基于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的應用進展

魔猴君  行業(yè)資訊   2161天前

3D打印技術是基于三維數字化圖像分層加工材料（塑料、樹脂及金屬），疊加制作三維物體的新型尖端技術，又稱快速成型技術或3D打印技術。隨著醫(yī)學影像學的快速發(fā)展及材料加工行業(yè)的逐漸成熟，3D打印技術逐漸被應用到醫(yī)療行業(yè)，目前多應用于骨科、口腔科、整形外科及生物工程方面的基礎研究，但由于心血管疾病的特殊性，其在心臟領域的臨床應用尚處于起步階段。

3D打印技術主要包括獲取圖像、建模及實體打印三個步驟。超聲心動圖作為3D打印技術獲取圖像的重要手段之一，在心臟結構及功能的評估方面占有重要的優(yōu)勢。基于超聲數據的3D打印技術通過構建心臟疾病模型來實現術前評估、醫(yī)療裝置設計、血流動力學模擬及醫(yī)療教育，可以為臨床提供更準確、直觀的信息。

本文即對基于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的應用進展進行綜述。 

1. 3D打印技術與三維超聲心動圖 3D打印最關鍵的步驟是建立模型，目前研究應用的圖像數據大多通過CT或MRI建立。但CT檢查具有輻射性、價格昂貴，且部分病人對造影劑過敏；MRI檢查費時較長，對病人有選擇性。因此，基于CT或MRI的3D打印技術在心臟領域的臨床應用受到一定限制。而三維超聲心動圖是一種新的超聲成像模式，其測值與CT、MRI測值相關性較高，且在心臟功能及瓣膜運動的成像上較CT更有優(yōu)勢。 近年來三維超聲心動圖在心臟介入手術術中實時監(jiān)測和術后評估方面具有重要價值。結合三維超聲心動圖與3D打印技術可以構建一個真實的三維立體結構，有助于直觀地觀察心臟結構。Mahmood等第一次應用三維經食管超聲心動圖的數據集，成功打印二尖瓣環(huán)，證實三維超聲較CT和MRI可以應用于心臟疾病的常規(guī)臨床診療中?；诔晹祿?D打印模型不僅可以呈現心臟立體解剖結構，并且可以為介入醫(yī)師和心外科醫(yī)師提供體外手術演練及風險評估的機會。 

2.基于超聲數據的3D打印技術步驟 

1）獲取圖像：應用經胸或經食管三維容積探頭，清晰獲取二維灰階后使用“4DZOOM”功能獲取感興趣區(qū)的三維DICOM原始數據，并在工作站上轉換為DICOM格式。 

2）建模：應用Matlab軟件獲取斷層信息后使用Mimics innovation suite 17.0對數據進行灰階反轉、閾值分割、編輯3Dmask（感興趣區(qū)的輪廓掩膜）、交互式分割手動去噪及計算三維模型等后續(xù)工藝，以STL格式保存。 

3）實體打?。簩TL格式的圖像導入打印機中，得到感興趣區(qū)域的3D模型。 

3.基于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的臨床應用 

1）左心耳封堵術 胚胎時期的左房主要是由原始肺靜脈及其分支融合而成，左心耳是胚胎時期左房的殘留，其是心臟血栓的好發(fā)部位，經食管超聲心動圖發(fā)現在非瓣膜性心房顫動病人中超過90%的血栓均位于左心耳，左心耳封堵術是預防心房顫動相關腦梗死的治療手段之一。左心耳空間解剖結構變異性較大，單葉、雙葉、三葉及四葉左心耳分別占總數的20%、54%、23%及3%；在CT和MRI中，左心耳的形態(tài)被分為雞翅型（48%）、仙人掌型（30%）、風向標型（19%）及菜花型（3%）。因此，準確了解左心耳形態(tài)、大小及其與周邊組織結構關系的變異性在左心耳封堵術的臨床決策中至關重要。 

加丹等通過對比超聲與CT重建左心耳3D模型的數據，發(fā)現超聲在評估左心耳大小、形態(tài)方面與CT的一致性較高，證實三維超聲可以提供3D打印左心耳的數據集。Song等研究表明基于超聲數據的3D打印技術打印左心耳模型準確可行，該模型對左心耳形態(tài)、分類與CT結果一致性較強。基于超聲數據的3D打印左心耳模型具有容易獲取數據、準確后續(xù)工藝、實現模擬操作的優(yōu)點，有望為左心耳封堵術提供個體化診療方案。Pellegrino等研究證實了基于造影及經食管超聲心動圖打印的左心耳3D模型有助于左心耳封堵術中封堵盤大小及放置位置的選擇。

Liu等研究表明基于超聲數據的3D打印模型通過術前模擬可以讓介入醫(yī)師充分考慮到影響封堵器釋放的因素（如左心耳內徑、深度、葉數及梳狀肌厚度），在前期預測手術難度和并發(fā)癥方面要優(yōu)于單純的二維超聲圖像，3D模型可以為介入醫(yī)師的手術計劃和決策提供快速評估。Fan等報道了1例基于超聲數據的3D打印模型成功指導介入醫(yī)師制定雙葉左心耳封堵方案的病例，該例病人左心耳為雙葉解剖結構，以后葉為主，前葉為輔，應用封堵盤同時封堵兩個葉手術難度較大，通過經食管超聲心動圖獲取左心耳動態(tài)影像學數據，使用3D打印技術打印出模型并進行模擬手術，從而找到合適的封堵位置，術后證實封堵盤的位置與術前模擬的位置完全吻合，證實了3D打印模型指導左心耳封堵術的優(yōu)勢，尤其對于復雜解剖結構的左心耳。 宋宏寧等使用基于超聲數據的3D打印技術建立左心耳封堵模擬系統(tǒng)，體外模擬封堵器的選擇和釋放，并通過微型水泵模擬左心耳血流動力學狀態(tài)，評估封堵器釋放后有無殘余漏，增強了左心耳封堵術前評估及演練的效果。 

2）心臟瓣膜病 心臟瓣膜結構精細，可以控制血液在心臟中的流動方向，具有重要的生理功能。引起心臟瓣膜病變的原因主要有先天性和后天性兩種，后者還包括風濕性、感染性及退行性等瓣膜病變。隨著醫(yī)學的發(fā)展，老齡人口的增多，退行性病變引起的瓣膜性心臟病病人逐年增多。 

目前治療瓣膜性心臟病的方法不僅包括外科手術治療，還包括經導管主動脈瓣置入術等介入方法。為了確保手術的成功率，術前影像學的精準評估至關重要。瓣膜病病人心臟血流動力學受損，傳統(tǒng)的外科開胸手術下直視評估心臟瓣膜是在體外循環(huán)心臟停搏的情況下進行，微創(chuàng)或介入手術僅能看到有限或未直接暴露的瓣膜，均不能單獨評估瓣膜形態(tài)對瓣膜功能的影響，但3D技術打印出的心臟瓣膜模型可以提供體外血流動力學仿真模擬。 

經食管超聲心動圖是獲取瓣膜動態(tài)圖像的常規(guī)方法，由于其三維圖像空間和時間分辨率較高，生成的動態(tài)三維圖像被認為優(yōu)于傳統(tǒng)外科手術心臟停搏時的瓣膜圖像，因此三維超聲圖像可以作為3D打印的數據源。Mahmood等研究表明，應用超聲數據進行3D打印正常及病理的二尖瓣環(huán)模型較超聲圖像可以更詳細地傳達臨床信息，有利于臨床醫(yī)師評估瓣環(huán)病理改變及修復術后的變化。 Owais等通過基于超聲數據的3D打印技術打印出病人個體化的二尖瓣環(huán)，更好地評估了術前二尖瓣環(huán)幾何構造、大小及形狀。Mahmood等根據經食管超聲心動圖獲取二尖瓣的動態(tài)影像學數據，通過3D打印技術打印出二尖瓣收縮期及舒張期的實體模型，證實超聲圖像可以作為瓣膜3D打印的數據源，應用3D打印正常、缺血性及附帶黏液瘤的二尖瓣均可行。

Muraru等研究也證明基于三維超聲的數據可以打印病人個體化三尖瓣。Witschey等提出基于超聲數據的3D打印技術打印出二尖瓣模型可以實現二尖瓣成形術術前操作演練，從而制定合理的手術方案。基于超聲數據的3D打印技術除有利于瓣膜手術術前演練、制定手術方案等方面，在術后并發(fā)癥發(fā)生及嚴重度的預估方面也占有優(yōu)勢。Olivieri等應用基于超聲數據的3D打印技術打印出主動脈瓣瓣周漏的模型，為選擇下一步診療方案提供了參考。 

3）先天性心臟病 先天性心臟病主要包括簡單型和復雜型兩種類型。對于簡單型先天性心臟?。ㄈ绶块g隔缺損、室間隔缺損及動脈導管未閉），目前大多由傳統(tǒng)的手術治療改為介入治療，但對于多發(fā)、形態(tài)不規(guī)則的缺損，在選擇合適的封堵方案上存在困難，需要更詳細直觀的影像學評估。對于復雜型先天性心臟病（如法洛四聯(lián)癥、大動脈轉位及右室雙出口等），因其空間結構復雜，即便結合多種影像學檢查，仍存在漏、誤診等情況。而基于超聲的3D打印模型不僅可以幫助手術醫(yī)師選擇合適的裝置及手術路徑，還可以提高手術效率、降低輻射暴露及手術并發(fā)癥的發(fā)生，進而改善手術治療效果。臨床證實基于超聲數據的3D打印先天性心臟病模型不僅安全、有效，還可以實現數據個體化。 

梅丹娥等發(fā)現基于超聲數據進行3D打印的房間隔缺損模型與術中封堵器型號相關性高，證實基于經食管超聲心動圖可以作為3D打印的數據源。Olivieri等應用經胸超聲心動圖得到8例室間隔缺損病人的超聲圖像并進行分析建模，展現了基于超聲數據的3D打印模型可以精準地反映室間隔缺損的解剖結構。Zhu等應用經胸超聲心動圖數據成功打印了心內膜墊缺損2例、房間隔缺損2例、法洛四聯(lián)癥1例及室間隔缺損1例的3D模型，通過模型可以清晰顯示心臟病變結構，與術中所見一致。 

對于多發(fā)且形態(tài)不規(guī)則的缺損和解剖結構復雜的先天性心臟病，超聲單模態(tài)成像不足以提供足夠的可視化信息，而結合CT、MRI等進行多模態(tài)成像可以增加重建病理結構的可能性，提高了3D模型的質量和準確性。Gosnell等選擇1例定期隨訪的55歲男性病人作為研究對象，該病人心臟形態(tài)復雜，合并矯正型大動脈轉位、室間隔缺損、肺動脈閉鎖多種畸形，于嬰兒期行B-T分流術，于16歲修復了左室到肺動脈的通道，在40歲時安裝永久起搏器，并封堵了1.7 cm的房間隔缺損，研究者結合該病人評估術后并發(fā)癥的CT圖像及評估瓣膜反流程度的經食管三維超聲圖像進行融合3D打印，精確地反映了該病例心臟畸形結構，表明多模態(tài)成像進行3D打印可行，但因樣本量僅1例，在評價融合3D打印對選擇手術方案的影響方面，大樣本的臨床隨機對照實驗還有待研究。 

邱旭等通過結合21例多發(fā)型房間隔缺損病人的CT及三維超聲圖像，3D打印心臟模型并進行模擬封堵測試從而確定封堵方案，均成功行封堵治療，術后隨訪1個月無明顯并發(fā)癥。 

4.基于超聲數據的3D打印技術在醫(yī)患溝通與教育方面的應用 基于超聲數據的3D打印模型除可以幫助臨床醫(yī)師模擬手術進而優(yōu)化手術方案，還可以輔助臨床醫(yī)師進行醫(yī)患溝通，同時也在醫(yī)學教育方面占有重要的地位。3D打印模型的出現可以更生動立體地向病人及其家屬展示這種疾病及手術方案，有利于病人及家屬理解手術的過程及存在的并發(fā)癥。在醫(yī)學教育方面，3D打印模型增加醫(yī)學生對心臟正常及異常解剖結構的理解，提高醫(yī)學生的空間定位能力。 

Loke等通過3D打印技術打印出法洛四聯(lián)癥模型對18例醫(yī)學生進行授課，并與17例僅學習了二維圖像的醫(yī)學生進行比較，發(fā)現通過3D模型進行學習的學生對教學滿意度明顯增加。除此之外，隨著獲取解剖尸體難度增加，因3D打印模型不涉及倫理問題，其在解剖教學方面的應用存在巨大潛能。 

5.基于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的不足與展望 三維超聲發(fā)展的時間尚短，3D打印技術在心血管領域的應用也較少，基于超聲數據的3D打印技術在心血管領域應用空間巨大，有待開發(fā)，打印具有生物活性的組織或結構直接應用于人體是未來的發(fā)展方向。由于心臟結構和功能的復雜性，目前只能局限于打印一些簡單的結構。

現階段基于超聲的3D打印技術仍存在以下局限性：

①三維超聲的分辨率仍有待提高，以便顯示心臟更細微的結構；

②心臟及其內部結構是動態(tài)的，而目前打印出的模型都是靜態(tài)的；

③目前打印心臟的材料大部分為硬質材料，不能精確地反映心肌組織的柔軟度；

④國內外缺乏大樣本臨床實驗證明其臨床可用性及安全性。

綜上所述，三維超聲可以為3D打印左心耳、心臟瓣膜及先天性心臟病提供數據源，基于超聲數據的3D打印模型不僅可以實現模擬治療，還可以輔助醫(yī)患溝通和醫(yī)學教育，其在心血管領域的進一步應用潛能尚有待開發(fā)。

來源：中國3D打印網