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    1.3D打印概況

 

    3D打印技術又稱快速成型技術或增材制造技術，出現于20世紀90年代初期，是一種以數字模型文件為基礎，應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造實物模型的技術，其打印精度高，并可以實現個體化制造。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打印技術的不斷提高，近年來在心血管領域也展現出一定的應用前景。Lazkani等為了使個體化心臟介入手術更安全、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、數目及周邊結構（如肺動脈瓣、主動脈瓣的情況），臨床醫(yī)師根據模型提前選擇封堵器型號，進行術前演練，分析手術方法與途徑，最終手術成功。

 

    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解剖結構（左房、左室、二尖瓣瓣葉、瓣環(huán)及乳頭肌等），應用于經皮二尖瓣環(huán)成形術術前模擬介入治療，通過在模型中確定導線、導絲的型號、最佳放置位置及手術途徑，證實了3D打印技術在結構性心臟病介入手術中的臨床價值。

 

 

    2.基于超聲圖像3D打印技術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用。隨著個體化介入治療的開展，新興的3D打印技術進入心臟疾病診療領域，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，使術者更加真實地理解手術過程中由于外界壓力導致組織產生的位移和形變，進行術前規(guī)劃及術中導航，提高手術成功率。目前較多研究以CT、MRI為數據源進行3D打印，相對CT、MRI，超聲圖像分辨率高，對于心內軟組織及薄膜樣結構的顯示有獨特優(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打印技術在心臟疾病診療中有較高的應用價值。

 

    （2）基于超聲圖像3D打印技術的具體流程

 

    1）3D超聲容積醫(yī)學數字成像和通信（digitalimagingcommunicationinmedicine，DICOM）圖像的獲取?；诔晥D像3D打印技術的首要條件是獲取感興趣區(qū)3DDICOM原始數據，3D超聲容積圖像即為這類數據，通過設置最佳參數可獲得精細度和分辨率均較高的圖像待后續(xù)處理。隨著超聲技術的不斷發(fā)展，三維超聲心動圖被證實可以作為3D打印的可靠數據源，已有研究成功應用超聲三維容積圖像作為數據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，獲取標準鑲嵌語言（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)學領域中最常用的圖像分割方法，通過設定不同的特征閾值，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，去除干擾圖像內容及噪聲信號，經上述處理后的最終感興趣區(qū)數據以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模型的構建依賴于2D薄型層面堆積轉為3D實體的技術，即將整個三維模型沿水平面切割成一定數量的二維薄片，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料生成相應空間實物模型。目前醫(yī)學領域中常用的打印方式主要為選擇性激光燒結成型、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打印技術在心臟疾病診療中的應用現狀

 

    心臟疾病種類繁多，而每一類疾病所包含心臟解剖結構的改變也復雜多樣，治療方式與難度差別很大。3D打印技術具有標準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打印技術在先天性心臟病中的應用

 

    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管未閉等。3D打印技術基于超聲圖像打印出實物模型，能更加直觀、準確及全面地再現心內解剖結構，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超聲容積圖像經分割、重建等處理制作出3D模型，該模型準確、全面地顯示房間隔缺損患者的心內結構，證實了以超聲圖像作為數據源進行3D打印的可行性及其臨床應用價值。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)學參數，與二維超聲心動圖中相應數據進行比較，結果顯示3D打印模型精準度較高，誤差小于1mm。上述研究證實3D打印模型能準確展示出室間隔缺損形態(tài)、大小、數目及其周圍結構，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所獲取的影像學資料經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，術中證實選用的封堵器型號及置入位置均適宜，患者預后良好，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，具有重要的臨床應用價值。

 

 

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

 

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

 

    （2）3D打印技術在心臟瓣膜病中的應用

 

    心臟瓣膜病是由于各種原因引起的心臟瓣膜結構或（和）功能的改變，通常伴有血流動力學的異常。各種影像學方法中，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打印技術在心臟瓣膜疾病診治中的應用越來越廣泛。

 

    1）精準評估瓣膜解剖結構及生理功能。心臟瓣膜解剖結構精細，具有重要的生理功能，對其形態(tài)結構的準確顯示及血流動力學的研究成為熱點。3D打印技術能精準構建出心臟瓣膜，此外通過體外血流動力學評估體系的建立，還可以應用3D打印心臟瓣膜模擬在體瓣膜血流動力學狀態(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制了原始超聲圖像信息，為正常及病變二尖瓣解剖結構的全面認識提供了直觀模型。

 

 

    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)學參數（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參數對比，3D打印模型與三維超聲心動圖中三尖瓣形態(tài)學參數測值間差異均無統計學意義且相關性較高，驗證了3D打印三尖瓣模型的精準度，為其形態(tài)結構的全面理解和個體化介入治療奠定良好基礎。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模擬系統內，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進行比較，結果表明3D打印二尖瓣模型與在體二尖瓣生理參數無差異，證實3D打印模型不僅能在解剖學上高度復制實體瓣膜結構，還能從功能學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用。隨著醫(yī)療水平的提高，個體化瓣膜介入手術，如經導管主動脈瓣置入術（transcatheteraorticvalveimplantation，TAVI）、經導管二尖瓣成形術（transcathetermitralvalvuloplasty，TMVP）均已廣泛應用于臨床。3D打印模型在術前規(guī)劃、術中導航及術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，精準合理的手術規(guī)劃是決定手術效果的重要前提。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，并構建了完整的左室及包括腱索、乳頭肌在內的二尖瓣裝置，成功完成二尖瓣鉗夾術、二尖瓣穿孔封堵術等的模擬操作，根據術前操作中遇到的問題優(yōu)化手術方案，成功進行治療，并縮短了手術時間。

 

    在二尖瓣成形術中，選取適宜的二尖瓣裝置至關重要，臨床對人工瓣環(huán)尺寸及類型的選擇多依賴于影像學資料及外科醫(yī)師的經驗性判斷，為了使成形術更加有效進行，Owais等基于超聲容積圖像，用塑料打印出二尖瓣環(huán)3D模型，進行術前演練，為術中最佳二尖瓣裝置的選擇提供了準確可行的方法。國內學者采集主動脈瓣CT及3D超聲圖像，構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閉不全患者實施了TAVI手術規(guī)劃與導航，且手術時間僅1h，術中X線暴露時間較以往手術明顯縮短。

 

    瓣膜手術存在較多并發(fā)癥，其中殘余瓣周漏較為常見，對瓣周漏程度的準確評估決定后續(xù)操作，3D打印技術在瓣膜術后療效及并發(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，結果顯示3D打印模型精準度高，能夠準確評估瓣周漏的大小及周圍結構，為后續(xù)治療提供較高參考價值。

 

    （3）3D打印技術在心律失常中的應用

 

    目前，已有研究報道3D打印技術在心律失常治療過程中的應用。心房顫動是最常見的心律失常之一，容易引起腦梗死。經導管左心耳封堵術是降低心腦血管事件的有效手段，對左心耳解剖結構的深刻理解、封堵器的準確選擇是封堵術成功的關鍵。新型的3D打印技術在左心耳封堵術中展現出較高的應用價值。Obasare等基于超聲圖像打印出左心耳模型，選取21mm封堵器在3D模型上進行術前模擬操作，術中根據選擇的封堵器進行左心耳封堵并獲得成功，手術時間明顯縮短，術后無相關并發(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，并應用于術前模擬操作，通過兩次調整封堵方案，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)結構，心壁模型進行解剖徑線的測量及術前演練，并在此基礎上進行左心耳封堵術前模擬系統的建立和評估，結果表明3D打印模型能精準、直觀地展示左心耳的解剖細節(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，使基于經食道三維超聲心動圖和3D打印技術的左心耳封堵術前模擬系統可以實現左心耳封堵的術前演練及評估，成為左心耳封堵術前準備的重要補充。

 

    

 

    

 

    4.基于超聲圖像3D打印技術的局限性

 

    基于超聲圖像3D打印技術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超聲對心內薄膜樣結構的顯示存在優(yōu)勢，但對心外解剖結構的清晰展現存在限制，在心臟腫瘤中無法全面顯示腫瘤邊界、縱隔轉移情況，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指導；②3D打印多次后處理過程中可能會過濾掉細微解剖結構，導致最終獲取模型與原始數據間的細小差異，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，構建的模型中存在較多空隙；③3D打印技術應用靜態(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打印技術的展望

 

    隨著超聲技術的不斷發(fā)展，原始圖像質量將得到進一步優(yōu)化，以超聲圖像為數據源的3D打印技術精準度也會隨之提高；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、術前規(guī)劃、術中監(jiān)測及術后評估等環(huán)節(jié)中的作用得到進一步加強。

 

    綜上所述，3D打印技術作為影像學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用將越來越廣泛，可為臨床診療提供重要信息。