基于超聲數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)在心

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(shí)體打印三個(gè)步驟。超聲心動(dòng)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(píng)估方面占有重要的優(yōu)勢(shì)?；诔晹?shù)據(jù)的3D打印技術(shù)通過構(gòu)建心臟疾病模型來實(shí)現(xiàn)術(shù)前評(píng)估、醫(yī)療裝置設(shè)計(jì)、血流動(dòng)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(duì)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。

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(duì)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(dòng)去噪及計(jì)算三維模型等后續(xù)工藝，以STL格式保存。

3）實(shí)體打?。簩TL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

加丹等通過對(duì)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(píng)估左心耳大小、形態(tài)方面與CT的一致性較高，證實(shí)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(duì)左心耳形態(tài)、分類與CT結(jié)果一致性較強(qiáng)?；诔晹?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(shí)現(xiàn)模擬操作的優(yōu)點(diǎn)，有望為左心耳封堵術(shù)提供個(gè)體化診療方案。Pellegrino等研究證實(shí)了基于造影及經(jīng)食管超聲心動(dòng)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。

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(dòng)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。

經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖是獲取瓣膜動(dòng)態(tài)圖像的常規(guī)方法，由于其三維圖像空間和時(shí)間分辨率較高，生成的動(dòng)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(shí)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(píng)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(gè)體化的二尖瓣環(huán)，更好地評(píng)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(dòng)圖獲取二尖瓣的動(dòng)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(shí)體模型，證實(shí)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。

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(duì)于簡單型先天性心臟病（如房間隔缺損、室間隔缺損及動(dòng)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(duì)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(píng)估。對(duì)于復(fù)雜型先天性心臟病（如法洛四聯(lián)癥、大動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)個(gè)體化。

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(cè)試從而確定封堵方案，均成功行封堵治療，術(shù)后隨訪1個(gè)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(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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。

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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)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)。