宋宏寧，郭瑞強(qiáng)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲影像科，湖北 武漢 430060)

基于醫(yī)學(xué)影像學(xué)的3D打印技術(shù)在心血管疾病診療中的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

宋宏寧，郭瑞強(qiáng)*

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲影像科，湖北 武漢 430060)

3D打印技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)，近年來在心血管領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。3D打印模型的制作有多種方式，不同的成型方式有各自的優(yōu)缺點。在先天性心臟病、心臟瓣膜病、大血管病變、心律失常的診療過程中3D打印發(fā)揮著重要的作用。本文基于醫(yī)學(xué)影像學(xué)的3D打印技術(shù)在心血管疾病診療中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

3D打?。恍难芗膊。会t(yī)學(xué)影像學(xué)

3D打印技術(shù)是近年來興起的一項快速成型技術(shù)，其優(yōu)勢為快速、可定制化、可重復(fù)性。在心血管疾病的個體化診療過程中，3D打印技術(shù)正在發(fā)揮日益重要的作用。本文對3D打印技術(shù)在心血管疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 3D打印技術(shù)簡介及實現(xiàn)過程

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，也被稱為疊加制造(additive manufacturing， AM)，其定義為將未成型的材料疊加至已成型的固態(tài)材料表面從而制造出一個立體的空間模型。3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域可以追溯到20世紀(jì)90年代初[1]。最近幾年，隨著材料學(xué)和工程學(xué)的進(jìn)步，才獲得較快的發(fā)展。

醫(yī)學(xué)3D打印模型的獲取基于符合醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)的圖像，實現(xiàn)心血管3D打印主要有以下步驟(圖1)：①醫(yī)學(xué)影像圖像數(shù)據(jù)的獲?。虎趫D像處理，提取ROI，分離出需要重建和打印的部分，該過程被稱為分割；③將容積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印識別的三角網(wǎng)格模型；④將數(shù)字模型輸入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

1.1 心血管3D打印的影像數(shù)據(jù)源 準(zhǔn)確可靠的影像學(xué)數(shù)據(jù)是獲得精確3D打印模型的基礎(chǔ)。目前臨床常用的心臟影像學(xué)檢查包括CT、心臟磁共振(cardiac magnetic resonance, CMR)和超聲心動圖檢查。

CT作為常用的心血管檢查方式，具有較高的空間分辨率和密度分辨率，在多數(shù)臨床研究中為心臟模型獲得的數(shù)據(jù)源。由于心臟由肌肉及結(jié)締組織構(gòu)成，其內(nèi)部密度差異在CT平掃的條件下很難清晰顯示，采用CT血管造影可以增強(qiáng)心內(nèi)結(jié)構(gòu)的顯示。在造影模式下，CT圖像高密度顯示的內(nèi)容為心臟腔室及血管，因而CT是心腔與血管結(jié)構(gòu)3D打印的首選數(shù)據(jù)來源，但并非所有心臟結(jié)構(gòu)或所有患者均適合使用心臟CT作為源數(shù)據(jù)，在心臟軟組織或心臟瓣膜的顯示中，CMR較心臟CT有一定的優(yōu)勢[2]。同時，隨著超聲心動圖技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)胸及經(jīng)食管三維超聲心動圖的空間分辨率和時間分辨率顯著提高，三維超聲心動圖也被證實可以作為3D打印的可靠來源[3]。

由于心臟是一個結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的器官，使用單一數(shù)據(jù)源可能并不能獲取心臟復(fù)雜的解剖信息全貌。最新的研究[4-5]中，使用多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合成像并進(jìn)行3D打印，顯著提高了心臟內(nèi)復(fù)雜解剖細(xì)節(jié)的顯示效果，為結(jié)構(gòu)性心臟病介入及手術(shù)治療術(shù)前準(zhǔn)備提供了更全面的信息。

1.2 醫(yī)學(xué)3D圖像的分割與處理 分割是將用于3D打印的ROI從圖像中分離出來的圖像后處理過程，精確地分割是獲得準(zhǔn)確模型的基礎(chǔ)。通過特定的軟件可對醫(yī)學(xué)DICOM圖像進(jìn)行分割，常用的數(shù)據(jù)處理軟件包括Mimics、OsriX、MeshLab等[6-8]。

閾值分割是3D圖像分割最重要的方法，通過設(shè)定特定的密度閾值，保留圖像中特定密度閾值范圍的信息，同時去除密度范圍以外的圖像內(nèi)容[7]。在心臟CT血管造影圖像中，設(shè)定分割閾值為對比劑密度可以快速地分離心臟、大血管及冠狀動脈。閾值分割決定ROI的范圍，因而閾值的確定是決定分割精確度的重要因素。由于不同患者不同時相心臟密度值均有差別，因而需針對每一患者進(jìn)行個體化閾值分割。在閾值分割不能完全分離的區(qū)域，同時需要輔助交互式分割等方法進(jìn)行心血管圖像的進(jìn)一步處理。分割后的圖像需進(jìn)一步經(jīng)過網(wǎng)格生成獲得容積圖像表面模型，進(jìn)而獲得可以被打印機(jī)識別的數(shù)據(jù)格式。目前最常用的3D打印數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語言(standard tessellation language, STL)數(shù)據(jù)格式[9]。

圖1 基于超聲心動圖的3D打印模型獲取步驟 A.獲取超聲DICOM圖像; B、C.閾值分割; D.圖像后處理; E、F.網(wǎng)格生成; G.生成3D打印模型

1.3 3D打印模型的制作及打印方式 3D打印模型的制作一般經(jīng)過3個步驟：模型獲取、3D打印及打印后處理。打印機(jī)將獲取的3D數(shù)字模型分割為多層2D圖像，類似計算機(jī)斷層掃描的顯示方式，然后使用3D打印機(jī)逐層成型，進(jìn)而獲得空間立體的3D打印模型。3D打印模型的材質(zhì)及成型方法有多種，現(xiàn)階段常用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的打印方式主要有以下幾種。

(1)熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)：將熱熔材質(zhì)加熱到液態(tài)，通過計算機(jī)控制的擠壓噴頭噴涂建造每層模型，通過每層材質(zhì)的堆積建立空間立體模型。目前，F(xiàn)DM是最廣泛應(yīng)用的3D打印方式，通過調(diào)整加熱溫度和噴頭的參數(shù)，可以使用多種材質(zhì)進(jìn)行打印。但FDM存在打印精度較低，材質(zhì)耐熱性差，對于軟性材質(zhì)打印效果不佳的缺點。

(2)選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)：是使用紅外激光器作能源，將粉末狀材料有選擇地進(jìn)行燒結(jié)，逐層進(jìn)行，最終獲取立體打印模型的一種AM方法。SLS工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，且可用柔性材質(zhì)打印，但其精度一般，設(shè)備昂貴，且打印過程中有環(huán)境污染的危害[10]。

(3)光固化快速成型(stereolithography, SLA)：使用液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行快速成型，這種材料在激光照射下可快速凝為固體。使用計算機(jī)控制激光對液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行照射，同時液體容器逐漸下降，在已經(jīng)成型的固體表面繼續(xù)凝結(jié)，進(jìn)而獲得空間立體模型[11]。SLA可以快速精確地獲取3D打印模型，但光敏樹脂種類較少，成本很高，強(qiáng)度一般，無法完成較大體積模型的快速成型。

(4)聚合物噴射成型(PolyJet)：是目前軟性材料快速成型的主要方法之一，與SLA相似，同樣使用光敏樹脂進(jìn)行成型，但PolyJet使用噴頭將光敏樹脂和支撐聚合物同時噴射到工作臺，再使用紫外線照射，完全凝固后再噴涂下一層。由于支撐材料的存在，光敏樹脂可以在完全不受力的狀態(tài)下凝固成型，對于軟性材料的支持較其他打印方式具有很大優(yōu)勢。

(5)生物材料打?。菏褂眉?xì)胞或其他生物活性的材質(zhì)進(jìn)行打印，并使用特殊的黏合劑進(jìn)行粘連，最終實現(xiàn)具有生物活性的組織、器官的快速成型。這種打印方式尚處于實驗室研究階段，與臨床應(yīng)用尚有一段距離[12-15]。

由于以上打印方式各具特點，針對特定的臨床需求可使用不同的打印技術(shù)進(jìn)行快速成型。

2 3D打印在心血管診療中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印最初應(yīng)用于臨床是對復(fù)雜心血管病變進(jìn)行體外再現(xiàn)，使外科或介入醫(yī)師更直觀地了解心臟及大血管結(jié)構(gòu)的病變，從而進(jìn)行更充分的術(shù)前準(zhǔn)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印在心血管診療中正在發(fā)揮更多的作用，包括臨床訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)教育、個性化診療方案的制定甚至直接參與疾病的治療過程。

2.1 先天性心臟病 復(fù)雜先天性心臟病的術(shù)前準(zhǔn)備需要對心臟解剖結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確評估。以往心外科醫(yī)師主要通過超聲和其他影像學(xué)文字描述了解心臟病變情況，即使通過CT容積再現(xiàn)或3D超聲圖像也很難將解剖信息完全傳達(dá)給心外科醫(yī)師。同時，一些解剖畸形本身就難以描述[16]，需更為準(zhǔn)確形象的表達(dá)方式。3D打印模型可使外科醫(yī)師接觸到完整的影像學(xué)數(shù)據(jù)，且并不需要額外的學(xué)習(xí)時間，可極大地提高外科醫(yī)師術(shù)前對心臟解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。

CT、超聲和MR均可獲取心臟解剖結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同需求和研究對象可使用不同的影像學(xué)方法。2006年，Noecker等[17]應(yīng)用CT數(shù)據(jù)采集11例嬰幼兒的心臟3D數(shù)據(jù)，并進(jìn)行3D打印，成功獲取了所有患兒的心臟腔室模型，證實了心臟數(shù)據(jù)3D打印的可行性。2008年Kim等[18]對4例結(jié)構(gòu)性心臟病患者進(jìn)行3D打印，通過CT數(shù)據(jù)獲得心臟模型，成功實現(xiàn)了房間隔缺損、室間隔缺損、人工瓣周邊漏及主動脈假性動脈瘤的體外重建模型。在模型中進(jìn)行模擬操作，實現(xiàn)了個性化治療方案的制定。

Greil等[2]采用多排心臟CT和CMR對5例先天性心臟病患者進(jìn)行心臟掃描并使用SLA方法獲得高分辨率3D打印模型，證實CMR可以與CT一樣獲得滿意的3D模型。同時，SLA 3D打印的精度(約0.15 mm)高于MDCT及MR的掃描精度，其打印過程不會降低影像學(xué)成像的精度，獲得打印成品的測量誤差為(0.27±0.76)mm，可以實現(xiàn)對影像學(xué)數(shù)據(jù)的空間再現(xiàn)。

超聲心動圖是診斷先天性心臟病最常用的工具，對心內(nèi)結(jié)構(gòu)的顯示有較大優(yōu)勢。隨著三維超聲心動圖(three dimensional echocardiography, 3DE)的發(fā)展，超聲圖像分辨率提高，經(jīng)胸及經(jīng)食管3DE開始成為心臟3D打印的數(shù)據(jù)來源。Olivieri等[3]對9例先天性心臟病患者進(jìn)行3DE掃描重建，獲得3D打印模型，證實基于超聲的3D打印模型的誤差小于1 mm。

由于心臟是一個組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的器官，不同影像學(xué)對不同組織結(jié)構(gòu)的顯示各有優(yōu)勢。Gosnell等[4]使用心臟CT和3DE對心腔血池和瓣膜分別成像，并通過軟件后處理進(jìn)行拼接處理，獲得了心臟融合成像的模型，CT具有較高的密度分辨率和空間分辨率，而3DE對心內(nèi)軟組織及瓣膜的顯示更有優(yōu)勢。在先天性心臟病診療中使用多種影像技術(shù)進(jìn)行拼接成像進(jìn)行3D打印，將對完整心臟結(jié)構(gòu)的顯示提供更有指導(dǎo)意義的臨床資料。

2.2 心臟瓣膜病 隨著心臟瓣膜修復(fù)手術(shù)技術(shù)和瓣膜介入治療的發(fā)展，術(shù)前準(zhǔn)確評估心臟瓣膜的病變部位和程度對選擇合理的治療方式日益重要。3D打印在心臟瓣膜疾病的評估和治療中也發(fā)揮著重要作用。

房室瓣的3D模型重建多采用3DE作為數(shù)據(jù)源，Mahmood等[19]使用經(jīng)后處理的二尖瓣圖像成功重建了正常二尖瓣、二尖瓣狹窄及二尖瓣脫垂時的二尖瓣空間模型，對二尖瓣修復(fù)提供了重要的依據(jù)。Witschey等[20]使用經(jīng)食管3DE對4例不同二尖瓣病變的患者進(jìn)行三維重建，獲得了滿意的二尖瓣空間形態(tài)模型。二尖瓣裝置包括瓣膜、瓣環(huán)、腱索等，對二尖瓣瓣環(huán)的準(zhǔn)確評估是二尖瓣外科手術(shù)的重要依據(jù)。Owais等[21]使用三維超聲心動圖及3D打印技術(shù)獲得了二尖瓣瓣環(huán)的立體模型，達(dá)到了快速、準(zhǔn)確、形象地評估二尖瓣瓣環(huán)的目的。

經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置入術(shù)(transcatheter aortic valve implantation, TAVI)是治療主動脈瓣病變尤其是高齡患者主動脈瓣關(guān)閉不全的重要方法。TAVI創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，但易出現(xiàn)瓣周漏等并發(fā)癥，需進(jìn)行充分的術(shù)前準(zhǔn)備和術(shù)中監(jiān)測[22]。由于TAVI需評估主動脈瓣、主動脈竇及升主動脈情況，心臟CT血管造影是最適合的3D打印數(shù)據(jù)源。Ripley等[23]使用基于心臟CT的主動脈根部數(shù)據(jù)獲得3D打印模型，在模型中植入主動脈瓣并進(jìn)行周邊漏評估，證實在術(shù)前可使用3D打印技術(shù)對TAVI術(shù)后并發(fā)癥進(jìn)行一定程度的預(yù)測，進(jìn)而可優(yōu)化手術(shù)進(jìn)程、減少并發(fā)癥的發(fā)生。Fujita等[24]對1例病情復(fù)雜的TAVI患者術(shù)前進(jìn)行主動脈根部3D打印重建，在模型中進(jìn)行模擬導(dǎo)管操作及影像學(xué)顯像，證實對該患者可以進(jìn)行TAVI手術(shù)，從而規(guī)避了可能存在的風(fēng)險。

基于3D打印的成型方式，細(xì)胞、組織均可以作為打印材料進(jìn)行快速成型。生物學(xué)材料的優(yōu)勢在于可以最大程度地再現(xiàn)正常生理狀態(tài)下心臟瓣膜的結(jié)構(gòu)和功能，因此快速成型的人工生物瓣膜是3D打印研究的熱點。使用3D打印獲得支架并在表面進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)或直接使用細(xì)胞進(jìn)行AM成型均可獲得具有一定形態(tài)功能的心臟瓣膜結(jié)構(gòu)。Yamanami等[25-26]使用快速成型技術(shù)基于硅膠材料制作的主動脈瓣閥門樣裝置已經(jīng)成功植入家兔體內(nèi)，并具有類似生物主動脈瓣的功能，Kishimoto等[27]使用結(jié)締組織制作的無支架心臟瓣膜結(jié)構(gòu)植入山羊體內(nèi)也被證實存在理論上的可行性。但所有生物打印的研究均處于實驗室階段，距臨床應(yīng)用仍有較長一段距離。

2.3 大血管疾病 3D打印技術(shù)對于復(fù)雜主動脈疾病也具有重要的指導(dǎo)意義。Schmauss等[28]報道1例罕見的主動脈瘤手術(shù)，主動脈擴(kuò)張由升主動脈延伸至降主動脈，采用3D打印技術(shù)獲得了主動脈全程的三維模型，最終決定使用主動脈弓部血管置換及降主動脈支架的手術(shù)方式，并最終取得成功。Sodian等[29]應(yīng)用3D打印模型定制了一種線圈栓塞裝置，成功地通過介入治療封堵1例主動脈弓置換患者的手術(shù)縫合部位的殘余漏。在主動脈夾層、腹主動脈瘤等各種大血管疾病的個性化治療中，3D打印也起到了重要的作用。由于CT血管造影在空間分辨率和密度分辨率的優(yōu)勢，在大血管疾病3D打印中，CT是最主要的數(shù)據(jù)源[30-31]。

2.4 心律失常 心律失?；颊唠m然一般不涉及心臟結(jié)構(gòu)異常，但3D打印仍有一定的作用，Bauch等[32]基于CT成像獲得了心臟希氏束的空間形態(tài)，從而達(dá)到優(yōu)化起搏器電極位點的作用。在心房顫動患者中，3D打印發(fā)揮著更為重要的作用。由于心房顫動，左心耳內(nèi)易形成血栓導(dǎo)致腦卒中及其他部位栓塞[33-34]。因而經(jīng)導(dǎo)管左心耳封堵是防止心房顫動并發(fā)癥的重要方法。左心耳形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，對左心耳形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估是手術(shù)順利進(jìn)行的保障?；谛呐KCT或3D TEE可獲得左心耳的3D打印模型，對模型進(jìn)行空間形態(tài)評估和封堵器模擬釋放有助于確定術(shù)中使用封堵器大小、型號以及封堵方案的制定[35-36]。

3 3D打印的局限性

雖然3D打印在心血管疾病診療中的作用日益凸顯，但關(guān)于3D打印的作用，仍存有爭論。Mathur等[37]指出，3D打印模型基于影像學(xué)數(shù)據(jù)獲得，然而打印模型的獲取過程需要經(jīng)過多個后處理步驟，每一步后處理環(huán)節(jié)均可能導(dǎo)致最終成型的模型與原始數(shù)據(jù)差別增大。而使用未經(jīng)處理的圖像數(shù)據(jù)則很難獲得滿意的模型。同時3D打印自身仍存在一些的缺陷，如3D打印材料的物理性狀無法完全模擬心肌硬度等。由于心臟是一個不斷運動的器官，如何使用靜態(tài)的模型準(zhǔn)確模擬動態(tài)的心臟仍是3D打印在心血管應(yīng)用的局限。

在工藝時間和打印成本方面，2013年Tam等[38]報道打印一個腹主動脈瘤的經(jīng)濟(jì)成本為200～500美元，加上前期檢查耗時約10 h。隨著技術(shù)的發(fā)展和普及，3D打印的物料成本已有極大的減低，但建造一個精度較高的模型仍需花費較多的人力、物力。而打印出的模型除用于“觀看”和術(shù)前演練外還有何種潛在臨床價值，需進(jìn)一步探討。

4 3D打印的發(fā)展趨勢與展望

3D打印技術(shù)由于其快速直觀的特點，可以在心血管疾病的術(shù)前準(zhǔn)備中起重要的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，這一作用將會進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著影像學(xué)技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心血管3D打印的精度和仿真程度將會不斷提高。因此，3D打印在術(shù)前模擬仿真程度會有巨大的進(jìn)步，同時隨著虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的日益完善，有望與3D打印技術(shù)相結(jié)合，在心臟手術(shù)模擬及教學(xué)過程中將會發(fā)揮更重要的作用。生物3D打印是目前研究的熱點，且已經(jīng)實現(xiàn)了部分瓣膜、血管及心肌組織的生物打印[39-40]，雖然與臨床應(yīng)用仍有一段距離，但隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，材料學(xué)、生物學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉合作，生物3D打印獲得的組織器官必將應(yīng)用于心血管疾病的治療過程。

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