基于影像学的3D打印模型在原发性心脏肿瘤手术准备中的应用探究

陶天豪 崔曼曼 李艳宇 韩忍忍 陈泊辛 张解和

（皖南医学院医学影像学院，安徽 芜湖 241002）

0 引言

原发性心脏肿瘤是一种发病率较低的疾病，但一旦发生，不论是良性还是恶性都会导致严重的后果，一经检出应及时进行手术切除。3D打印是一种快速成型技术，可以根据物体的三维数据快速、准确地制作出相应的实体模型，近年来在医学领域广泛应用。本文主要探究通过3D打印技术制作的原发性心脏肿瘤3D打印模型在手术准备中的相关应用。

1 原发性心脏肿瘤概况

心脏肿瘤主要生长在心肌或其临近组织，是一种少见的疾病，可分为原发性心脏肿瘤和转移性心脏肿瘤，一般多指原发性心脏肿瘤。原发性心脏肿瘤75%为良性，25%为恶性，而转移性心脏肿瘤均为恶性。心脏肿瘤发病率较低，通过尸检报告发现原发性心脏肿瘤的发病率仅为0.056%，而继发性心脏肿瘤发病率相对较高，为1.23%，为原发性心脏肿瘤的20～40倍[1]。原发性心脏肿瘤相对少见，主要为黏液瘤[2]，属于良性病变，但质地松软，容易脱落而导致器官栓塞，进而引起血流动力学障碍，可通过手术切除达到治疗目的。

2 3 D打印概况

3D打印（Three Dimensional Printing，3DP）技术在20世纪80年代开始出现，经过不断发展，技术日趋成熟，在医学领域也有一定的应用。3D打印技术是一种基于离散/堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体的三维模型数据，快速、准确地制造出零件或物体的实体模型[3]。生物制造[4]概念提出后，越来越多的研究人员开始重视3D打印技术在医学方面的应用。医疗3D打印指的是利用影像设备对人体结构进行数据采集，再将采集的数据导入到3D打印机中从而打印出3D打印模型，方便研究人员观察和操作[5]。随着3D打印技术的不断发展，3D打印开始广泛应用于医疗，近年来在口腔、骨科等方面呈现出较大的应用前景[6]。

3 原发性心脏肿瘤3 D打印模型的构建

原发性心脏肿瘤3D打印模型的构建主要包括采集影像学数据，建模，将立体光刻（STereoLithography，STL）格式文件输入3D打印机获取模型3个步骤。

3.1 原发性心脏肿瘤影像学数据的采集

原发性心脏肿瘤3D打印模型构建的第1步是采集原发性心脏肿瘤的影像学数据。影像学数据的采集主要通过计算机断层扫描（Computer Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）和超声心动图等常用的影像学检查方式。高质量的心脏结构模型的数据主要来自CT或MRI，而瓣膜等结构的数据主要来自超声心动图。通过融合影像学数据和提高影像学设备的精度，可以显著提高原发性心脏肿瘤模型的准确度。

3.2 建模

3D打印模型构建的第2步为建模，建模即建立数字模型，是应用建模软件将二维的医学影像数据生成三维的数字模型的过程。主要包括图像分割和生成三维模型两个步骤，图像分割即将需要打印的结构的图像与附近其他组织的图像分开。先在二维的源图像上提取出需要的部分，然后生成三维数字模型，同时将数据以STL格式存储。STL格式是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式，目前在3D打印机中应用比较广泛。

3.3 将STL格式文件输入至3D打印机获取模型

3D打印模型构建第3步为将STL格式文件输入至3D打印机获取模型。目前，医学3D打印方式主要有立体平板印刷、喷墨印刷、选择性激光烧结、熔融沉积成型等。每种打印方式的成型特点及所需材料存在一定差异，因此，在获取3D打印模型之前要根据实际需要选择相关的材料和打印方式。

4 3 D打印模型在原发性心脏肿瘤手术准备中的应用

3D打印模型具有精确、直观等特点，在评估手术风险，进行模拟手术，临床教学和医患沟通等方面起到了一定的作用。

4.1 评估手术风险和术前规划

一般情况下，手术都会存在一定的风险，尤其对复杂和难度高的手术，在手术前要进行相应的风险评估和制定应对措施。目前，医生评估手术风险主要依靠CT、MRI等影像学设备和以往的手术经验，但由于CT、MRI主要是二维成像，难以提供原发性心脏肿瘤与其周围结构的关系，且医生手术经验深浅不同，造成手术有很大的不确定性。而3D打印模型具有直观、准确等优点，为手术风险的评估和手术计划的制定提供依据，从而增加手术的精确度和成功率。

4.2 运用于模拟手术

一般在临床手术过程中，有时可能出现病灶位置深、结构复杂等情况，或者出现患者因为存在个体化差异而导致相应结构不能被找出，导致手术无法顺利完成。而3D打印可以通过CT、MRI等方式采集病变区的相关数据，然后打印出患者实际的病理模型。医生在手术前可以通过3D打印模型进一步了解病情并制订相应的手术方案，而且可以在3D打印模型上提前进行模拟手术，从而降低手术风险，提高手术的成功率。3D打印模型可以直观地反映出原发性心脏肿瘤与其周围结构的关系，有助于手术的进行。原发性心脏肿瘤的3D打印模型已经被用于识别处于风险的肿瘤扩散结构中，Jacobs等[7]通过在打印出的心脏肿瘤模型上进行模拟手术，提高了手术的成功率。近年来，3D打印技术在医学方面被普遍应用，随着3D打印技术的逐渐成熟，在原发性心脏肿瘤方面也开始发挥着重大作用。

4.3 临床教学中的参考

在传统的教学中，老师需要通过人体尸体才能直观地向学生教授人体部分复杂结构和病变组织，而原发性心脏肿瘤发病率较低，临床上比较少见，使学生在学习原发性心脏肿瘤的基本结构和主要病理表现存在一定的困难。在传统的临床工作中，医生主要通过CT、MRI等影像学设备成像了解人体复杂的解剖结构，通过与正常组织结构的对比确定发生病变的主要部位，进而制订手术计划，解决手术中可能出现的问题。由于原发性心脏肿瘤结构复杂，利用单一的影像学方法可能使结果不够全面，从而不能很好地展现出原发性心脏肿瘤准确的状态，所以医生对于其结构、病理状态及手术切除的学习存在一定的困难。

3D打印实体模型主要融合了CT、MRI等影像学设备所采集的数据，可以准确地还原原发性心脏肿瘤的大致结构并可以长时间保存，可长期用于传统教学及临床工作中。将其与影像学数据和传统解剖相结合可以扩充传统教学的方式，提高学生的学习兴趣，提高学习效率；在临床工作中，可以更好地促进年轻医师对原发性心脏肿瘤疾病的把握，有利于后期手术的进行。此外相对于在现场学习手术操作，3D打印实体模型可以重复利用、重复观察，还可以直接在模型上进行大致的手术操作，对于原发性心脏肿瘤切除手术的掌握有一定的促进作用。同时，老师可以通过3D打印实体模型对医学生或者年轻医师进行考核以了解他们对原发性心脏肿瘤的掌握情况和手术切除的训练效果；由于3D打印实体模型融合了CT、MRI等影像学知识，还可以辅助学生学习影像学方面的知识，拓展学生的知识面。Lee等[8]利用3D打印技术打印了多彩肾脏病理模型并用于进行临床教学，扩充了教学方式，使学生对其有了更加直观的认识，促进了学生对该知识的掌握。李世俊等[9]通过将3D打印模型运用于儿童脑部MRI的学习，提高了学生的学习兴趣。Jones等[10]通过评估运用3D打印技术打印出的各种实体模型，证实了将影像学数据与3D打印相结合的可行性。

4.4 改善医患关系

一般临床手术都会有一定的风险，在做原发性心脏肿瘤切除手术前需要告知患者及其家属，而原发性心脏肿瘤难以用语言准确描述，医生在与患者及其家属沟通时很难做到直观、全面地进行解释。3D打印实体模型具有直观、准确的特点，对于缺乏医学知识的病人可以更好地了解病情和大致的手术操作，从而减轻患者的心理负担，减少不必要的医疗纠纷，提高患者及其家属的满意度，有利于手术的进行[11]。因此，3D打印实体模型在一定程度上可以改善医患关系。

5 总结与展望

原发性心脏肿瘤相对少见，一旦发生，无论良性还是恶性都会带来严重的后果，可能导致器官栓塞和血流动力学障碍。原发性心脏肿瘤主要通过影像学技术进行诊断，诊断后应及时进行手术切除。3D打印技术由于其快速直观的特点，近年来在医学方面有广泛的应用。3D打印模型主要通过获取相应病变部位的影像学数据并将其融合，再进行精确的数据处理后打印成型得到。因此，3D打印模型具有直观、精确等优点，在原发性心脏肿瘤的术前风险评估、手术模拟、临床教学及医患沟通等方面发挥着重要作用，推动了精准医学的发展。随着3D打印技术的逐渐成熟和影像学技术的不断发展，3D打印模型的精度和仿真程度会进一步得到加强。因此，3D打印技术在心血管类疾病的研究中会应用得越来越广泛。但3D打印模型也存在一定的局限性，首先3D打印模型的数据需要通过多种影像学设备获取，数据获取后也需要经过很多步处理，每一步处理不当都可能导致出现较大的误差，致使获取的3D打印模型不够准确。另外，3D打印模型自身也存在一些缺陷，如心肌的硬度无法用3D打印的材料体现；3D打印模型是静态的，不能准确地模拟心脏这种动态的器官，致使模型相对于实体结构出现一定的偏差。