“计算机模拟及3D打印技术在心血管血流动力学研究上的应用”学术研究会举行[图]

由上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心、上海市小儿先天性心脏病研究所主办的“计算机模拟及3D打印技术在心血管血流动力学研究上的应用”学术研究会日前在上海儿童医学中心心脏中心举行。来自日本、澳大利亚、北京、上海、广州、南京等国内外小儿心血管外科专家，生物医学工程专家以及计算机模拟和3D技术产业领域的专业人士出席会议。 

上海市小儿先心病研究所所长、上海儿童医学中心心胸外科专家刘锦纷教授作《计算机模拟及3D打印在小儿先天性心脏病临床中的应用》主题报告。他指出，计算机模拟血流动力学研究对揭示与因血流运动异常引起的小儿先心病发病原因，以及术前临床诊治方案选择和术后治疗效果预测有着重要意义。上海儿童医学中心是2006年在全国最早开展医工交叉合作进行血流动力学计算模拟研究的单位之一，至今已有10余年的研究经验，累计获得各级科研项目30余项，包括国家自然科学基金10项，省部级课题16项。2015年，上海儿童医学中心与世界3D打印软件及服务领导者之一的Materialise公司联合共建了国内首个“儿科3D数字医学研究中心”，聚焦小儿心血管学科的临床研究与转化，使更多复杂先心病患儿获益。  

众所周知，心脏是人体胚胎发育过程中最早形成并发挥功能的器官，其形成是个十分复杂的形态发育过程。研究发现，心脏发育过程中与血流动力学影响息息相关，通过采集大量的临床影像学数据，运用计算机模拟血流动力变化对心血管系统形成的影响，以此为寻找先心病成因提供重要依据。在运用于治疗方面，利用计算机血流动力学特性模拟分析，开展基于个体化医学影像数据三维重建计算机辅助虚拟手术设计，寻找评估符合患者个体化最佳血流动力学状态，预测手术治疗效果。这一技术对于诸如心外管道FONTAN手术、肺动脉环缩术、改良体肺分流术等，以及气道畸形、胸骨畸形患者提供更为精准的治疗方案。  

另一方面，利用计算机重建技术3D打印患者个体化解剖模型，可以帮助医生在术前更加直观地了解个体心血管的解剖学结构，这无疑给医患双方加上了一份双保险。刘锦纷教授指出，特别是复杂先心病患者个体化情况，精确掌握心脏缺陷的形态、大小、位置、程度，以及周边组织的结构，同时可以对心脏功能进行深入分析。这弥补了常规影像检查中的局限性，更改变了以往复杂心脏手术仅靠主刀医师的经验和临场判断的现状。在3D数字医学技术的支持下，利用虚拟手术设计技术与计算血流动力学、材料力学、结构力学等学科开展医工交叉研究分析，医生可为患者定制个性化、精确化的手术方案，缩小手术创面，减少手术时间，大大提高复杂手术的成功率，大幅提升患者的生存质量。  

计算机模拟及3D打印技术不仅在研究领域大放异彩，同时也实现了研究成果向临床的成功转化。在上海儿童医学中心，与生物材料和组织工程技术相结合，实现了气管支架、一体化带瓣管道、瓣膜和法洛氏四联症补片设计方面新的突破，使得设计更加符合人体生物流体运动规律，加快了相关科学研究向临床应用的转化。同时，“我们将这一技术直接运用在临床发生率较高的漏斗胸矫治术上，呈现非常好的效果。”刘锦纷教授介绍，“上海儿童医学中心于2004年起就开展了胸腔镜辅助下行NUSS术。虽然在当时这是一种创伤极小的先进手术方式，但由于植入钢板是统一规格，因此并不能兼顾患者的个体差异性，术后仍会出现并发症和不适感。计算机模拟技术可以根据不同患者的个体情况，分析骨骼厚度，模拟胸骨畸形受力形变和骨骼起伏变形程度，从生物力学分析角度为患者选择最佳手术矫治方案，量身定制植入钢板，使手术实现个体化治疗最佳预期效果。  

据悉，目前由刘锦纷教授领衔的数字化医学科研团队在爱佑慈善基金的资助下，联合企业公司正在利用云端及网络技术，构建中国最大、最完整的3D复杂先心病仿真数据库。区别于现有的医院信息系统和二维影像数据储存，该项目所建立的3D数字化复杂先心病数据库是在已有的临床影像学二维数据的基础上构建，该数据库克服传统生物标本收集、制作、保存中存在的困难，构建的3D数字化先心病模型，有利于病理图谱制作与大样本库的建立。同时，计算机3D数字化模型，具有分离显示、轮廓示意、染色、逐层等特效功能，可任意内外角度旋转观察，任意放大和缩小数字化展示，有利于临床医学教学与展示，将为复杂先心病的临床医师培训发挥巨大的作用。3D数字化模型因为在体外可以清晰展现复杂心血管结构的比例关系，对于各种罕见复杂先心病案例的术前方案规划设计以及定制特殊的植入装置具有重大的意义。同时，该数据库还将3D数字化模型配有对应复杂先心病专家提供的相关生理、病例解剖说明，及治疗方案建议，并结合计算机虚拟手术设计，及最优血流动力学手术规划方案，供广大临床医师培训、学习及参考使用。  

刘锦纷教授还透露，目前，小儿先心病研究所已加入法国达索公司全球虚拟心脏“LIVING HEART PROJECT”项目，相信医工交叉研究的结合与转化将为3D及虚拟现实技术在小儿先心病研究领域的开发与应用拓展更大的技术空间。