基于影像学的3D打印在心血管系统中的应用现状及准确性分析

王益佳，周 青，郭瑞强

(武汉大学人民医院超声影像科，湖北 武汉 430060)

3D打印又称叠加制造或快速成型技术，以STL数据为基础，于自动化控制下不断在模型横断面上层叠原材料。随着3D打印技术的改善、新型打印材料的研发及心血管体外功能流体模型的建立，个体化心血管3D模型在心血管疾病诊疗中的应用不断深入。研究[1]表明，3D模型适用于复杂心血管畸形手术方案制定及术前模拟操作，在心血管外科及心血管介入领域应用潜力巨大。随着应用的不断深入，对于3D模型准确性及再现性的质疑随之而来。本文围绕3D打印在心血管系统中的发展现状以及影响3D模型准确性的因素进行综述。

1 心血管3D模型的应用现状

个体化3D打印模型在术前制定手术方案、模拟手术操作以及心内植入设备研发与改善的应用中越来越重要。Yang等[2]通过打印肥厚型心脏病3D模型来模拟室间隔切除术，以避免术中损伤传导系统。Jacobs等[3]打印心脏肿瘤模型，模拟手术切除，发现可成功提高一次性手术成功率。3D打印模型在模拟经皮穿刺心脏介入手术中的应用更为多见，如房间隔缺损封堵术[4]、室间隔缺损封堵术[5]，尤其是拟采用介入治疗的严重瓣膜病。Vukicevic等[6]成功利用CT与经食管三维超声心动图(three-dimensional transesophageal echocardiography,3D-TEE)图像融合，构建了完整的左心室及包括腱索在内的完整的二尖瓣装置，还利用不同硬度和弹性的材料打印出不同生理状态的二尖瓣，成功模拟了二尖瓣钳夹术、二尖瓣穿孔封堵术、经皮二尖瓣置换术等，并准确评估术后并发症的可能。

2 3D打印材料的研发

理想的3D打印心脏模型除需准确性高之外，还要求各组件模型的材料性能接近心血管实体组织，具有相应的弹性和变形能力，从而使受到应力后发生的形变及植入装置后与模型的相互作用近似于在体操作。

为真实模拟心脏瓣膜、心肌、血管等力学性质不同的结构，软性材料的研发及使用成为重点。作为最接近真实心脏手感且性能稳定的3D打印材料，类橡胶材料已用于心脏介入术或心血管外科手术模拟操作。现阶段使用率较高的类橡胶材料是以色列Objet公司的TangoPlus，具有不同范围硬度和弹性模量，可模拟心脏不同的结构，其中硬度最小的T100弹性模量约0.55 MPa，与血管[2]近似(E=0.1～0.55 MPa)。Hermsen等[7]构建三维多孔支架，通过硅胶和水溶性凝胶混合物灌注，获得与心肌组织手感接近的心脏3D模型。多种材料混合使用可复制出具有不同组织特征的复杂解剖结构，如在打印罹患瓣膜病变的心脏时，可使用硬性材料打印二尖瓣和主动脉瓣的钙化，以软性材料打印腔室及血管[8]。

根据心血管各组织的生理状态选择力学性质近似的3D打印材料，构建整体心血管模型，不仅有利于术前模拟操作，还有助于构建心血管体外功能流体模型，以便更准确地模拟心内血流动力学状态。

3 心血管体外功能流体模型的构建

3D打印心血管功能流体模型是将个性化心血管3D打印模型与流体动力学平台相结合的功能性仿真模型，通过模拟每搏量、心率及射血时间等临床真实流体条件，提高术前模拟操作的准确性与真实性，从而辅助临床治疗决策。

Maragiannis等[8]通过高分辨率CT、计算机辅助设计软件和多种材料3D打印共同创建了8个严重狭窄主动脉瓣的体外流体学功能模型。Mashari等[9]证实了建立钳夹术后二尖瓣3D打印功能模型并进行血流动力学测试的可行性。在大血管流体模型试验的同时，有研究者开始探索小血管流体模型。Russ等[10]基于3D打印技术获取冠状动脉功能流体模型，并成功模拟了体外数字血管造影成像；Wang等[11]通过模拟血流速度分布、壁剪切应力，成功运用新方法探索了冠状动脉支架术的最佳支架植入位置，并证明半交叉支架策略可最大限度地减少再狭窄风险。心血管体外功能流体模型的建立极大提升了3D模型的应用价值，为进入临床奠定了坚实基础。

4 3D模型准确性分析

拟真3D打印材料的研发和心血管体外功能流体模型的建立均可提高3D模型术前模拟操作的准确性及真实性，并降低手术成本、手术时间及辐射剂量，同时减少并发症发生。打印模型的准确性指打印模型和设计模型尺寸(即STL文件)之间的一致程度，是其发挥模拟手术操作、制定手术方案、优化心内设备等优势的前提；而3D打印模型失准可能发生于3D打印的每一个步骤，包括3D打印及模型储存过程、医学影像成像、阈值分割及STL文件后处理。

Martelli等[12]对158篇文献进行Meta分析，发现其中34篇(21.5%)提及3D打印模型的准确率欠佳，如基于CT血管造影的血管模型缺失部分动脉[13]，甚至出现源图像不存在的动脉瘤[14]。3D打印模型失准可导致治疗方案不当，因此，3D打印模型的准确性和精准度需给予足够重视。

4.1 3D打印机的精准度分析 3D打印的主要成型方式包括熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)、光体立刻技术(stereolithography,SLA)、聚合物喷射成型(PolyJet)和选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)。不同成型技术打印出模型的分辨率不同，表面精度及适用范围也不尽相同，因此，应根据不同的临床需求来选择相应的打印机。目前市面上的3D打印机z轴分辨力为0.05～0.30 mm，SLA和SLS打印机x—y轴分辨力多为0.1～0.2 mm，FDM打印机x—y轴一般为0.1～0.4 mm。PolyJet打印机x—y轴分辨率取决于每英寸的点数，约为600 dpi至0.05 mm。理论上，3D打印模式在三个径线上的最高分辨力约0.05～0.10 mm，高于多数临床影像，即医学影像的分辨率能够满足多数3D打印机的要求。然而Teeter等[15]发现，采用3D打印获取细小结构模型时，分辨率只是决定精准度的因素之一，在多数打印模式下不能打印出小于0.3 mm的结构。大多数3D打印机可以选择z轴分辨率的数值，如SLA打印机，选择范围是0.025～0.200 mm，而FDM模式打印机可选范围是0.1～0.5 mm。如使用FDM打印机，选择z轴分辨力为0.5 mm，与分辨力0.1 mm相比，打印时间更快，但可能会缺失一些精细的血管[16]。另一方面，最高精度模型在许多情况下并非必要，故应根据临床目的选择打印精度。

4.2 3D打印过程中的误差 3D打印过程中也会出现模型失准。3D打印的基础模式是“叠加制造”，打印误差存在于所有的“叠加制造”模式之中，特别是印刷层尺寸误差可以叠加，如3D打印制造商所列举，模型每25.4 mm会有约0.025～0.05 mm的误差。

打印机运行过程(化学反应、加热、冷却)同样会造成模型结构出现偏差，如FDM打印模型在热塑性冷却过程中易发生收缩和翘曲变形，导致在印刷过程中模型部分的几何形态不准确。同样，SLA或PolyJet打印机运行中、特别是在聚合过程中产生柔性模型时，由于打印机是以“自下而上”的方式打印每一层，随后将印刷层从底部分离并提起以打印下一层，施加的机械应力很大，会在从模具底板脱离的模型上产生附加变形，从而降低尺寸精度。这些机械应力也可能使一部分打印层不能黏附在先前的打印层上，导致严重失准。

4.3 3D模型的储存与后处理 模型长期储存会分解或弯曲、变脆，潮湿的储存环境会使模型变形和膨胀。打印后处理过程会影响准确性，如空心血管模型，由于模型表面粗糙，需尽量减少液压。有研究者[17]采用氢氧化钠溶液来平滑3D打印的血管腔，不可避免地造成打印模型的腐蚀，且人为扩大了血管腔内径。

选择专业3D打印机，定期测试3D打印机的精度并重新校准，有助于减少3D模型失准可能。专业的FDM打印机在温度受控的空间内打印模型，而材料喷射打印机在喷射每层材料期间有一定时间来缓解内部应力。研究[18]表明，无论是几何结构还是解剖模型，打印模型和STL文件尺寸间的一致性误差通常小于1 mm，甚至小于0.5 mm。

4.4 医学影像阈值分割与STL文件后处理 医学影像的阈值分割过程是失准的重要来源之一[19]，因此需要尽可能获得清晰准确的医学影像。不同成像方式适用于不同结构，获取高分辨率的源数据是保障心脏3D打印准确性的前提。现阶段心血管3D打印的源数据来自超声心动图、心脏CT和心脏MR(cardiac MR,CMR)，上述技术在获取心血管影像时均存在优势及不足[20]，目前尚无能能够完全满足心脏3D打印需求的影像学检查技术。CT具有较高的空间分辨率和密度分辨率，特别是在造影模式下能清晰显示心腔及大血管轮廓，但不能清晰显示瓣膜。CMR具有较高的软组织分辨率，对心肌病变的诊断价值高于CT和超声，但检查耗时长，受心率影响较显著，三维重建较为困难。超声心动图对心腔、瓣膜和心内缺损等结构性病变的诊断价值明显高于CT，其局限性在于不能很好地显示大血管全貌。通过多模态融合成像获取心脏各组织结构的高分辨率源数据，即使用3-Matics软件的自动配准与对齐功能获取各图像的配准点并融合图像、删除重复容积图像信息，进而获得多种影像方式融合显像的容积图像，可极大地提高阈值分割的准确性。另外，造影(对比)剂的使用可增强信噪比，有利于阈值分割。此外，在STL文件的创建及后处理过程中同样存在着失准可能，涉及STL的算法参数、图像体素等多方面。

4.5 测量方式的准确性 除了将医学图像转化为解剖模型的3D打印过程中产生的失准，STL数据的测量以及打印模型的测量方式同样需要重视。对比STL文件与模型的准确性，需借助专业计算机辅助测量软件，以精确测量STL格式文件[15,18]，目前最常用的医学影像3D处理软件是Materialise公司的Mimics。而在测量模型方面，手动和自动测量仅限于外部测量，测径器和探针不易插入封闭的空腔，如血管腔或心脏内部，且使用游标卡尺进行的手动测量难以精确识别解剖基点。因此，测量心血管3D模型时，可使用CT或MR等对模型进行扫描，测量相关数据，与STL文件数据进行对比。

4.6 3D模型与实体解剖的对比 判断心血管模型的准确性应以实体解剖为准，但心血管系统复杂的腔室结构及不同生理状态下血流动力学的变化，使3D模型与在体心脏对比较为困难。因此，多数研究[13,16]将模型与医学影像进行对比，结果表明误差一般在1 mm以内，且阈值分割是3D打印失准的主要来源。这一发现适用于多数软组织3D打印模型，同时3D打印心血管模型的准确性可满足临床需求。

5 3D打印的发展趋势与展望

个性化3D模型在复杂心血管系统疾病的治疗中有重要作用及广泛应用前景，然而目前仍未形成3D打印心血管模型完整流程的指南以及3D模型准确性评估的统一标准，3D打印在医疗领域、尤其是心血管系统的应用与普及仍需要更深层的研究，需要包括医学影像学、材料工程、计算机等在内的多学科共同发展。