基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)在心臟領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

魔猴君  行業(yè)資訊   2130天前

3D打印技術(shù)是基于三維數(shù)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(shù)，又稱快速成型技術(shù)或3D打印技術(shù)。隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)的快速發(fā)展及材料加工行業(yè)的逐漸成熟，3D打印技術(shù)逐漸被應(yīng)用到醫(yī)療行業(yè)，目前多應(yīng)用于骨科、口腔科、整形外科及生物工程方面的基礎(chǔ)研究，但由于心血管疾病的特殊性，其在心臟領(lǐng)域的臨床應(yīng)用尚處于起步階段。

3D打印技術(shù)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(shù)獲取圖像的重要手段之一，在心臟結(jié)構(gòu)及功能的評估方面占有重要的優(yōu)勢。基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)通過構(gòu)建心臟疾病模型來實現(xiàn)術(shù)前評估、醫(yī)療裝置設(shè)計、血流動力學(xué)模擬及醫(yī)療教育，可以為臨床提供更準(zhǔn)確、直觀的信息。

本文即對基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)在心臟領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。 

1. 3D打印技術(shù)與三維超聲心動圖 3D打印最關(guān)鍵的步驟是建立模型，目前研究應(yīng)用的圖像數(shù)據(jù)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(shù)在心臟領(lǐng)域的臨床應(yīng)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(guān)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(shù)術(shù)中實時監(jiān)測和術(shù)后評估方面具有重要價值。結(jié)合三維超聲心動圖與3D打印技術(shù)可以構(gòu)建一個真實的三維立體結(jié)構(gòu)，有助于直觀地觀察心臟結(jié)構(gòu)。Mahmood等第一次應(yīng)用三維經(jīng)食管超聲心動圖的數(shù)據(jù)集，成功打印二尖瓣環(huán)，證實三維超聲較CT和MRI可以應(yīng)用于心臟疾病的常規(guī)臨床診療中。基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印模型不僅可以呈現(xiàn)心臟立體解剖結(jié)構(gòu)，并且可以為介入醫(yī)師和心外科醫(yī)師提供體外手術(shù)演練及風(fēng)險評估的機(jī)會。 

2.基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)步驟 

1）獲取圖像：應(yīng)用經(jīng)胸或經(jīng)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(shù)據(jù)，并在工作站上轉(zhuǎn)換為DICOM格式。 

2）建模：應(yīng)用Matlab軟件獲取斷層信息后使用Mimics innovation suite 17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行灰階反轉(zhuǎn)、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）實體打印：將STL格式的圖像導(dǎo)入打印機(jī)中，得到感興趣區(qū)域的3D模型。 

3.基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)在心臟領(lǐng)域的臨床應(yīng)用 

1）左心耳封堵術(shù) 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(jīng)食管超聲心動圖發(fā)現(xiàn)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(shù)是預(yù)防心房顫動相關(guān)腦梗死的治療手段之一。左心耳空間解剖結(jié)構(gòu)變異性較大，單葉、雙葉、三葉及四葉左心耳分別占總數(shù)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(fēng)向標(biāo)型（19%）及菜花型（3%）。因此，準(zhǔn)確了解左心耳形態(tài)、大小及其與周邊組織結(jié)構(gòu)關(guān)系的變異性在左心耳封堵術(shù)的臨床決策中至關(guān)重要。 

加丹等通過對比超聲與CT重建左心耳3D模型的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)集。Song等研究表明基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)打印左心耳模型準(zhǔn)確可行，該模型對左心耳形態(tài)、分類與CT結(jié)果一致性較強。基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印左心耳模型具有容易獲取數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確后續(xù)工藝、實現(xiàn)模擬操作的優(yōu)點，有望為左心耳封堵術(shù)提供個體化診療方案。Pellegrino等研究證實了基于造影及經(jīng)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(shù)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(shù)據(jù)的3D打印模型通過術(shù)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(nèi)徑、深度、葉數(shù)及梳狀肌厚度），在前期預(yù)測手術(shù)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(shù)計劃和決策提供快速評估。Fan等報道了1例基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印模型成功指導(dǎo)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(jié)構(gòu)，以后葉為主，前葉為輔，應(yīng)用封堵盤同時封堵兩個葉手術(shù)難度較大，通過經(jīng)食管超聲心動圖獲取左心耳動態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)，使用3D打印技術(shù)打印出模型并進(jìn)行模擬手術(shù)，從而找到合適的封堵位置，術(shù)后證實封堵盤的位置與術(shù)前模擬的位置完全吻合，證實了3D打印模型指導(dǎo)左心耳封堵術(shù)的優(yōu)勢，尤其對于復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的左心耳。 宋宏寧等使用基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)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(xué)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(shù)前評估及演練的效果。 

2）心臟瓣膜病 心臟瓣膜結(jié)構(gòu)精細(xì)，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(fēng)濕性、感染性及退行性等瓣膜病變。隨著醫(yī)學(xué)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(shù)治療，還包括經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置入術(shù)等介入方法。為了確保手術(shù)的成功率，術(shù)前影像學(xué)的精準(zhǔn)評估至關(guān)重要。瓣膜病病人心臟血流動力學(xué)受損，傳統(tǒng)的外科開胸手術(shù)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(jìn)行，微創(chuàng)或介入手術(shù)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(shù)打印出的心臟瓣膜模型可以提供體外血流動力學(xué)仿真模擬。 

經(jīng)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(rèn)為優(yōu)于傳統(tǒng)外科手術(shù)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(shù)據(jù)源。Mahmood等研究表明，應(yīng)用超聲數(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)地傳達(dá)臨床信息，有利于臨床醫(yī)師評估瓣環(huán)病理改變及修復(fù)術(shù)后的變化。 Owais等通過基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)打印出病人個體化的二尖瓣環(huán)，更好地評估了術(shù)前二尖瓣環(huán)幾何構(gòu)造、大小及形狀。Mahmood等根據(jù)經(jīng)食管超聲心動圖獲取二尖瓣的動態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)，通過3D打印技術(shù)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(shù)據(jù)源，應(yīng)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(shù)據(jù)可以打印病人個體化三尖瓣。Witschey等提出基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)打印出二尖瓣模型可以實現(xiàn)二尖瓣成形術(shù)術(shù)前操作演練，從而制定合理的手術(shù)方案。基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)除有利于瓣膜手術(shù)術(shù)前演練、制定手術(shù)方案等方面，在術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生及嚴(yán)重度的預(yù)估方面也占有優(yōu)勢。Olivieri等應(yīng)用基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)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(fù)雜型兩種類型。對于簡單型先天性心臟病（如房間隔缺損、室間隔缺損及動脈導(dǎo)管未閉），目前大多由傳統(tǒng)的手術(shù)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(xì)直觀的影像學(xué)評估。對于復(fù)雜型先天性心臟病（如法洛四聯(lián)癥、大動脈轉(zhuǎn)位及右室雙出口等），因其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即便結(jié)合多種影像學(xué)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(shù)醫(yī)師選擇合適的裝置及手術(shù)路徑，還可以提高手術(shù)效率、降低輻射暴露及手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生，進(jìn)而改善手術(shù)治療效果。臨床證實基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印先天性心臟病模型不僅安全、有效，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)個體化。 

梅丹娥等發(fā)現(xiàn)基于超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印的房間隔缺損模型與術(shù)中封堵器型號相關(guān)性高，證實基于經(jīng)食管超聲心動圖可以作為3D打印的數(shù)據(jù)源。Olivieri等應(yīng)用經(jīng)胸超聲心動圖得到8例室間隔缺損病人的超聲圖像并進(jìn)行分析建模，展現(xiàn)了基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印模型可以精準(zhǔn)地反映室間隔缺損的解剖結(jié)構(gòu)。Zhu等應(yīng)用經(jīng)胸超聲心動圖數(shù)據(jù)成功打印了心內(nèi)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(jié)構(gòu)，與術(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)合CT、MRI等進(jìn)行多模態(tài)成像可以增加重建病理結(jié)構(gòu)的可能性，提高了3D模型的質(zhì)量和準(zhǔn)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(fù)雜，合并矯正型大動脈轉(zhuǎn)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(shù)，于16歲修復(fù)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(jié)合該病人評估術(shù)后并發(fā)癥的CT圖像及評估瓣膜反流程度的經(jīng)食管三維超聲圖像進(jìn)行融合3D打印，精確地反映了該病例心臟畸形結(jié)構(gòu)，表明多模態(tài)成像進(jìn)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(shù)方案的影響方面，大樣本的臨床隨機(jī)對照實驗還有待研究。 

邱旭等通過結(jié)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(jìn)行模擬封堵測試從而確定封堵方案，均成功行封堵治療，術(shù)后隨訪1個月無明顯并發(fā)癥。 

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

Loke等通過3D打印技術(shù)打印出法洛四聯(lián)癥模型對18例醫(yī)學(xué)生進(jìn)行授課，并與17例僅學(xué)習(xí)了二維圖像的醫(yī)學(xué)生進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)通過3D模型進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生對教學(xué)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(xué)方面的應(yīng)用存在巨大潛能。 

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

現(xiàn)階段基于超聲的3D打印技術(shù)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(xì)微的結(jié)構(gòu)；

②心臟及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)材料，不能精確地反映心肌組織的柔軟度；

④國內(nèi)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(shù)據(jù)源，基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印模型不僅可以實現(xiàn)模擬治療，還可以輔助醫(yī)患溝通和醫(yī)學(xué)教育，其在心血管領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用潛能尚有待開發(fā)。

來源：中國3D打印網(wǎng)