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(1.肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)部，廣東 肇慶 526020;2.肇慶市中醫(yī)院影像科，廣東 肇慶 526020)

近年來，隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)和3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，不僅為臨床患者提供了個(gè)性化手術(shù)設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)實(shí)施安全保障，也為與人類相近似的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究開辟了新技術(shù)途徑。豬作為常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，其心臟冠狀動(dòng)脈的分布、走行及血供等形態(tài)學(xué)研究對(duì)臨床心肌缺血疾病研究提供重要的動(dòng)物模型[1-3]。目前，對(duì)豬冠狀動(dòng)脈的研究多為大體解剖學(xué)觀察，而有關(guān)豬的冠狀動(dòng)脈三維建模研究報(bào)道甚少[4-5]。鑒于此，本研究應(yīng)用血管重建技術(shù)和3D打印技術(shù)構(gòu)建離體豬心臟冠狀動(dòng)脈數(shù)字化三維模型，并研究其血管網(wǎng)的解剖學(xué)形態(tài)結(jié)構(gòu)，旨在為人類心臟基礎(chǔ)研究和心臟異種移植提供血管三維形態(tài)學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

采用普通級(jí)健康廣西巴馬小型豬1只，雄性，體質(zhì)量20 kg，7月齡，由肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供[SCXK(粵)2016-0041]。飼養(yǎng)環(huán)境符合中華人民共和國衛(wèi)生部動(dòng)物實(shí)驗(yàn)管理?xiàng)l例(No.55，2001)和肇慶醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)管理?xiàng)l例。溫度(20.35±2.85)℃，濕度(47.56±14.79)%，單籠飼養(yǎng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)符合倫理要求，實(shí)驗(yàn)程序通過了肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)委員會(huì)批準(zhǔn)(批號(hào)：2016-9-25-101)，實(shí)物動(dòng)物處理嚴(yán)格遵循肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)委員會(huì)與倫理委員會(huì)相關(guān)指南要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備軟件

1.2.1 鑄型填充劑 E-51型環(huán)氧樹脂、三(二甲胺基甲基)苯酚DMP-30、環(huán)氧樹脂高性能增韌改性劑RF-400、改性脂環(huán)胺環(huán)氧樹脂固化劑ZY-1618、氧化鉛、馬利牌油畫顏料(紅色)。

1.2.2 三維重建設(shè)備軟件 64排128層螺旋CT(西門子公司)，計(jì)算機(jī)硬件:Intel Core i7 3.6 GHz、32G內(nèi)存、4T硬盤、4G獨(dú)立顯卡顯存、27寸液晶顯示器。三維重建軟件：Materialise公司的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)Mimics 19.0。3D打印軟件設(shè)備：cura 15.06切片軟件，極光爾沃603S桌面3D打印機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 鑄型標(biāo)本制作 從小型豬耳緣靜脈穿刺注射丙泊酚2.0 mg/kg，待呼吸頻率下降至20～30 次/分鐘，肢體活動(dòng)逐漸停止，持續(xù)泵入空氣以栓塞死亡。用清水將小型豬標(biāo)本表面沖洗干凈，然后沿胸部前正中線打開胸腔，切開心包找到升主動(dòng)脈，在升主動(dòng)脈根部上方1 cm處離斷并向近心端插管固定[6]。按照E-51型環(huán)氧樹脂10 mL、環(huán)氧樹脂高性能增韌改性劑RF-400 1.5 mL、三(二甲胺基甲基)苯酚DMP-30 0.5 mL、改性脂環(huán)胺環(huán)氧樹脂固化劑ZY-1618 5 mL、氧化鉛11.3 g比例配制鑄型填充劑[7-8]，并加入適量紅色油畫顏料充分?jǐn)嚢?～8 min即可灌注，在灌注過程中注意觀察冠狀動(dòng)脈表面充盈情況，注意控制注射器推注壓力。待填充劑凝固后拔出插管并放入37%濃鹽酸溶液中進(jìn)行腐蝕，3～4 d后用自來水緩慢沖洗,即成小型豬冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本。

1.3.2 CT掃描與三維建模 采用西門子SOMATOM Definition AS 128層螺旋CT對(duì)小型豬冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本進(jìn)行薄層掃描。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流250 mA，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為每圈0.5 s，準(zhǔn)直寬度64×0.625 mm，重建層厚0.6 mm，重建層距0.35 mm，螺距0.973 mm，視野350 mm，矩陣512×512，掃描所獲得DICOM格式數(shù)據(jù)集導(dǎo)入Mimics 19.0軟件進(jìn)行三維圖像處理。首先利用軟件Thresholding功能設(shè)定閾值范圍為-290～3 071 HU，并通過調(diào)整閾值范圍分割顯示血管分支，然后使用Calculate 3D工具對(duì)不同蒙板進(jìn)行計(jì)算，分割構(gòu)建小型豬冠狀動(dòng)脈的數(shù)字化三維模型。

1.3.3 3D打印模型構(gòu)建 將Mimics建立好的小型豬冠狀動(dòng)脈三維模型導(dǎo)出ASCⅡSTL格式文件，然后將STL文件導(dǎo)入cura 15.06切片軟件進(jìn)行Lay flat、scale、填充密度等模型打印前設(shè)置。最后生成和發(fā)送gcode格式打印文件至3D打印機(jī)，打印小型豬冠狀動(dòng)脈3D模型，打印完后再對(duì)3D模型進(jìn)行局部修飾。

2 結(jié)果

2.1 小型豬冠狀動(dòng)脈鑄型觀察

小型豬冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本形態(tài)充盈飽滿、粗細(xì)分明、稀疏有度，能清晰地觀察到左、右冠狀動(dòng)脈主干及其分支(右旋支、左緣支、對(duì)角支及右室前支等)的走行分布情況。且分支血管毗鄰關(guān)系明確，由粗至細(xì)逐級(jí)分支至6～7級(jí)，立體感強(qiáng)(圖1)。

a:前面觀；b:背面觀 1:右冠狀動(dòng)脈；2:右旋支；3:右室前支(右冠狀動(dòng)脈)；4:左室后支(右冠狀動(dòng)脈)；5:左冠狀動(dòng)脈；6:旋支；7:左緣支；8:對(duì)角支；9:前室間支

圖1小型豬左、右冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本

2.2 小型豬冠狀動(dòng)脈三維模型分割顯示

將CT掃描采集的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0軟件成功構(gòu)建出小型豬冠狀動(dòng)脈三維模型(圖2a)，并通過調(diào)整閾值范圍分割顯示左、右冠狀動(dòng)脈及其分支。當(dāng)閾值范圍調(diào)整為-290～3 071 HU時(shí)，構(gòu)建三維模型形態(tài)逼真、立體感強(qiáng)，能清晰地觀察到左、右冠狀動(dòng)脈3～4級(jí)分支(圖2b)；當(dāng)閾值范圍調(diào)整為646～3 071 HU時(shí)，構(gòu)建三維模型中左、右冠狀動(dòng)脈3級(jí)分支明顯減少，4級(jí)分支基本消失，而1～2級(jí)主干分布及走行明顯(圖2c)；當(dāng)閾值范圍調(diào)整為1 924～3 071 HU時(shí)，構(gòu)建三維模型左、右冠狀動(dòng)脈主干越來越明顯，3級(jí)分支大部分消失(圖2d)；當(dāng)閾值范圍調(diào)整為2 945～3 071 HU時(shí)，該模型只能左冠狀動(dòng)脈起始段主干，而右冠狀動(dòng)脈及其分支顯示完全消失(圖2e)。

2.3 小型豬冠狀動(dòng)脈的3D打印模型顯示

采用3D打印機(jī)成功打印出清晰逼真、立體感強(qiáng)的小型豬冠狀動(dòng)脈的實(shí)體模型(1∶1.5比例)，該模型清楚地顯示小型豬冠狀動(dòng)脈1～4級(jí)分支分布及走行，與原始鑄型標(biāo)本、數(shù)字化三維模型相一致(圖3)。

a: Mimics構(gòu)建出小型豬冠狀動(dòng)脈三維可視化模型；b: Mimics閾值范圍-290～3 071 HU 的三維可視化模型；c: Mimics閾值范圍646～3 071 HU 的三維可視化模型；d: Mimics閾值范圍1 924～3 071 HU 的三維可視化模型；e: Mimics閾值范圍2 945～3 071 HU 的三維可視化模型 1:右冠狀動(dòng)脈；2:右旋支；3:右室前支(右冠狀動(dòng)脈)；4:左室后支(右冠狀動(dòng)脈)；5:左冠狀動(dòng)脈；6:旋支；7:左緣支；8:對(duì)角支；9:前室間支

圖2小型豬左、右冠狀動(dòng)脈三維可視化分割模型

a:3D打印模型(未修剪)；b:3D打印模型(已修剪) 1:右冠狀動(dòng)脈；2:右旋支；3:右室前支(右冠狀動(dòng)脈)；4:左室后支(右冠狀動(dòng)脈)；5:左冠狀動(dòng)脈；6:旋支；7:左緣支；8:對(duì)角支；9:前室間支

圖3小型豬左、右冠狀動(dòng)脈3D打印模型

3 討論

3.1 基于鑄型標(biāo)本的三維建模

血管鑄型技術(shù)是一種較好顯示動(dòng)物器官內(nèi)部血管分布的好方法,能夠直觀顯示各級(jí)血管分支的走行及分布情況[9-10]。目前，傳統(tǒng)豬冠狀動(dòng)脈的解剖形態(tài)學(xué)研究大多通過灌注血管填充劑以制作鑄型標(biāo)本觀測(cè)，常規(guī)采用過氯乙烯-乙酸乙酯填充劑從家豬左、右冠狀動(dòng)脈竇口插管進(jìn)行灌注，制作血管鑄型標(biāo)本[11-14]，鑄型結(jié)果可清楚顯示家豬的左、右冠狀動(dòng)脈的走行及其分支分布情況，能直接獲取冠狀動(dòng)脈淺層動(dòng)脈血管信息，但由于其小分支動(dòng)脈及其末梢豐富且分布廣，導(dǎo)致被覆蓋部分或深層動(dòng)脈血管信息無法顯示，這也是鑄型標(biāo)本最大的不足之處。

血管三維可視化模型是借助計(jì)算機(jī)三維重建軟件對(duì)動(dòng)物血管造影重建模型，可以直觀、立體地觀察器官血管主干與分支的走行及分布情況，實(shí)現(xiàn)了圖像由二維變?nèi)S、由平面變立體、由靜態(tài)變動(dòng)態(tài)的虛擬模型，對(duì)了解動(dòng)物血管內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)具有巨大的優(yōu)勢(shì)[15-17]。萬雷等[18]通過對(duì)離體豬心臟冠狀動(dòng)脈灌注水溶性對(duì)比劑后進(jìn)行MSCT掃描獲取三維圖像，這種方式與臨床心臟介入方式類似，但由于造影劑依賴灌注時(shí)人工推力，灌注離體豬心臟冠狀動(dòng)脈缺乏持續(xù)穩(wěn)定血流動(dòng)力作用，很難保證造影劑在血管內(nèi)分布均勻，進(jìn)而導(dǎo)致CT重建圖像清晰度不均勻和(或)可能出現(xiàn)血管不連續(xù)現(xiàn)象，且清晰度不理想。

鑒于上述情況，本研究則利用血管造影填充劑(氧化鉛)灌注制作鑄型標(biāo)本后經(jīng)CT掃描和Mimics軟件構(gòu)建得到的小型豬冠狀動(dòng)脈數(shù)字化三維模型，其特點(diǎn)包括：①插管位置選擇。由于小型豬心臟比成年家豬小得多，其左、右冠狀動(dòng)脈竇口非常細(xì)小，用常規(guī)方式無法插管灌注。因此，本研究采用從升主動(dòng)脈切口向近心端插管灌注方法，鑄型結(jié)果顯示心腔無填充劑進(jìn)入，只清晰地顯示小型豬左、右冠狀動(dòng)脈的分布及走行，效果較理想。因此，本研究的升主動(dòng)脈向近心端插管灌注是一種簡(jiǎn)便有效的小型豬冠狀動(dòng)脈鑄型制作方法。②金屬造影劑應(yīng)用。目前計(jì)算機(jī)圖像處理原理是基于X射線穿透物質(zhì)能力來區(qū)分不同密度的物質(zhì)，造影劑密度越大,越難穿透，成像越清晰[19-20]。氧化鉛是目前公認(rèn)血管造影術(shù)密度最大的造影劑，成像效果最好。本研究在灌注前按比例加入氧化鉛造影劑粉末并均勻融合于灌注填充劑中，待填充劑完全硬化后，氧化鉛就會(huì)均勻固定，分散于各級(jí)血管分支，便于CT掃描時(shí)能夠采集更清晰的二維斷層圖像數(shù)據(jù)集，圖像清晰度高且血管連續(xù)性好，與原鑄型標(biāo)本的血管走行及分布相一致。③三維模型構(gòu)建。MSCT成像多以VR、MIP形式重建三維圖像，一般只限于CT工作站自帶軟件范圍內(nèi)應(yīng)用。而本研究Mimics軟件利用CT采集DICOM數(shù)據(jù)可以在任意一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)重建小型豬冠狀動(dòng)脈的三維模型，在計(jì)算機(jī)三維空間內(nèi)可以以任意比例縮放及任意角度旋轉(zhuǎn)等操作，有利于觀察不同層次血管，彌補(bǔ)鑄型標(biāo)本的不足之處，這種優(yōu)勢(shì)是鑄型所無法比擬的。④優(yōu)勢(shì)及不足?，F(xiàn)有CT、MRI等影像設(shè)備或三維重建軟件(Mimics 或 3d-Doctor)基于閾值原則來分割不同血管，與造影劑密度和含量有關(guān)[21-22]。由于冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本中的各級(jí)(1～6級(jí))血管氧化鉛含量不同，1級(jí)血管(主干)氧化鉛含量最多，而6級(jí)末端氧化鉛含量最少。隨著Mimics閾值間距不斷縮小，6～2級(jí)血管分支逐步消失，最后只保留1級(jí)主干成像，較大地滿足臨床應(yīng)用的需求和基礎(chǔ)研究的需要，這也是本研究的血管閾值分割的最大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)三維重建技術(shù)也存在不足之處，主要受CT掃描層厚、掃描速度、灌注填充劑等因素影響，并不能重建和顯示所有部位血管。因此，血管灌注鑄型技術(shù)和三維重建技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)將它們結(jié)合使用，各取所長。

3.2 小型豬冠狀動(dòng)脈3D打印模型的意義

3D打印技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過物理逐層疊加方式生產(chǎn)三維實(shí)體，是快速成形技術(shù)之一，在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)有優(yōu)勢(shì)[23-24]。目前，冠狀動(dòng)脈3D打印技術(shù)的應(yīng)用可為心臟手術(shù)治療方案確立、臨床教學(xué)培訓(xùn)提供新的研究方法、新的技術(shù)手段。由于豬心臟冠狀動(dòng)脈的起始、行程及其分支與人較相似,各級(jí)分支的出現(xiàn)概率也較接近,常作為人理想的缺血再灌注動(dòng)物模型[25]。因此，本研究通過對(duì)小型豬冠狀動(dòng)脈豬型的斷層掃描，在三維重建的基礎(chǔ)上利用適合的材料打印出高精度冠狀動(dòng)脈模型，其在臨床科研和解剖教學(xué)具有重要意義：①手術(shù)預(yù)演。3D打印模型是對(duì)術(shù)前影像進(jìn)行三維實(shí)物重現(xiàn)，仿真性高。主刀醫(yī)師可以通過等比例3D實(shí)物實(shí)現(xiàn)術(shù)前個(gè)體化設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬演練、精準(zhǔn)手術(shù)過程等優(yōu)點(diǎn),能夠真實(shí)全面地了解冠狀動(dòng)脈結(jié)構(gòu)，臨床應(yīng)用價(jià)值較高。②解剖教學(xué)。由于二維圖像的局限性，醫(yī)學(xué)生無法對(duì)于接觸到的醫(yī)學(xué)知識(shí)有更深入的了解。而3D打印模型是通過樹脂材料打印出的冠狀動(dòng)脈模型，使學(xué)生更加直觀、深刻的認(rèn)識(shí)冠狀動(dòng)脈的走行及分布情況，激發(fā)學(xué)生的好奇心和積極性。同時(shí)3D打印模型可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，有效節(jié)省原始標(biāo)本的消耗，提高教學(xué)效率。

綜上所述，血管三維重建技術(shù)和3D打印技術(shù)可以直觀顯示虛擬和現(xiàn)實(shí)小型豬冠狀動(dòng)脈的三維狀態(tài)，有效地輔助當(dāng)前數(shù)字化、精準(zhǔn)化醫(yī)療的發(fā)展方向，為先心手術(shù)和影像解剖學(xué)教學(xué)提供一個(gè)仿真平臺(tái)和實(shí)踐工具。