基于影像學(xué)的3D打印在心血管系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及準(zhǔn)確性分析

王益佳，周 青，郭瑞強(qiáng)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲影像科，湖北 武漢 430060)

3D打印又稱疊加制造或快速成型技術(shù)，以STL數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，于自動(dòng)化控制下不斷在模型橫斷面上層疊原材料。隨著3D打印技術(shù)的改善、新型打印材料的研發(fā)及心血管體外功能流體模型的建立，個(gè)體化心血管3D模型在心血管疾病診療中的應(yīng)用不斷深入。研究[1]表明，3D模型適用于復(fù)雜心血管畸形手術(shù)方案制定及術(shù)前模擬操作，在心血管外科及心血管介入領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。隨著應(yīng)用的不斷深入，對(duì)于3D模型準(zhǔn)確性及再現(xiàn)性的質(zhì)疑隨之而來(lái)。本文圍繞3D打印在心血管系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀以及影響3D模型準(zhǔn)確性的因素進(jìn)行綜述。

1 心血管3D模型的應(yīng)用現(xiàn)狀

個(gè)體化3D打印模型在術(shù)前制定手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作以及心內(nèi)植入設(shè)備研發(fā)與改善的應(yīng)用中越來(lái)越重要。Yang等[2]通過(guò)打印肥厚型心臟病3D模型來(lái)模擬室間隔切除術(shù)，以避免術(shù)中損傷傳導(dǎo)系統(tǒng)。Jacobs等[3]打印心臟腫瘤模型，模擬手術(shù)切除，發(fā)現(xiàn)可成功提高一次性手術(shù)成功率。3D打印模型在模擬經(jīng)皮穿刺心臟介入手術(shù)中的應(yīng)用更為多見(jiàn)，如房間隔缺損封堵術(shù)[4]、室間隔缺損封堵術(shù)[5]，尤其是擬采用介入治療的嚴(yán)重瓣膜病。Vukicevic等[6]成功利用CT與經(jīng)食管三維超聲心動(dòng)圖(three-dimensional transesophageal echocardiography,3D-TEE)圖像融合，構(gòu)建了完整的左心室及包括腱索在內(nèi)的完整的二尖瓣裝置，還利用不同硬度和彈性的材料打印出不同生理狀態(tài)的二尖瓣，成功模擬了二尖瓣鉗夾術(shù)、二尖瓣穿孔封堵術(shù)、經(jīng)皮二尖瓣置換術(shù)等，并準(zhǔn)確評(píng)估術(shù)后并發(fā)癥的可能。

2 3D打印材料的研發(fā)

理想的3D打印心臟模型除需準(zhǔn)確性高之外，還要求各組件模型的材料性能接近心血管實(shí)體組織，具有相應(yīng)的彈性和變形能力，從而使受到應(yīng)力后發(fā)生的形變及植入裝置后與模型的相互作用近似于在體操作。

為真實(shí)模擬心臟瓣膜、心肌、血管等力學(xué)性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)，軟性材料的研發(fā)及使用成為重點(diǎn)。作為最接近真實(shí)心臟手感且性能穩(wěn)定的3D打印材料，類橡膠材料已用于心臟介入術(shù)或心血管外科手術(shù)模擬操作?，F(xiàn)階段使用率較高的類橡膠材料是以色列Objet公司的TangoPlus，具有不同范圍硬度和彈性模量，可模擬心臟不同的結(jié)構(gòu)，其中硬度最小的T100彈性模量約0.55 MPa，與血管[2]近似(E=0.1～0.55 MPa)。Hermsen等[7]構(gòu)建三維多孔支架，通過(guò)硅膠和水溶性凝膠混合物灌注，獲得與心肌組織手感接近的心臟3D模型。多種材料混合使用可復(fù)制出具有不同組織特征的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，如在打印罹患瓣膜病變的心臟時(shí)，可使用硬性材料打印二尖瓣和主動(dòng)脈瓣的鈣化，以軟性材料打印腔室及血管[8]。

根據(jù)心血管各組織的生理狀態(tài)選擇力學(xué)性質(zhì)近似的3D打印材料，構(gòu)建整體心血管模型，不僅有利于術(shù)前模擬操作，還有助于構(gòu)建心血管體外功能流體模型，以便更準(zhǔn)確地模擬心內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。

3 心血管體外功能流體模型的構(gòu)建

3D打印心血管功能流體模型是將個(gè)性化心血管3D打印模型與流體動(dòng)力學(xué)平臺(tái)相結(jié)合的功能性仿真模型，通過(guò)模擬每搏量、心率及射血時(shí)間等臨床真實(shí)流體條件，提高術(shù)前模擬操作的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，從而輔助臨床治療決策。

Maragiannis等[8]通過(guò)高分辨率CT、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和多種材料3D打印共同創(chuàng)建了8個(gè)嚴(yán)重狹窄主動(dòng)脈瓣的體外流體學(xué)功能模型。Mashari等[9]證實(shí)了建立鉗夾術(shù)后二尖瓣3D打印功能模型并進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)測(cè)試的可行性。在大血管流體模型試驗(yàn)的同時(shí)，有研究者開(kāi)始探索小血管流體模型。Russ等[10]基于3D打印技術(shù)獲取冠狀動(dòng)脈功能流體模型，并成功模擬了體外數(shù)字血管造影成像；Wang等[11]通過(guò)模擬血流速度分布、壁剪切應(yīng)力，成功運(yùn)用新方法探索了冠狀動(dòng)脈支架術(shù)的最佳支架植入位置，并證明半交叉支架策略可最大限度地減少再狹窄風(fēng)險(xiǎn)。心血管體外功能流體模型的建立極大提升了3D模型的應(yīng)用價(jià)值，為進(jìn)入臨床奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 3D模型準(zhǔn)確性分析

擬真3D打印材料的研發(fā)和心血管體外功能流體模型的建立均可提高3D模型術(shù)前模擬操作的準(zhǔn)確性及真實(shí)性，并降低手術(shù)成本、手術(shù)時(shí)間及輻射劑量，同時(shí)減少并發(fā)癥發(fā)生。打印模型的準(zhǔn)確性指打印模型和設(shè)計(jì)模型尺寸(即STL文件)之間的一致程度，是其發(fā)揮模擬手術(shù)操作、制定手術(shù)方案、優(yōu)化心內(nèi)設(shè)備等優(yōu)勢(shì)的前提；而3D打印模型失準(zhǔn)可能發(fā)生于3D打印的每一個(gè)步驟，包括3D打印及模型儲(chǔ)存過(guò)程、醫(yī)學(xué)影像成像、閾值分割及STL文件后處理。

Martelli等[12]對(duì)158篇文獻(xiàn)進(jìn)行Meta分析，發(fā)現(xiàn)其中34篇(21.5%)提及3D打印模型的準(zhǔn)確率欠佳，如基于CT血管造影的血管模型缺失部分動(dòng)脈[13]，甚至出現(xiàn)源圖像不存在的動(dòng)脈瘤[14]。3D打印模型失準(zhǔn)可導(dǎo)致治療方案不當(dāng)，因此，3D打印模型的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度需給予足夠重視。

4.1 3D打印機(jī)的精準(zhǔn)度分析 3D打印的主要成型方式包括熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)、光體立刻技術(shù)(stereolithography,SLA)、聚合物噴射成型(PolyJet)和選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)。不同成型技術(shù)打印出模型的分辨率不同，表面精度及適用范圍也不盡相同，因此，應(yīng)根據(jù)不同的臨床需求來(lái)選擇相應(yīng)的打印機(jī)。目前市面上的3D打印機(jī)z軸分辨力為0.05～0.30 mm，SLA和SLS打印機(jī)x—y軸分辨力多為0.1～0.2 mm，F(xiàn)DM打印機(jī)x—y軸一般為0.1～0.4 mm。PolyJet打印機(jī)x—y軸分辨率取決于每英寸的點(diǎn)數(shù)，約為600 dpi至0.05 mm。理論上，3D打印模式在三個(gè)徑線上的最高分辨力約0.05～0.10 mm，高于多數(shù)臨床影像，即醫(yī)學(xué)影像的分辨率能夠滿足多數(shù)3D打印機(jī)的要求。然而Teeter等[15]發(fā)現(xiàn)，采用3D打印獲取細(xì)小結(jié)構(gòu)模型時(shí)，分辨率只是決定精準(zhǔn)度的因素之一，在多數(shù)打印模式下不能打印出小于0.3 mm的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)3D打印機(jī)可以選擇z軸分辨率的數(shù)值，如SLA打印機(jī)，選擇范圍是0.025～0.200 mm，而FDM模式打印機(jī)可選范圍是0.1～0.5 mm。如使用FDM打印機(jī)，選擇z軸分辨力為0.5 mm，與分辨力0.1 mm相比，打印時(shí)間更快，但可能會(huì)缺失一些精細(xì)的血管[16]。另一方面，最高精度模型在許多情況下并非必要，故應(yīng)根據(jù)臨床目的選擇打印精度。

4.2 3D打印過(guò)程中的誤差 3D打印過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)模型失準(zhǔn)。3D打印的基礎(chǔ)模式是“疊加制造”，打印誤差存在于所有的“疊加制造”模式之中，特別是印刷層尺寸誤差可以疊加，如3D打印制造商所列舉，模型每25.4 mm會(huì)有約0.025～0.05 mm的誤差。

打印機(jī)運(yùn)行過(guò)程(化學(xué)反應(yīng)、加熱、冷卻)同樣會(huì)造成模型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏差，如FDM打印模型在熱塑性冷卻過(guò)程中易發(fā)生收縮和翹曲變形，導(dǎo)致在印刷過(guò)程中模型部分的幾何形態(tài)不準(zhǔn)確。同樣，SLA或PolyJet打印機(jī)運(yùn)行中、特別是在聚合過(guò)程中產(chǎn)生柔性模型時(shí)，由于打印機(jī)是以“自下而上”的方式打印每一層，隨后將印刷層從底部分離并提起以打印下一層，施加的機(jī)械應(yīng)力很大，會(huì)在從模具底板脫離的模型上產(chǎn)生附加變形，從而降低尺寸精度。這些機(jī)械應(yīng)力也可能使一部分打印層不能黏附在先前的打印層上，導(dǎo)致嚴(yán)重失準(zhǔn)。

4.3 3D模型的儲(chǔ)存與后處理 模型長(zhǎng)期儲(chǔ)存會(huì)分解或彎曲、變脆，潮濕的儲(chǔ)存環(huán)境會(huì)使模型變形和膨脹。打印后處理過(guò)程會(huì)影響準(zhǔn)確性，如空心血管模型，由于模型表面粗糙，需盡量減少液壓。有研究者[17]采用氫氧化鈉溶液來(lái)平滑3D打印的血管腔，不可避免地造成打印模型的腐蝕，且人為擴(kuò)大了血管腔內(nèi)徑。

選擇專業(yè)3D打印機(jī)，定期測(cè)試3D打印機(jī)的精度并重新校準(zhǔn)，有助于減少3D模型失準(zhǔn)可能。專業(yè)的FDM打印機(jī)在溫度受控的空間內(nèi)打印模型，而材料噴射打印機(jī)在噴射每層材料期間有一定時(shí)間來(lái)緩解內(nèi)部應(yīng)力。研究[18]表明，無(wú)論是幾何結(jié)構(gòu)還是解剖模型，打印模型和STL文件尺寸間的一致性誤差通常小于1 mm，甚至小于0.5 mm。

4.4 醫(yī)學(xué)影像閾值分割與STL文件后處理 醫(yī)學(xué)影像的閾值分割過(guò)程是失準(zhǔn)的重要來(lái)源之一[19]，因此需要盡可能獲得清晰準(zhǔn)確的醫(yī)學(xué)影像。不同成像方式適用于不同結(jié)構(gòu)，獲取高分辨率的源數(shù)據(jù)是保障心臟3D打印準(zhǔn)確性的前提?，F(xiàn)階段心血管3D打印的源數(shù)據(jù)來(lái)自超聲心動(dòng)圖、心臟CT和心臟MR(cardiac MR,CMR)，上述技術(shù)在獲取心血管影像時(shí)均存在優(yōu)勢(shì)及不足[20]，目前尚無(wú)能能夠完全滿足心臟3D打印需求的影像學(xué)檢查技術(shù)。CT具有較高的空間分辨率和密度分辨率，特別是在造影模式下能清晰顯示心腔及大血管輪廓，但不能清晰顯示瓣膜。CMR具有較高的軟組織分辨率，對(duì)心肌病變的診斷價(jià)值高于CT和超聲，但檢查耗時(shí)長(zhǎng)，受心率影響較顯著，三維重建較為困難。超聲心動(dòng)圖對(duì)心腔、瓣膜和心內(nèi)缺損等結(jié)構(gòu)性病變的診斷價(jià)值明顯高于CT，其局限性在于不能很好地顯示大血管全貌。通過(guò)多模態(tài)融合成像獲取心臟各組織結(jié)構(gòu)的高分辨率源數(shù)據(jù)，即使用3-Matics軟件的自動(dòng)配準(zhǔn)與對(duì)齊功能獲取各圖像的配準(zhǔn)點(diǎn)并融合圖像、刪除重復(fù)容積圖像信息，進(jìn)而獲得多種影像方式融合顯像的容積圖像，可極大地提高閾值分割的準(zhǔn)確性。另外，造影(對(duì)比)劑的使用可增強(qiáng)信噪比，有利于閾值分割。此外，在STL文件的創(chuàng)建及后處理過(guò)程中同樣存在著失準(zhǔn)可能，涉及STL的算法參數(shù)、圖像體素等多方面。

4.5 測(cè)量方式的準(zhǔn)確性 除了將醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為解剖模型的3D打印過(guò)程中產(chǎn)生的失準(zhǔn)，STL數(shù)據(jù)的測(cè)量以及打印模型的測(cè)量方式同樣需要重視。對(duì)比STL文件與模型的準(zhǔn)確性，需借助專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量軟件，以精確測(cè)量STL格式文件[15,18]，目前最常用的醫(yī)學(xué)影像3D處理軟件是Materialise公司的Mimics。而在測(cè)量模型方面，手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量?jī)H限于外部測(cè)量，測(cè)徑器和探針不易插入封閉的空腔，如血管腔或心臟內(nèi)部，且使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行的手動(dòng)測(cè)量難以精確識(shí)別解剖基點(diǎn)。因此，測(cè)量心血管3D模型時(shí)，可使用CT或MR等對(duì)模型進(jìn)行掃描，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，與STL文件數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

4.6 3D模型與實(shí)體解剖的對(duì)比 判斷心血管模型的準(zhǔn)確性應(yīng)以實(shí)體解剖為準(zhǔn)，但心血管系統(tǒng)復(fù)雜的腔室結(jié)構(gòu)及不同生理狀態(tài)下血流動(dòng)力學(xué)的變化，使3D模型與在體心臟對(duì)比較為困難。因此，多數(shù)研究[13,16]將模型與醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明誤差一般在1 mm以內(nèi)，且閾值分割是3D打印失準(zhǔn)的主要來(lái)源。這一發(fā)現(xiàn)適用于多數(shù)軟組織3D打印模型，同時(shí)3D打印心血管模型的準(zhǔn)確性可滿足臨床需求。

5 3D打印的發(fā)展趨勢(shì)與展望

個(gè)性化3D模型在復(fù)雜心血管系統(tǒng)疾病的治療中有重要作用及廣泛應(yīng)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模型準(zhǔn)確性評(píng)估的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域、尤其是心血管系統(tǒng)的應(yīng)用與普及仍需要更深層的研究，需要包括醫(yī)學(xué)影像學(xué)、材料工程、計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的多學(xué)科共同發(fā)展。