超聲引導3D打印用于評估結構性心臟病的研究進展

朱延波，耿婕，關欣，劉建實

超聲引導3D打印用于評估結構性心臟病的研究進展

朱延波1，耿婕2△，關欣1，劉建實3

結構性心臟病包括先天性心血管結構異常、瓣膜性心臟病及心肌病等，其共同特點是均存在心臟解剖結構和血流動力學的異常，尤其以解剖結構異常為主。作為無創(chuàng)性的檢查方法，超聲心動圖尤其是三維超聲擅長顯示解剖結構與血流的異常，對于結構性心臟病的評估具有優(yōu)勢。而近年來逐漸興起的3D打印技術可以進行實物打印，打印出來的心臟模型可以立體地顯示心臟疾病的異常狀態(tài)，將超聲與3D打印技術結合起來則可能為結構性心臟病的評估提供更為直觀準確的信息。

超聲心動描記術；結構性心臟??；3D打??；綜述

3D打?。╰hree-dimensional printing）作為一種新興技術，近年來發(fā)展迅速，已經從工業(yè)制造領域逐漸延伸到醫(yī)學領域，而三維超聲心動圖作為一種較為成熟的檢查手段，在結構性心臟病的評估中發(fā)揮重要作用［1］，將二者結合起來對結構性心臟病進行術前、術中和術后的評估，可以為臨床提供更多、更準確的信息。

1 三維超聲心動圖與3D打印簡介

三維超聲心動圖自誕生以來歷經數(shù)十年的發(fā)展進步，近年來由于實時三維經胸超聲探頭的研制成功，已經能夠實現(xiàn)實時三維灰階成像和三維彩色多普勒血流成像，幀頻亦能滿足臨床診斷需求，并且能進行現(xiàn)場在機分析和脫機后處理分析。常規(guī)二維超聲心動圖僅能探測二維平面，而心臟是一個立體結構，對結構異常的檢查需要超聲醫(yī)師在頭腦中經過“想象”形成三維圖像，要求具備比較豐富的臨床經驗和空間想象能力。而三維彩色多普勒超聲心動圖則僅需通過幾個不同位置數(shù)據庫的成像，通過計算機后處理來切割、加工，以暴露解剖結構和血流動力學的異常，減少了對于檢查者臨床經驗和空間想象能力的依賴性，其特殊的“外科視角”更是能讓外科醫(yī)師直接讀懂圖像，更進一步簡化了超聲醫(yī)師與外科醫(yī)師的交流方式與過程［2］。

3D打印技術，又稱為疊加制造技術或快速成型技術［3］，于上世紀80年代在美國誕生，其原理是應用一定的可塑性材料根據特定的模型在3D打印機上分層打印并粘合而成立體的物體，最初主要應用于機械制造及航天領域，近年來隨著技術的發(fā)展及材料科學的進步，打印精度不斷提高，打印費用不斷下降，逐漸有學者將其應用于醫(yī)學領域［4-5］，但目前應用范圍主要限于牙科、骨科以及生物工程［6-7］、再生醫(yī)學［8］等基礎研究方面，在心臟疾病臨床應用方面的研究較少［9-10］。

2 3D打印在心臟疾病方面的應用現(xiàn)狀與打印步驟

3D打印擅長于直觀地顯示物體的三維立體結構［11］，目前已經有國外學者將3D打印技術應用于結構性心臟病輔助診斷和治療方面的研究，如瓣膜置換與成形［12-15］、心臟移植［16］、心臟腫瘤［17-18］、復雜性先天性心臟?。?9-20］以及大血管病變［21-22］等方面；國內學者近年來也進行了初步的嘗試［9］，但是并未進行較大規(guī)模的研究，目前3D打印技術用于心臟疾病方面的研究在國內尚處于起步階段，具有一定的應用前景。

3D打印最重要的步驟是3D模型的建立，在之前的研究中，3D模型的原始數(shù)據主要來源于CT和MRI［23］以及其他影像學技術的聯(lián)合［24］，而來源于三維超聲心動圖的研究數(shù)據較少［25］，由于CT檢查具有電離輻射性，MRI對于患者的嚴格選擇性，加之檢查時間較長，成本較高，造成這些技術難以廣泛應用于3D模型數(shù)據的獲取。而超聲心動圖由于簡單易行，幾乎沒有患者選擇性，無輻射，重復性好，近年來隨著三維超聲心動圖技術的進步，其三維圖像的分辨率及精度的提高，完全可以用于3D模型原始數(shù)據的獲取，并且取得了良好的效果［26］。

在獲取三維超聲心動圖的醫(yī)學數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）數(shù)據后，將其導入三維建模軟件（如Mimics、SolidWorks等專業(yè)處理軟件），進行相應的處理及轉換，得到3DPM（three-dimensional printing model），可以將結構性心臟病病變部位的解剖結構清晰立體地呈現(xiàn)出來，經分析后用于對結構性心臟病的病變評估以及手術方案的制定，并且可以導出為.STL文件（3D打印機可以識別的數(shù)據文件），然后輸入3D打印機，利用原材料進行實體打印。在得到心臟的實體3D模型后，可以觀察實體模型的缺陷結構，加深對于結構性心臟病的空間理解，也可以進行模擬手術，選擇合適大小的補片、封堵器、人工瓣膜、人工血管等，為手術打下良好的基礎，縮短體外循環(huán)時間及手術時間，甚至對預后做出一定的判斷。

3 超聲引導3D打印與先天性心臟病

先天性心臟病可以概括劃分為簡單先天性心臟病和復雜先天性心臟病，而每一類中所包含的心臟畸形多種多樣，每一種先天性心臟病的手術方式與手術難度也是千差萬別的，需要心臟內科醫(yī)師、心臟外科醫(yī)師以及超聲醫(yī)師在術前進行充分的評估與討論，由于先天性心臟病多是心臟在胚胎發(fā)育過程中解剖學上存在簡單或復雜的缺陷，并且伴有血流動力學的改變，這種缺陷的立體結構呈現(xiàn)何種形態(tài)是超聲科和外科醫(yī)師最為關心的，而對其進行正確的描述和診斷，對于先天性心臟病的矯治來說至關重要。CT和MRI雖然可以對心臟的解剖結構進行準確地描述，但因其固有的缺陷，難以常規(guī)應用，尤其是對于血流動力學的評估更是難以體現(xiàn)，而三維超聲心動圖則沒有這些缺陷，目前超聲探頭的分辨率越來越高，加之超聲的實時性對于血流動力學評估具有優(yōu)勢，如果將三維超聲心動圖與3D打印技術結合起來對先天性心臟病進行術前、術中和術后的診斷與評估，將具有較為重要的臨床意義。

國內學者劉坤等［27］利用增強CT的數(shù)據，經過處理輸入3D打印機，最終打印出聚丙烯樹脂心臟模型，可以顯示增大的右心、房間隔缺損、動脈導管未閉以及肺靜脈異位引流的位置走形等，并且此模型與術中所見完全相符。楊帆等［28］利用3D打印的心臟模型模擬封堵術，發(fā)現(xiàn)常規(guī)房間隔缺損封堵器可能會阻礙患兒同側肺靜脈的回流，而采用動脈導管未閉封堵器在模型上可以避免此種情況的發(fā)生，同時也不會影響周圍組織結構的功能，術中順利使用動脈導管未閉封堵器成功對患兒的房間隔缺損進行了介入治療，避免了更換封堵器或者介入失敗的風險。陳鵬飛等［29］利用CT數(shù)據制作出了1∶1的主動脈弓三維立體模型，此模型對手術規(guī)劃具有臨床意義，而且有助于制作個體化人工血管支架。

4 超聲引導3D打印與瓣膜性心臟病

瓣膜性心臟病是由于各種原因導致心臟瓣膜狹窄或者關閉不全，通常也伴有血流動力學的異常，對于瓣膜性心臟病而言，最主要的是了解其解剖結構的異常，而對于血流動力學的要求則相對較低，超聲引導3D打印技術能夠滿足這種要求。在對患者進行超聲心動圖檢查時，可以初步了解受損瓣膜的解剖病變及血流動力學的異常，超聲心動圖獲取原始圖像后，可以進行感興趣區(qū)域的切割，甚至三維彩色多普勒超聲數(shù)據的切割與編輯。根據這些數(shù)據最后打印出來的實物是彩色的，易于外科醫(yī)生識別，且能夠在模型上進行模擬手術訓練，便于培養(yǎng)初級醫(yī)師的手術技能。O′Neill等［12］使用CT三維數(shù)據制作出了主動脈瓣模型，用于指導經皮主動脈瓣置換術，獲得了成功。Maragiannis等［13］使用CT掃描獲得三維數(shù)據，打印出了主動脈瓣狹窄的模型，并且對此模型進行了超聲心動圖檢查，與患者本身狹窄的瓣膜相符。Dankowski等［14］使用CT三維數(shù)據制作了包含二尖瓣的完整三維心臟模型，用于指導經皮二尖瓣成形術獲得了非常好的效果。Witschey等［24］應用經食管三維超聲心動圖數(shù)據制作了風濕性二尖瓣狹窄的病變模型，且指導手術順利實施。Olivieri等［26］使用三維超聲心動圖數(shù)據獲取了主動脈瓣周漏的模型，對于患者下一步治療有較高的參考價值。劉坤等［30］使用3D打印技術將經導管主動脈瓣置入術所用的瓣膜打印出來，根據此模型選擇相應的人工瓣膜進行介入手術，最終獲得成功。

5 超聲引導3D打印與其他結構性心臟病

其他結構性心臟病，比如肥厚型心肌病中非對稱肥厚的心肌、狹窄的右室流出道、心臟腫瘤等，3D打印除了能提供結構方面的立體表現(xiàn)，目前尚不能提供其他更多方面的信息。Son等［17］使用CT和MRI數(shù)據制作了包含腫瘤的心臟模型，指導了外科手術的順利進行。Schmauss等［18］應用CT三維數(shù)據制作了心臟腫瘤的實體模型，為外科手術提供了直觀的參考。Bauch等［31］將3D打印技術用于患者安裝起搏器的術前指導，最終起搏器安裝順利并且正常工作。超聲引導3D打印目前在評估其他結構性心臟病的研究中應用較少，可以預計具有一定的研究前景。

6 超聲引導3D打印的局限性

在目前國內外的研究中，3D打印的數(shù)據來源仍主要是CT和MRI，來源于超聲的數(shù)據仍然很少，主要原因分析如下：首先，3D打印的數(shù)據必須是三維的原始數(shù)據，CT和MRI的三維重建已經應用多年并且非常成熟，而三維超聲的數(shù)據重建則應用時間較短并且尚未完全成熟，但是近年來隨著技術的進步，初步研究顯示三維超聲重建時間較短而且效率也比較高［2］；其次，在早期發(fā)展階段，三維超聲的成像角度較小，難以將結構性心臟病的畸形結構完全包括進去，彩色三維超聲的成像角度及時間分辨率更小，無法應用于3D打印，近年來由于技術的發(fā)展，無論是灰階三維還是彩色三維，其成像角度及時間分辨率有了較大的提高［12］，基本可以滿足3D打印以及診斷的需求；第三，與CT和MRI不同，超聲的數(shù)據質量仍主要依賴操作者的經驗，而且早期階段三維超聲探頭的分辨率不高，加之重建過程數(shù)據質量有一定的損失，難以應用于3D打印，而近年來由于高分辨率矩陣三維超聲探頭的研制成功［26］，以及三維后處理技術的逐步成熟，數(shù)據質量有了一定的保證。

綜上所述，3D打印技術目前尚在初級發(fā)展階段，在醫(yī)學領域尤其是心臟病方面應用較少，國內外尚未形成較大規(guī)模的研究和應用。而三維超聲心動圖目前已經進入快速發(fā)展階段并逐步成熟起來，將這兩者結合起來評價結構性心臟病具有較為重要的意義。由于結構性心臟病很多包含血流動力學的異常，3D打印實體模型仍是靜態(tài)模型，不能完全體現(xiàn)出這種異常。能以體外培養(yǎng)細胞打印出活體器官的4D打印技術（four dimensional printing）目前尚處于實驗室研究階段?？梢灶A計在不久的將來，3D打印技術在醫(yī)學領域將發(fā)揮更為重要的作用。

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（2016-03-30收稿 2016-04-26修回）

（本文編輯 李國琪）

Progress in application of ultrasound guided three-dimensional printing on the assessment of structural heart disease

ZHU Yanbo1，GENG Jie2△，GUAN Xin1，LIU Jianshi3
1 Department of Ultrasound，2 Department of Cardiac Intensive Care Unit，3 Department of Cardiac Surgery，Tianjin Chest Hospital，Tianjin 300222，China
△

Structural heart disease includes congenital cardiovascular structural abnormalities，valvular heart disease and cardiomyopathy，which shows the common features of cardiac anatomical structure and hemodynamic abnormalities，especially anatomical abnormalities.Echocardiography，especially three-dimensional（3D）ultrasound，is good at displaying anatomical structure and blood flow abnormalities.As a non-invasive method of examination，it has advantage in the evaluation of such heart diseases.In recent years，the gradual rise of 3D printing technology can make physical printing，and the printed heart model can stereoscopically display abnormal state of heart diseases.Ultrasound combined with 3D printing technology may provide more intuitive and accurate information for the assessment of structural heart disease.

echocardiography；structural heart disease；three-dimensional printing；review

R540.45

A

10.11958/20160231

天津市醫(yī)藥衛(wèi)生重點攻關項目（14KG125）

1天津市胸科醫(yī)院超聲科（郵編300222），2 CICU，3心外科

朱延波（1984），男，主治醫(yī)師，碩士，主要從事超聲心動圖研究

△通訊作者 E-mail:gengjie_1973@126.com