想要使用它们的临床医生或科学家。他们希望他们的项目将成为可进化的生物医学设计的催化剂，能够跟上市场的进步。
“个性化医疗挑战的核心是要认识到，一种医疗方法不可能对所有患者都很好，治疗方法应该针对个人量身定制，”他同时也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学项目的Judah Folkman教授，同时也是哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程教授。欧洲杯线上买球“这一原则不仅适用于药物，也适用于医疗设备。看到我们的社区如何在这一领域进行创新，并试图将新的个性化方法从实验室转化到临床，这是令人兴奋的。”
该论文的其他作者包括马萨诸塞州总医院的医学博士Joshua Dilley;Tatiana Kelil，医学博士，加州大学旧金山分校放射学助理教授，布莱根妇女医院前放射学住院医师;摩西·马瑟，华盛顿大学医学博士;以及德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所的博士梅森·迪恩。
人类前沿科学计划支持这项研究。欧洲杯线上买球