任永鳳， 王 洲

(亳州市人民醫(yī)院， 安徽 亳州 236800)

3D心臟模型打印技術(shù)的不斷發(fā)展為治療先天性心臟病(congenital heart disease，CHD)提供了更多的安全保障及成功率，具有重要的臨床意義。早期曾報道利用CHD患者的磁共振成像(MRI)數(shù)據(jù)建立術(shù)前三維虛擬模型，但當(dāng)時缺乏計(jì)算機(jī)處理能力，圖像分辨率低，該技術(shù)的臨床應(yīng)用不理想。隨著高分辨率成像和3D打印等技術(shù)的進(jìn)步，利用非侵入性成像技術(shù)建立的心臟3D打印模型，與實(shí)物相比，具有高仿真性及復(fù)制細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在術(shù)前診斷、手術(shù)方案的制定、術(shù)中監(jiān)測及術(shù)后評估中均可發(fā)揮重要作用。三維超聲心動圖是另一種與CT和MRI具有較強(qiáng)線性相關(guān)性的成像方式，三維超聲彌補(bǔ)了二維超聲空間分辨率的不足，使超聲成為3D打印數(shù)據(jù)源，并逐漸得到應(yīng)用。本文介紹了基于三維超聲心動圖成像為數(shù)據(jù)源的3D打印技術(shù)在CHD診療中的應(yīng)用及進(jìn)展。

1 3D 打印技術(shù)原理及概述

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì) 90年代初期，又稱疊加制造技術(shù)或即刻成型技術(shù)，其原理是在影像學(xué)數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，應(yīng)用碎末狀金屬或其他可塑性材料，通過3D打印機(jī)按照需要的模型逐層打印并逐層疊加成型，最終構(gòu)造出實(shí)物模型的技術(shù)，該技術(shù)初期主要應(yīng)用在機(jī)械加工及航空領(lǐng)域，近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和材料學(xué)科的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了個體化制造[1,2]。目前，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面最常使用的打印方式有：針對性激光燒結(jié)成型技術(shù)、材料熔化沉積鑄型技術(shù)、容積光固化成型技術(shù)、聚合物材料噴射成型技術(shù)，以及其他生物材料打印等。初期3D打印技術(shù)費(fèi)用高昂，尤其是精度不夠，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用受限，隨著技術(shù)進(jìn)步，精度提高的同時費(fèi)用也開始下降，這使3D打印應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成為可能,主要出現(xiàn)在骨科、器官移植及整形外科等專業(yè)領(lǐng)域[3-6]。

黃志勇等[7]基于1例室間隔缺損患兒的心臟CT影像數(shù)據(jù)，采用Mimics 17.0圖形分割軟件，以閾值法進(jìn)行心肌分割，以動態(tài)區(qū)域生長法進(jìn)行血池分割，獲得數(shù)字化三維心臟模型，采用PolyJet材料，以0bjet500 connex3聚合物噴射成型3D打印軟質(zhì)的實(shí)體心臟模型，清晰顯示心臟內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系和室間隔缺損的三維形態(tài)，且相關(guān)評估參數(shù)與其他手段評估基本一致，使3D打印診療結(jié)構(gòu)性心臟病成為可能。這些模型有助于理解這些缺陷中復(fù)雜的解剖空間關(guān)系，并為心臟介入前、介入中的管理和手術(shù)規(guī)劃提供額外的見解，提高心臟疾病診斷精度，提高手術(shù)成功率[8-10]。在CHD的診斷、術(shù)前治療方案的制定及教學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)外均開始了相應(yīng)研究，展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景[11-17]。

目前的相關(guān)研究多以 CT、MRI為數(shù)據(jù)源進(jìn)行心臟3D打印，隨著超聲心動圖的發(fā)展，三維超聲心動圖圖像分辨率進(jìn)一步提高，對于心內(nèi)軟組織及薄膜樣結(jié)構(gòu)的顯示有獨(dú)特優(yōu)勢。超聲數(shù)據(jù)源的3D打印技術(shù)原理是通過超聲獲取研究區(qū)域的容積超聲圖像，設(shè)備會記錄超聲容積數(shù)據(jù)，即3D DICOM 原始數(shù)據(jù)，然后對圖像進(jìn)行多平面重新處理，確保數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性，調(diào)整增益和分辨率獲取最佳參數(shù)設(shè)置，確保獲得精準(zhǔn)度和分辨率均較高的超聲圖像，待脫機(jī)后處理。該技術(shù)具有操作簡便、無輻射、無需造影劑等優(yōu)勢，因此，基于超聲容積成像3D打印技術(shù)在心血管疾病診療中的應(yīng)用體現(xiàn)出顯著的前景及價值，國內(nèi)外基于三維超聲心動圖數(shù)據(jù)源的3D打印技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)，且臨床應(yīng)用價值已得到肯定[18-20]。

2 超聲3D打印技術(shù)在CHD中的應(yīng)用

CHD種類繁多，任何一處發(fā)育異常都可能導(dǎo)致血流動力學(xué)改變，而且每一類CHD解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)又有不同，這種改變關(guān)系到治療方案的選擇。3D打印技術(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)化精準(zhǔn)建模，具有針對性制造高仿真模型的優(yōu)點(diǎn)，在CHD診療中發(fā)揮出越來越重要的作用及優(yōu)勢。CHD包括簡單先心病與復(fù)雜先心病，簡單先心病主要有房間隔缺損(ASD)、室間隔缺損(VSD)等，是先心病中最為常見的類型，而復(fù)雜先心病結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，表現(xiàn)多樣，如法洛氏四聯(lián)癥、大動脈轉(zhuǎn)位、右室雙出口等。盡管二維及彩色超聲心動圖對于大多數(shù)先心病均可明確診斷，而且檢出率較高，但由于心臟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立體空間關(guān)系不夠直觀，且不利于教學(xué)過程中的理解，特別是當(dāng)常見的2D或3D成像模式在獲取解剖關(guān)系或某些結(jié)構(gòu)的位置方面出現(xiàn)不確定性時，就需要更為精確直觀的檢查手段。近年來，對一些先心病的治療以微創(chuàng)介入受到臨床及患者的青睞，原因是創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，利用三維超聲3D打印技術(shù)可打印出高仿真模型，該模型能夠全方位展示出心內(nèi)組織結(jié)構(gòu)連接及位置關(guān)系，全面顯示異常發(fā)育部位及毗鄰，可為臨床提供更加準(zhǔn)確的診斷信息，幫助術(shù)前模擬操作及制定手術(shù)方案。

2.1 簡單先心病

Samuel等[21]利用超聲掃描成像技術(shù)將房間隔缺損3D超聲容積圖像經(jīng)切割、重建等處理制作出3D模型，準(zhǔn)確、全面地展示出ASD部位及毗鄰解剖關(guān)系，證明了以超聲掃描獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印的可應(yīng)用性及價值，且超聲操作方便、價廉、安全。梅丹娥等[22]以經(jīng)食管三維超聲心動圖 (3D-TEE) 圖像作為數(shù)據(jù)源，通過Mimics 軟件對三維圖像進(jìn)行后處理,獲取ASD容積圖像 STL 格式文件,輸出文件并打印 ASD 3D模型，3D模型測量ASD相關(guān)參數(shù)與2D-TEE、3D-TEE及術(shù)中ASD各參數(shù)測值間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,且一致性更高，模型中術(shù)前演練效果較好，結(jié)論認(rèn)為3D-TEE圖像可作為ASD 3D打印的數(shù)據(jù)源,基于超聲技術(shù)3D打印ASD模型精準(zhǔn)度較高,為臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。So等[23]對一位56歲房間隔缺損經(jīng)皮封堵術(shù)后6個月后出現(xiàn)呼吸困難患者采集三維經(jīng)食管超聲心動圖數(shù)據(jù)，從中分割出感興趣結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型，將不同的顏色和硬度分配到不同的片段中，制備多材料3D打印模型，闡述了多材料3D打印用于指導(dǎo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)心臟干預(yù)的程序前規(guī)劃的可行性和優(yōu)勢。Faganello等[24]通過經(jīng)食道三維超聲圖像信息源3D打印出1例Ⅱ孔型房間隔缺損的模型，也同樣證實(shí)了在3D模型中測得相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性。邱旭等[25]對21例多發(fā)孔ASD患者經(jīng)采集CT和三維超聲圖像，通過3D打印技術(shù)制作出硅膠心臟模型,利用模型進(jìn)行模擬封堵測試，確定最佳封堵方案，取得較好效果，為多發(fā)孔型房間隔缺損在微創(chuàng)介入封堵術(shù)中的一些難題提供了預(yù)備方案，如封堵術(shù)中封堵傘置入困難、封堵傘邊緣殘存分流率高等問題，具有顯著的臨床應(yīng)用價值。Olivieri等[26]利用三維超聲心動圖采集9例(8例室間隔缺損和1例瓣周漏)心臟患者原始圖像數(shù)據(jù)被匿名輸出并轉(zhuǎn)換成醫(yī)學(xué)格式的數(shù)字成像和通信，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪，導(dǎo)入分割軟件建立三維數(shù)字模型并打印出來，將三維模型測量與常規(guī)二維超聲心動圖測量缺損的長、短軸結(jié)果進(jìn)行比較，測量結(jié)果分別為7.5±6.3和7.1±6.2 mm (P=0.2),兩組間相關(guān)性較好，證明了三維超聲心動圖數(shù)據(jù)打印模型在技術(shù)上是可行的，可以準(zhǔn)確反映室間隔缺損解剖，為先天性心臟病患兒的程序規(guī)劃提供了一種新的工具。但國內(nèi)對基于超聲單純室缺與動脈導(dǎo)管未閉的3D打印鮮見報道。

2.2 復(fù)雜先心病

目前復(fù)雜CHD的可視化技術(shù)無法全面顯示心臟解剖異常，因?yàn)獒t(yī)學(xué)數(shù)據(jù)集基本上只能從平面、二維(2D)屏幕上觀看。因此，3D打印已經(jīng)被用于根據(jù)醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)在三維視圖中復(fù)制特定患者的心臟。這項(xiàng)技術(shù)對矯正手術(shù)的術(shù)前計(jì)劃、病人與醫(yī)生的溝通,以及醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)均帶來積極影響。

Loke等[27]為提高醫(yī)師對法洛氏四聯(lián)癥疾病的認(rèn)識，應(yīng)用超聲心動圖為數(shù)據(jù)源打印出法洛四聯(lián)癥患兒的3D模型，兩組兒科住院醫(yī)生分別通過影像學(xué)和3D模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后利用問卷方式對兩組醫(yī)師進(jìn)行調(diào)查，了解兩組醫(yī)師對法洛四聯(lián)癥的認(rèn)識情況，結(jié)果顯示兩組間對知識的獲取無明顯差異，但使用3D模型教學(xué)的醫(yī)師滿意度得分較高，3D打印模型學(xué)習(xí)組對細(xì)微結(jié)構(gòu)認(rèn)識更直觀，對法洛四聯(lián)癥的整體理解更深刻、全面，記憶更牢。法洛四聯(lián)癥3D打印模型可以清晰而又全方位地顯示要觀察的結(jié)構(gòu)，未來有望通過3D打印模型提高復(fù)雜CHD的診斷精度。

國內(nèi)朱延波等[28]應(yīng)用經(jīng)胸超聲心動圖引導(dǎo)3D打印模型對44例心臟病患者進(jìn)行術(shù)前評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D-TTE和TTE Guided 3D PM兩種方法結(jié)果一致性較高,經(jīng)胸超聲心動圖引導(dǎo)3D打印模型能夠清晰顯示結(jié)構(gòu)性心臟病病變的實(shí)體三維結(jié)構(gòu)，與術(shù)中所見基本一致。盡管如此，在復(fù)雜CHD中，以單一成像技術(shù)作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行3D打印仍可能存在精細(xì)病理結(jié)構(gòu)不能完整顯示的問題，但使用兩種或多種數(shù)據(jù)源聯(lián)合進(jìn)行3D打印，可以提高術(shù)前復(fù)雜CHD診斷，更好地發(fā)揮各種成像方式的優(yōu)勢，提高對病變結(jié)構(gòu)的可視化程度[29]。

Gosnell等[30]嘗試?yán)肅T和超聲相結(jié)合，采集1例55歲患有矯正型大動脈轉(zhuǎn)位、室間隔缺損及肺動脈閉鎖患者的心臟圖像，經(jīng)過圖像拼接、切割處理，將CT和超聲影像學(xué)資料轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，證明了混合打印的可行性，認(rèn)為多種成像方式信息源的混合打印技術(shù)在介入和手術(shù)環(huán)境中可能具有優(yōu)勢，可以減少或避免不同的影像學(xué)方式導(dǎo)致某些信息丟失的可能，為了評估混合3D打印對外科或介入病例決策的影響，有必要進(jìn)行廣泛的比較與臨床試驗(yàn)，使混合3D打印技術(shù)成為一種理想的工具。

綜上，超聲3D 打印技術(shù)在CHD中應(yīng)用可以有效提高臨床醫(yī)師對病變部位三維空間的深刻理解，有助于更加合理準(zhǔn)確地做出診斷，同時，3D打印模型在臨床教學(xué)、術(shù)前制定合理治療方案、模擬操作等方面也展現(xiàn)出越來越顯著的應(yīng)用價值。盡管基于超聲的3D打印技術(shù)優(yōu)勢明顯，價值肯定，但該技術(shù)仍然處于研究階段，尤其對于混合影像數(shù)據(jù)源打印技術(shù)，其可能具有更大的應(yīng)用空間，是未來的研究重點(diǎn)，應(yīng)用前景更加突出。

3 超聲數(shù)據(jù)源3D打印技術(shù)的局限性

盡管基于超聲圖像信息源的3D模型打印技術(shù)在CHD診療中發(fā)揮著越來越重要的作用，但仍然存在一定的局限性：

(1) 設(shè)備技術(shù)要求高，費(fèi)用昂貴。

(2) 超聲物理特性的局限性：獲取準(zhǔn)確完整的信息源是3D打印的基礎(chǔ)，然而超聲受個體聲窗條件影響明顯，氣體干擾及胸廓畸形等均不利于超聲圖像顯示。

(3) 心外結(jié)構(gòu)顯示不佳：超聲心動圖顯示心內(nèi)結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢，由于超聲的物理特性及掃查角度的限制，對心外毗鄰解剖結(jié)構(gòu)的顯示困難。目前報道較多的仍以CT/MRI數(shù)據(jù)源進(jìn)行心臟3D模型打印，彌補(bǔ)了心外結(jié)構(gòu)顯示不佳的局限性。

(4) 單一影像3D打印需經(jīng)過多次后處理，一些細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)信息可能會被過濾遺失，最終獲取的數(shù)據(jù)模型與原始數(shù)據(jù)間存在微小的差異。Gosnell等[30]認(rèn)為單獨(dú)的成像方式可能不能充分顯示復(fù)雜的CHD病，將兩種或兩種以上成像方式的優(yōu)勢結(jié)合起來，有可能增強(qiáng)心臟病理形態(tài)學(xué)的可視化，尤其三維超聲心動圖可以顯示運(yùn)動結(jié)構(gòu)，混合3D打印作為心臟病專家和心胸外科醫(yī)生在CHD干預(yù)計(jì)劃中的有力工具，可能具有更大的優(yōu)勢。

(5) 3D打印模型為靜態(tài)仿真模型，不能評價心臟的動態(tài)特征及內(nèi)部血流動力學(xué)狀態(tài)。

4 展望

隨著三維超聲心動圖設(shè)備軟硬件的更新及材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，超聲圖像數(shù)據(jù)信息將得到進(jìn)一步優(yōu)化，超聲3D打印技術(shù)的精確度也將不斷提高，仿真3D模型將更加貼近實(shí)物，更加適用于臨床，其在CHD的臨床精確診斷、術(shù)前方案制定、模擬教學(xué)與操作、術(shù)中監(jiān)測及預(yù)后評估等方面的作用將更加突出，前景令人期待。