超声3D打印技术在先天性心脏病中的应用

任永凤， 王 洲

(亳州市人民医院， 安徽 亳州 236800)

3D心脏模型打印技术的不断发展为治疗先天性心脏病(congenital heart disease，CHD)提供了更多的安全保障及成功率，具有重要的临床意义。早期曾报道利用CHD患者的磁共振成像(MRI)数据建立术前三维虚拟模型，但当时缺乏计算机处理能力，图像分辨率低，该技术的临床应用不理想。随着高分辨率成像和3D打印等技术的进步，利用非侵入性成像技术建立的心脏3D打印模型，与实物相比，具有高仿真性及复制细微结构的能力，在医学领域的应用越来越广泛，在术前诊断、手术方案的制定、术中监测及术后评估中均可发挥重要作用。三维超声心动图是另一种与CT和MRI具有较强线性相关性的成像方式，三维超声弥补了二维超声空间分辨率的不足，使超声成为3D打印数据源，并逐渐得到应用。本文介绍了基于三维超声心动图成像为数据源的3D打印技术在CHD诊疗中的应用及进展。

1 3D 打印技术原理及概述

3D打印技术出现于20世纪 90年代初期，又称叠加制造技术或即刻成型技术，其原理是在影像学数据源基础上，通过计算机技术，应用碎末状金属或其他可塑性材料，通过3D打印机按照需要的模型逐层打印并逐层叠加成型，最终构造出实物模型的技术，该技术初期主要应用在机械加工及航空领域，近年来，随着计算机技术的进步和材料学科的发展，逐步实现了个体化制造[1,2]。目前，在医学应用方面最常使用的打印方式有：针对性激光烧结成型技术、材料熔化沉积铸型技术、容积光固化成型技术、聚合物材料喷射成型技术，以及其他生物材料打印等。初期3D打印技术费用高昂，尤其是精度不够，在医学领域应用受限，随着技术进步，精度提高的同时费用也开始下降，这使3D打印应用于医学领域成为可能,主要出现在骨科、器官移植及整形外科等专业领域[3-6]。

黄志勇等[7]基于1例室间隔缺损患儿的心脏CT影像数据，采用Mimics 17.0图形分割软件，以阈值法进行心肌分割，以动态区域生长法进行血池分割，获得数字化三维心脏模型，采用PolyJet材料，以0bjet500 connex3聚合物喷射成型3D打印软质的实体心脏模型，清晰显示心脏内部解剖结构、空间关系和室间隔缺损的三维形态，且相关评估参数与其他手段评估基本一致，使3D打印诊疗结构性心脏病成为可能。这些模型有助于理解这些缺陷中复杂的解剖空间关系，并为心脏介入前、介入中的管理和手术规划提供额外的见解，提高心脏疾病诊断精度，提高手术成功率[8-10]。在CHD的诊断、术前治疗方案的制定及教学领域，国内外均开始了相应研究，展现出一定的应用前景[11-17]。

目前的相关研究多以 CT、MRI为数据源进行心脏3D打印，随着超声心动图的发展，三维超声心动图图像分辨率进一步提高，对于心内软组织及薄膜样结构的显示有独特优势。超声数据源的3D打印技术原理是通过超声获取研究区域的容积超声图像，设备会记录超声容积数据，即3D DICOM 原始数据，然后对图像进行多平面重新处理，确保数据源的准确性，调整增益和分辨率获取最佳参数设置，确保获得精准度和分辨率均较高的超声图像，待脱机后处理。该技术具有操作简便、无辐射、无需造影剂等优势，因此，基于超声容积成像3D打印技术在心血管疾病诊疗中的应用体现出显著的前景及价值，国内外基于三维超声心动图数据源的3D打印技术已成为研究的热点，且临床应用价值已得到肯定[18-20]。

2 超声3D打印技术在CHD中的应用

CHD种类繁多，任何一处发育异常都可能导致血流动力学改变，而且每一类CHD解剖结构表现又有不同，这种改变关系到治疗方案的选择。3D打印技术通过标准化精准建模，具有针对性制造高仿真模型的优点，在CHD诊疗中发挥出越来越重要的作用及优势。CHD包括简单先心病与复杂先心病，简单先心病主要有房间隔缺损(ASD)、室间隔缺损(VSD)等，是先心病中最为常见的类型，而复杂先心病结构较为复杂，表现多样，如法洛氏四联症、大动脉转位、右室双出口等。尽管二维及彩色超声心动图对于大多数先心病均可明确诊断，而且检出率较高，但由于心脏结构复杂，立体空间关系不够直观，且不利于教学过程中的理解，特别是当常见的2D或3D成像模式在获取解剖关系或某些结构的位置方面出现不确定性时，就需要更为精确直观的检查手段。近年来，对一些先心病的治疗以微创介入受到临床及患者的青睐，原因是创伤小、恢复快，利用三维超声3D打印技术可打印出高仿真模型，该模型能够全方位展示出心内组织结构连接及位置关系，全面显示异常发育部位及毗邻，可为临床提供更加准确的诊断信息，帮助术前模拟操作及制定手术方案。

2.1 简单先心病

Samuel等[21]利用超声扫描成像技术将房间隔缺损3D超声容积图像经切割、重建等处理制作出3D模型，准确、全面地展示出ASD部位及毗邻解剖关系，证明了以超声扫描获取的图像数据进行3D打印的可应用性及价值，且超声操作方便、价廉、安全。梅丹娥等[22]以经食管三维超声心动图 (3D-TEE) 图像作为数据源，通过Mimics 软件对三维图像进行后处理,获取ASD容积图像 STL 格式文件,输出文件并打印 ASD 3D模型，3D模型测量ASD相关参数与2D-TEE、3D-TEE及术中ASD各参数测值间差异均无统计学意义,且一致性更高，模型中术前演练效果较好，结论认为3D-TEE图像可作为ASD 3D打印的数据源,基于超声技术3D打印ASD模型精准度较高,为临床应用奠定了基础。So等[23]对一位56岁房间隔缺损经皮封堵术后6个月后出现呼吸困难患者采集三维经食管超声心动图数据，从中分割出感兴趣结构的计算机模型，将不同的颜色和硬度分配到不同的片段中，制备多材料3D打印模型，阐述了多材料3D打印用于指导复杂结构心脏干预的程序前规划的可行性和优势。Faganello等[24]通过经食道三维超声图像信息源3D打印出1例Ⅱ孔型房间隔缺损的模型，也同样证实了在3D模型中测得相关参数的准确性。邱旭等[25]对21例多发孔ASD患者经采集CT和三维超声图像，通过3D打印技术制作出硅胶心脏模型,利用模型进行模拟封堵测试，确定最佳封堵方案，取得较好效果，为多发孔型房间隔缺损在微创介入封堵术中的一些难题提供了预备方案，如封堵术中封堵伞置入困难、封堵伞边缘残存分流率高等问题，具有显著的临床应用价值。Olivieri等[26]利用三维超声心动图采集9例(8例室间隔缺损和1例瓣周漏)心脏患者原始图像数据被匿名输出并转换成医学格式的数字成像和通信，对图像数据进行滤波降噪，导入分割软件建立三维数字模型并打印出来，将三维模型测量与常规二维超声心动图测量缺损的长、短轴结果进行比较，测量结果分别为7.5±6.3和7.1±6.2 mm (P=0.2),两组间相关性较好，证明了三维超声心动图数据打印模型在技术上是可行的，可以准确反映室间隔缺损解剖，为先天性心脏病患儿的程序规划提供了一种新的工具。但国内对基于超声单纯室缺与动脉导管未闭的3D打印鲜见报道。

2.2 复杂先心病

目前复杂CHD的可视化技术无法全面显示心脏解剖异常，因为医学数据集基本上只能从平面、二维(2D)屏幕上观看。因此，3D打印已经被用于根据医学成像数据在三维视图中复制特定患者的心脏。这项技术对矫正手术的术前计划、病人与医生的沟通,以及医学生的学习均带来积极影响。

Loke等[27]为提高医师对法洛氏四联症疾病的认识，应用超声心动图为数据源打印出法洛四联症患儿的3D模型，两组儿科住院医生分别通过影像学和3D模型进行学习，然后利用问卷方式对两组医师进行调查，了解两组医师对法洛四联症的认识情况，结果显示两组间对知识的获取无明显差异，但使用3D模型教学的医师满意度得分较高，3D打印模型学习组对细微结构认识更直观，对法洛四联症的整体理解更深刻、全面，记忆更牢。法洛四联症3D打印模型可以清晰而又全方位地显示要观察的结构，未来有望通过3D打印模型提高复杂CHD的诊断精度。

国内朱延波等[28]应用经胸超声心动图引导3D打印模型对44例心脏病患者进行术前评估，结果发现3D-TTE和TTE Guided 3D PM两种方法结果一致性较高,经胸超声心动图引导3D打印模型能够清晰显示结构性心脏病病变的实体三维结构，与术中所见基本一致。尽管如此，在复杂CHD中，以单一成像技术作为数据源进行3D打印仍可能存在精细病理结构不能完整显示的问题，但使用两种或多种数据源联合进行3D打印，可以提高术前复杂CHD诊断，更好地发挥各种成像方式的优势，提高对病变结构的可视化程度[29]。

Gosnell等[30]尝试利用CT和超声相结合，采集1例55岁患有矫正型大动脉转位、室间隔缺损及肺动脉闭锁患者的心脏图像，经过图像拼接、切割处理，将CT和超声影像学资料转化为实体模型，证明了混合打印的可行性，认为多种成像方式信息源的混合打印技术在介入和手术环境中可能具有优势，可以减少或避免不同的影像学方式导致某些信息丢失的可能，为了评估混合3D打印对外科或介入病例决策的影响，有必要进行广泛的比较与临床试验，使混合3D打印技术成为一种理想的工具。

综上，超声3D 打印技术在CHD中应用可以有效提高临床医师对病变部位三维空间的深刻理解，有助于更加合理准确地做出诊断，同时，3D打印模型在临床教学、术前制定合理治疗方案、模拟操作等方面也展现出越来越显著的应用价值。尽管基于超声的3D打印技术优势明显，价值肯定，但该技术仍然处于研究阶段，尤其对于混合影像数据源打印技术，其可能具有更大的应用空间，是未来的研究重点，应用前景更加突出。

3 超声数据源3D打印技术的局限性

尽管基于超声图像信息源的3D模型打印技术在CHD诊疗中发挥着越来越重要的作用，但仍然存在一定的局限性：

(1) 设备技术要求高，费用昂贵。

(2) 超声物理特性的局限性：获取准确完整的信息源是3D打印的基础，然而超声受个体声窗条件影响明显，气体干扰及胸廓畸形等均不利于超声图像显示。

(3) 心外结构显示不佳：超声心动图显示心内结构具有明显优势，由于超声的物理特性及扫查角度的限制，对心外毗邻解剖结构的显示困难。目前报道较多的仍以CT/MRI数据源进行心脏3D模型打印，弥补了心外结构显示不佳的局限性。

(4) 单一影像3D打印需经过多次后处理，一些细微解剖结构信息可能会被过滤遗失，最终获取的数据模型与原始数据间存在微小的差异。Gosnell等[30]认为单独的成像方式可能不能充分显示复杂的CHD病，将两种或两种以上成像方式的优势结合起来，有可能增强心脏病理形态学的可视化，尤其三维超声心动图可以显示运动结构，混合3D打印作为心脏病专家和心胸外科医生在CHD干预计划中的有力工具，可能具有更大的优势。

(5) 3D打印模型为静态仿真模型，不能评价心脏的动态特征及内部血流动力学状态。

4 展望

随着三维超声心动图设备软硬件的更新及材料科学的不断进步，超声图像数据信息将得到进一步优化，超声3D打印技术的精确度也将不断提高，仿真3D模型将更加贴近实物，更加适用于临床，其在CHD的临床精确诊断、术前方案制定、模拟教学与操作、术中监测及预后评估等方面的作用将更加突出，前景令人期待。