1.3D打印概況

 

    3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，應(yīng)用粉末狀金屬或塑料等可成型材料，通過逐層疊加成型的方式來構(gòu)造實物模型的技術(shù)，其打印精度高，并可以實現(xiàn)個體化制造。醫(yī)用3D打印始于骨科、器官移植及整形外科等專業(yè)，隨著個體化心臟介入治療的開展及3D打印技術(shù)的不斷提高，近年來在心血管領(lǐng)域也展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。Lazkani等為了使個體化心臟介入手術(shù)更安全、有效地進行，打印出1例心梗后室間隔缺損患者心臟的3D模型，該模型能從左室面和右室面全面、直觀展示室間隔缺損的形態(tài)、大小、數(shù)目及周邊結(jié)構(gòu)（如肺動脈瓣、主動脈瓣的情況），臨床醫(yī)師根據(jù)模型提前選擇封堵器型號，進行術(shù)前演練，分析手術(shù)方法與途徑，最終手術(shù)成功。

 

    Dankowsk等打印出1例功能性二尖瓣反流患者的心臟模型，通過3D模型可多角度清晰顯示心內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)（左房、左室、二尖瓣瓣葉、瓣環(huán)及乳頭肌等），應(yīng)用于經(jīng)皮二尖瓣環(huán)成形術(shù)術(shù)前模擬介入治療，通過在模型中確定導(dǎo)線、導(dǎo)絲的型號、最佳放置位置及手術(shù)途徑，證實了3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)性心臟病介入手術(shù)中的臨床價值。

 

 

    2.基于超聲圖像3D打印技術(shù)在心臟疾病診療中的優(yōu)勢及具體流程

 

    （1）基于超聲圖像3D打印技術(shù)在心臟疾病診療中的優(yōu)勢

 

    超聲心動圖能對心臟組織直接成像，可實時動態(tài)監(jiān)測感興趣區(qū)在心動周期中的變化情況，在心臟疾病的診斷及治療中均已廣泛應(yīng)用。隨著個體化介入治療的開展，新興的3D打印技術(shù)進入心臟疾病診療領(lǐng)域，不僅能夠提供更加全面、直觀的視覺感受，提高心臟疾病診斷精度，還能提供觸覺感受，使術(shù)者更加真實地理解手術(shù)過程中由于外界壓力導(dǎo)致組織產(chǎn)生的位移和形變，進行術(shù)前規(guī)劃及術(shù)中導(dǎo)航，提高手術(shù)成功率。目前較多研究以CT、MRI為數(shù)據(jù)源進行3D打印，相對CT、MRI，超聲圖像分辨率高，對于心內(nèi)軟組織及薄膜樣結(jié)構(gòu)的顯示有獨特優(yōu)勢，操作簡單且不涉及輻射及藥物使用，因此基于超聲圖像3D打印技術(shù)在心臟疾病診療中有較高的應(yīng)用價值。

 

    （2）基于超聲圖像3D打印技術(shù)的具體流程

 

    1）3D超聲容積醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digitalimagingcommunicationinmedicine，DICOM）圖像的獲取?；诔晥D像3D打印技術(shù)的首要條件是獲取感興趣區(qū)3DDICOM原始數(shù)據(jù)，3D超聲容積圖像即為這類數(shù)據(jù)，通過設(shè)置最佳參數(shù)可獲得精細(xì)度和分辨率均較高的圖像待后續(xù)處理。隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，三維超聲心動圖被證實可以作為3D打印的可靠數(shù)據(jù)源，已有研究成功應(yīng)用超聲三維容積圖像作為數(shù)據(jù)源打印出房間隔缺損、二尖瓣及左心耳等3D模型。

 

    2）3D圖像后處理，獲取標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語言（standardtessellationlanguage，STL）格式文件。圖像分割即為把圖像分成若干個特定的、具有獨特性質(zhì)的區(qū)域并提取出感興趣區(qū)的過程。常用的后期處理軟件主要有Mimics、Materialise、OsriX及MeshLab等。閾值分割是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最常用的圖像分割方法，通過設(shè)定不同的特征閾值，把圖像像素點分為若干類，保留圖像中特征閾值范圍內(nèi)的信息。對于閾值分割不能完全分離的區(qū)域，通過交互式分割等方法進一步處理，去除干擾圖像內(nèi)容及噪聲信號，經(jīng)上述處理后的最終感興趣區(qū)數(shù)據(jù)以STL格式文件進行保存，并輸出至3D打印機。

 

    3）將STL格式文件輸出至3D打印機獲取模型。3D模型的構(gòu)建依賴于2D薄型層面堆積轉(zhuǎn)為3D實體的技術(shù)，即將整個三維模型沿水平面切割成一定數(shù)量的二維薄片，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料生成相應(yīng)空間實物模型。目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常用的打印方式主要為選擇性激光燒結(jié)成型、熔融沉積成型、立體光固化成型、聚合物噴射成型及生物材料打印等。不同打印方式成型特點及所選取的打印材料各不相同，可根據(jù)實際需求選擇不同打印材料及打印方式獲取滿意的3D模型。

 

    3.基于超聲圖像3D打印技術(shù)在心臟疾病診療中的應(yīng)用現(xiàn)狀

 

    心臟疾病種類繁多，而每一類疾病所包含心臟解剖結(jié)構(gòu)的改變也復(fù)雜多樣，治療方式與難度差別很大。3D打印技術(shù)具有標(biāo)準(zhǔn)化建模和個體化制造等優(yōu)點，在先天性心臟病、心臟瓣膜病及心律失常等疾病的診療中日益發(fā)揮重要作用。

 

    （1）3D打印技術(shù)在先天性心臟病中的應(yīng)用

 

    1）單純先天性心臟病。主要包括房間隔缺損、室間隔缺損及動脈導(dǎo)管未閉等。3D打印技術(shù)基于超聲圖像打印出實物模型，能更加直觀、準(zhǔn)確及全面地再現(xiàn)心內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)，360°顯示病變部位及其周圍情況，為臨床醫(yī)師提供更多診斷信息。Samuel等將房間隔缺損3D超聲容積圖像經(jīng)分割、重建等處理制作出3D模型，該模型準(zhǔn)確、全面地顯示房間隔缺損患者的心內(nèi)結(jié)構(gòu)，證實了以超聲圖像作為數(shù)據(jù)源進行3D打印的可行性及其臨床應(yīng)用價值。Faganello等基于超聲圖像打印出1例繼發(fā)孔型房間隔缺損模型，在3D模型中測得其大小為10cm×6cm，與原始超聲圖像中所測量的大小相同。

 

    Olivieri等采集8例室間隔缺損患者的3D超聲心動圖圖像，以1∶1的比例打印出3D模型，并測量室間隔缺損形態(tài)學(xué)參數(shù)，與二維超聲心動圖中相應(yīng)數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果顯示3D打印模型精準(zhǔn)度較高，誤差小于1mm。上述研究證實3D打印模型能準(zhǔn)確展示出室間隔缺損形態(tài)、大小、數(shù)目及其周圍結(jié)構(gòu)，可有效提高先天性心臟病的診斷精度。除提供診斷信息外，3D打印技術(shù)對于單純先天性心臟病個體化介入治療方案的規(guī)劃和決策也有重要作用。邱旭等將三維超聲心動圖及CT所獲取的影像學(xué)資料經(jīng)過后處理軟件進行三維拼接、重建，并用硅膠打印出心臟模型，在3D模型中進行體外房間隔缺損封堵測試，選擇封堵器型號及封堵位置，術(shù)中證實選用的封堵器型號及置入位置均適宜，患者預(yù)后良好，解決了多發(fā)型房間隔缺損介入封堵治療中封堵器置入困難、殘余分流率高的難題，具有重要的臨床應(yīng)用價值。

 

 

    2）復(fù)雜先天性心臟病。主要包括法洛四聯(lián)癥、大動脈轉(zhuǎn)位等，鑒于這類疾病的復(fù)雜性，即使對其做了全面影像學(xué)檢查，仍然可能丟失關(guān)鍵的診斷信息，導(dǎo)致漏診或誤診。Loke等以法洛四聯(lián)癥患兒的經(jīng)食道三維超聲心動圖為數(shù)據(jù)源打印出3D模型，運用調(diào)查問卷的方式，對比通過影像學(xué)圖像與3D模型對法洛四聯(lián)癥的認(rèn)識情況，結(jié)果顯示臨床醫(yī)師通過3D打印模型對法洛四聯(lián)癥的理解更深刻、全面。法洛四聯(lián)癥3D打印模型可多角度、清晰地顯示感興趣區(qū)的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)模型推斷右室流出道狹窄程度與患兒臨床癥狀之間的關(guān)系，有望通過3D打印模型提高復(fù)雜先天性心臟病的診斷精度。

 

    另外，在復(fù)雜先天性心臟病中，以單一影像學(xué)技術(shù)作為數(shù)據(jù)源進行3D打印可能無法完整精細(xì)的顯示病理結(jié)構(gòu)，而使用兩種或多種數(shù)據(jù)源進行3D打印，可有效發(fā)揮各種成像方式的優(yōu)勢，增加病變結(jié)構(gòu)可視化程度。Gosnell等通過采集1例矯正型大動脈轉(zhuǎn)位、室間隔缺損及肺動脈閉鎖患者的心臟CT和超聲圖像，經(jīng)圖像拼接、分割處理，將影像學(xué)資料轉(zhuǎn)化成實體模型，該模型精準(zhǔn)度較高，直觀、精細(xì)再現(xiàn)了患者的病理結(jié)構(gòu)。除此之外，3D打印模型能全方位顯示手術(shù)視角，并為外科醫(yī)師提供術(shù)前演練的場所，進而提高手術(shù)成功率。總之，3D打印技術(shù)可以使臨床醫(yī)師在深刻理解病變部位三維空間關(guān)系的基礎(chǔ)上做出更加合理準(zhǔn)確的診斷，為復(fù)雜先天性心臟病的治療提供幫助。

 

    （2）3D打印技術(shù)在心臟瓣膜病中的應(yīng)用

 

    心臟瓣膜病是由于各種原因引起的心臟瓣膜結(jié)構(gòu)或（和）功能的改變，通常伴有血流動力學(xué)的異常。各種影像學(xué)方法中，超聲對于心臟瓣膜的顯示有獨特優(yōu)勢，隨著個體化介入治療的開展，基于超聲圖像3D打印技術(shù)在心臟瓣膜疾病診治中的應(yīng)用越來越廣泛。

 

    1）精準(zhǔn)評估瓣膜解剖結(jié)構(gòu)及生理功能。心臟瓣膜解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)，具有重要的生理功能，對其形態(tài)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確顯示及血流動力學(xué)的研究成為熱點。3D打印技術(shù)能精準(zhǔn)構(gòu)建出心臟瓣膜，此外通過體外血流動力學(xué)評估體系的建立，還可以應(yīng)用3D打印心臟瓣膜模擬在體瓣膜血流動力學(xué)狀態(tài)，以便更好地理解瓣膜的解剖及動態(tài)特征。Mahmood等使用經(jīng)后處理的正常二尖瓣、缺血性二尖瓣及黏液樣變性二尖瓣動態(tài)三維超聲心動圖容積圖像，應(yīng)用立體光固化成型方式打印出3種不同形態(tài)二尖瓣模型，全程僅用90min，打印出的瓣膜高度保留和復(fù)制了原始超聲圖像信息，為正常及病變二尖瓣解剖結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識提供了直觀模型。

 

 

    Muraru等將三尖瓣超聲容積圖像進行后處理，制作出3D模型，并在3D模型上測量其形態(tài)學(xué)參數(shù)（穹窿部高度及容積，瓣環(huán)左右徑、前后徑、周長及面積等），與三維超聲心動圖中所獲取的相應(yīng)參數(shù)對比，3D打印模型與三維超聲心動圖中三尖瓣形態(tài)學(xué)參數(shù)測值間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義且相關(guān)性較高，驗證了3D打印三尖瓣模型的精準(zhǔn)度，為其形態(tài)結(jié)構(gòu)的全面理解和個體化介入治療奠定良好基礎(chǔ)。3D打印模型除了可完成形態(tài)還原外，還可以模擬瓣膜功能。Mashari等基于超聲圖像，以硅膠為材料打印出個體化二尖瓣模型，將其置于體外血流動力學(xué)模擬系統(tǒng)內(nèi)，獲取二尖瓣壓力時間曲線、跨瓣壓差及瓣口血流頻譜，并通過血流頻譜測量壓力半降時間及二尖瓣瓣口面積，與患者實際超聲參數(shù)進行比較，結(jié)果表明3D打印二尖瓣模型與在體二尖瓣生理參數(shù)無差異，證實3D打印模型不僅能在解剖學(xué)上高度復(fù)制實體瓣膜結(jié)構(gòu)，還能從功能學(xué)上模擬在體瓣膜血流情況。

 

    2）心臟瓣膜病個體化介入治療中的應(yīng)用。隨著醫(yī)療水平的提高，個體化瓣膜介入手術(shù)，如經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置入術(shù)（transcatheteraorticvalveimplantation，TAVI）、經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣成形術(shù)（transcathetermitralvalvuloplasty，TMVP）均已廣泛應(yīng)用于臨床。3D打印模型在術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航及術(shù)后療效評估方面均有一定臨床價值。

 

    個體化心臟瓣膜病的治療中，精準(zhǔn)合理的手術(shù)規(guī)劃是決定手術(shù)效果的重要前提。Vukicevic等通過將CT與超聲圖像的融合，以不同硬度和彈性的材料打印出正常的二尖瓣、鈣化的二尖瓣，并構(gòu)建了完整的左室及包括腱索、乳頭肌在內(nèi)的二尖瓣裝置，成功完成二尖瓣鉗夾術(shù)、二尖瓣穿孔封堵術(shù)等的模擬操作，根據(jù)術(shù)前操作中遇到的問題優(yōu)化手術(shù)方案，成功進行治療，并縮短了手術(shù)時間。

 

    在二尖瓣成形術(shù)中，選取適宜的二尖瓣裝置至關(guān)重要，臨床對人工瓣環(huán)尺寸及類型的選擇多依賴于影像學(xué)資料及外科醫(yī)師的經(jīng)驗性判斷，為了使成形術(shù)更加有效進行，Owais等基于超聲容積圖像，用塑料打印出二尖瓣環(huán)3D模型，進行術(shù)前演練，為術(shù)中最佳二尖瓣裝置的選擇提供了準(zhǔn)確可行的方法。國內(nèi)學(xué)者采集主動脈瓣CT及3D超聲圖像，構(gòu)建出完整心臟及主動脈瓣模型，成功為1例77歲高齡的主動脈瓣重度狹窄合并關(guān)閉不全患者實施了TAVI手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航，且手術(shù)時間僅1h，術(shù)中X線暴露時間較以往手術(shù)明顯縮短。

 

    瓣膜手術(shù)存在較多并發(fā)癥，其中殘余瓣周漏較為常見，對瓣周漏程度的準(zhǔn)確評估決定后續(xù)操作，3D打印技術(shù)在瓣膜術(shù)后療效及并發(fā)癥的評價中有一定優(yōu)勢。Olivieri等制作出8例室間隔缺損及主動脈瓣瓣周漏的3D模型，在3D模型及其二維超聲心動圖采集的圖像上對瓣周漏的徑線進行測量，結(jié)果顯示3D打印模型精準(zhǔn)度高，能夠準(zhǔn)確評估瓣周漏的大小及周圍結(jié)構(gòu)，為后續(xù)治療提供較高參考價值。

 

    （3）3D打印技術(shù)在心律失常中的應(yīng)用

 

    目前，已有研究報道3D打印技術(shù)在心律失常治療過程中的應(yīng)用。心房顫動是最常見的心律失常之一，容易引起腦梗死。經(jīng)導(dǎo)管左心耳封堵術(shù)是降低心腦血管事件的有效手段，對左心耳解剖結(jié)構(gòu)的深刻理解、封堵器的準(zhǔn)確選擇是封堵術(shù)成功的關(guān)鍵。新型的3D打印技術(shù)在左心耳封堵術(shù)中展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值。Obasare等基于超聲圖像打印出左心耳模型，選取21mm封堵器在3D模型上進行術(shù)前模擬操作，術(shù)中根據(jù)選擇的封堵器進行左心耳封堵并獲得成功，手術(shù)時間明顯縮短，術(shù)后無相關(guān)并發(fā)癥。

 

    Fan等采集1例雙葉左心耳三維圖像，以硅膠打印出3D模型，并應(yīng)用于術(shù)前模擬操作，通過兩次調(diào)整封堵方案，最終選取適合型號的封堵器將左心耳兩個分葉成功封堵。研究基于超聲圖像打印出10例左心耳心壁及心腔模型，在心腔模型觀察左心耳形態(tài)結(jié)構(gòu)，心壁模型進行解剖徑線的測量及術(shù)前演練，并在此基礎(chǔ)上進行左心耳封堵術(shù)前模擬系統(tǒng)的建立和評估，結(jié)果表明3D打印模型能精準(zhǔn)、直觀地展示左心耳的解剖細(xì)節(jié)，在3D打印模型中封堵器置入效果較好，能為外科醫(yī)師提供參考，使基于經(jīng)食道三維超聲心動圖和3D打印技術(shù)的左心耳封堵術(shù)前模擬系統(tǒng)可以實現(xiàn)左心耳封堵的術(shù)前演練及評估，成為左心耳封堵術(shù)前準(zhǔn)備的重要補充。

 

    

 

    

 

    4.基于超聲圖像3D打印技術(shù)的局限性

 

    基于超聲圖像3D打印技術(shù)在心臟疾病的診療中發(fā)揮重要作用，但仍然存在一定局限性：①超聲對心內(nèi)薄膜樣結(jié)構(gòu)的顯示存在優(yōu)勢，但對心外解剖結(jié)構(gòu)的清晰展現(xiàn)存在限制，在心臟腫瘤中無法全面顯示腫瘤邊界、縱隔轉(zhuǎn)移情況，因此，目前仍多以CT圖像進行后處理，獲取心臟腫瘤3D模型，用于臨床診斷及手術(shù)指導(dǎo)；②3D打印多次后處理過程中可能會過濾掉細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最終獲取模型與原始數(shù)據(jù)間的細(xì)小差異，Mathur等打印出的主動脈根部3D模型由于多次后處理丟失部分信息，構(gòu)建的模型中存在較多空隙；③3D打印技術(shù)應(yīng)用靜態(tài)模型模擬動態(tài)實體，無法直觀、便捷地評價心臟的動態(tài)特征。

 

    5.基于超聲圖像3D打印技術(shù)的展望

 

    隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，原始圖像質(zhì)量將得到進一步優(yōu)化，以超聲圖像為數(shù)據(jù)源的3D打印技術(shù)精準(zhǔn)度也會隨之提高；另外，隨著3D打印材料的突破，可尋找到與心臟組織硬度、彈性等物理參數(shù)高度一致的材料進行打印，進而制作出更加仿真的模型，使其在心臟疾病的臨床診斷、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中監(jiān)測及術(shù)后評估等環(huán)節(jié)中的作用得到進一步加強。

 

    綜上所述，3D打印技術(shù)作為影像學(xué)資料與實物間的橋梁，在先天性心臟病、心臟瓣膜病及心律失常等心臟疾病中的應(yīng)用將越來越廣泛，可為臨床診療提供重要信息。