基于CT增強(qiáng)3D打印技術(shù)在腹主動脈瘤和B型主動脈夾層中的應(yīng)用(附2例報(bào)道)

張文卿，楊航，夏洪濤，吳思穎，楊揚(yáng)，楊素萍，王家平

3D打印技術(shù)也稱為快速成型(rapid prototyping，RP)技術(shù)，近年來在醫(yī)學(xué)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。與計(jì)算機(jī)生成的3D重建圖像相比，3D打印模型使臨床醫(yī)師有機(jī)會對復(fù)雜的心血管細(xì)節(jié)和異常結(jié)構(gòu)進(jìn)行更直觀的理解。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括協(xié)助臨床診斷、選擇最佳手術(shù)策略、提前預(yù)測術(shù)中的挑戰(zhàn)、對初級醫(yī)生進(jìn)行教育和培訓(xùn)、以及生成適合患者的個性化假體和植入物[2-7]。但是，目前對于3D打印模型的可行性和準(zhǔn)確性的研究還較少。

本研究通過總結(jié)2例主動脈瘤(artery aneurysm，AA)和主動脈夾層(aortic dissection，AD)患者的對比增強(qiáng)CT掃描數(shù)據(jù)來制作3D打印模型的初步經(jīng)驗(yàn)，并評估這些疾病的復(fù)雜解剖改變是否能在物理模型上得以準(zhǔn)確的再現(xiàn)。

材料與方法

1.模型重建

選取2017年本院PACS系統(tǒng)內(nèi)對比增強(qiáng)CT檢查效果較好的2例患者的CTA數(shù)據(jù)，其中1例為腹主動脈瘤，1例為Stanford B型主動脈夾層(累及主動脈弓)。

將患者DICOM格式的主動脈對比增強(qiáng)CT圖像導(dǎo)入MImics19.0軟件中進(jìn)行圖像后處理。采用自動和人工編輯的方法，將只包含胸主動脈、主動脈瘤以及頭臂干、左頸總動脈和左鎖骨下動脈近段的掩模進(jìn)行表面三維可視化。將三維表面可視化模型轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語言(standard tessellation language，STL)格式，從而得到主動脈腔的三維三角網(wǎng)格模型(圖1)[8]。

將從Mimics中導(dǎo)出的STL文件導(dǎo)入到3-Matic中，分別對模型的升主動脈、降主動脈、頭臂干、左頸總動脈和左鎖骨下動脈末端進(jìn)行切除處理，使每個模型的內(nèi)部可見[9]。根據(jù)患者CT圖像上主動脈壁的厚度近似于2.5 mm，以及熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)3D打印機(jī)噴頭直徑為0.4 mm的限制，對STL模型設(shè)置3.5 mm的最大非均勻外壁厚度，使主動脈壁任何一點(diǎn)的厚度d應(yīng)滿足：0.4 mm≤d≤3.5 mm(圖2)。應(yīng)用平滑濾過技術(shù)對STL模型血管外壁進(jìn)行多次迭代平滑處理[8-9]。對于standford B型主動脈夾層患者，通過后處理得到包含內(nèi)膜片和真假腔在內(nèi)的血管壁模型。

2.3D打印

將經(jīng)Mimics和3-Matic編輯而得到的STL模型導(dǎo)入到Materialise Magics 21.0進(jìn)行RP分層、設(shè)計(jì)支撐物并設(shè)置打印方向后，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Guider II(Flashforge Corporation)FDM 3D打印機(jī)進(jìn)行打印，打印材料選擇聚乳酸(polylactic acid，PLA)，最終打印出堅(jiān)固的塑料模型(圖3～4)[10]。

3.模型掃描

物理模型生成后，將模型浸在裝滿稀釋碘帕醇溶液(濃度為4%)的塑料容器中，對每一個3D打印的物理模型行胸主動脈CT血管成像，使用Philips iCT 256層CT掃描儀，掃描參數(shù)與原始CTA檢查相同：80 kA，200 mAs，層厚1.5 mm，層距0.75 mm，矩陣512×512。模型成型過程各個階段均保持比例為1∶1。

4.數(shù)據(jù)測量

對模型生成過程中的3個階段的圖像(原始CTA圖像、用于3D打印的STL格式模型、3D打印物理模型的CTA圖像)進(jìn)行測量，所有測量均由同一位觀察者進(jìn)行。分別測量各階段模型5個解剖位置(主動脈瘤：瘤頸、瘤體、腹主動脈分叉和左、右髂總動脈；主動脈夾層：升主動脈、降主動脈膈肌水平、頭臂干、左頸總動脈和左鎖骨下動脈)在橫軸面圖像上的左右徑(LR)和前后徑(AP)，并每個相同部位三個階段測量值之間的差值(取絕對值)，以及此差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。在AD模型生成的三個階段，分別在主動脈峽部及膈肌水平測量真腔和假腔的尺寸，并計(jì)算兩者差值的均值。

對三個階段的測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判定根據(jù)患者初始CTA掃描數(shù)據(jù)是否可以在STL模型和3D打印模型中準(zhǔn)確地再現(xiàn)(圖5)。

結(jié) 果

1.主動脈管腔大小

對模型生成過程中3個階段的圖像上測量的不同水平主動脈管腔內(nèi)徑的差異見表1～2。主動脈夾層模型和主動脈瘤的3D打印模型與患者原始CTA圖像上主動脈管腔內(nèi)徑的差值均為0.5～2.5 mm，均值分別為(1.1±0.5)和(1.3±0.5) mm。

2.夾層內(nèi)膜片

對模型生成過程中3個階段的CT圖像上分別測量2個位置降主動脈真、假腔的直徑并進(jìn)行比較，結(jié)果見表2?；颊咴糃TA和3D打印模型對比增強(qiáng)CT圖像(圖5)上降主動脈真、假腔的平均管徑差異為0.7 mm，STL模型與患者原始CTA圖像上真、假腔平均管徑差異僅為0.4 mm，3D打印模型與STL模型的真、假腔平均管徑差異為0.6 mm。

圖4 3D打印模型。a) FDM 3D打印機(jī)打印夾層模型；b～d) B型主動脈夾層模型，圖c～d顯示主動脈夾層真假腔、內(nèi)膜片、小的第二突破口，模型很好的顯示了夾層內(nèi)膜片走行改變及LCC和LSA受累的情況，頭臂干起源于真腔；e) 腹主動脈瘤模型背側(cè)面觀，展示了多發(fā)瘤體及累及范圍，其中根最大動脈AKA起源于瘤體，為手術(shù)方案的制定提供重要信息。LCC：左頸總動脈，LSA：左鎖骨下動脈，TL：真腔，F(xiàn)L：假腔，RCI：右骼總動脈。

圖5 AD病例。a) 在Mimics中測量患者原始DICOM橫軸面圖像上升主動脈的左右徑(箭)； b) 在Mimics中測量3D打印模型對比增強(qiáng)CT掃描圖像上相應(yīng)位置的升主動脈左右徑(箭)。

表1 模型生成3個階段主動脈管腔內(nèi)徑差值的絕對值 (mm)

表2 AD模型生成3個階段兩個測量點(diǎn)真假腔內(nèi)徑的差異 (mm)

注：階段1：原始對比增強(qiáng)CT圖像。階段2：STL格式的計(jì)算機(jī)化模型。階段3：3D打印物理模型的對比增強(qiáng)CT圖像。測量點(diǎn)1：主動脈弓降部主動脈峽部，測量點(diǎn)2：胸主動脈膈肌水平。

討 論

1.3D打印的準(zhǔn)確性

從本研究結(jié)果來看，與3D打印使用的原始CTA圖像相比，3D打印模型可以準(zhǔn)確地復(fù)制主動脈瘤和主動脈夾層的解剖細(xì)節(jié)，包括主動脈夾層的真、假腔和內(nèi)膜片(圖4)。在主動脈夾層的打印模型中，血管真、假腔直徑的平均差異為0.7 mm。有研究表明，通過在模型上模擬手術(shù)以預(yù)測術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，心臟3D打印模型可以降低圍手術(shù)期并發(fā)癥的發(fā)生率[11]，并且可以通過提高術(shù)者對解剖的理解及術(shù)中定位的準(zhǔn)確性，從而提高手術(shù)效率及安全性[12]。主動脈瘤和主動脈夾層的3D打印模型在模擬血管腔內(nèi)支架植入等手術(shù)過程中具有潛在的價值，可以幫助外科及介入醫(yī)師制訂更精確的手術(shù)計(jì)劃。同時，這些模型也可用于教學(xué)，幫助醫(yī)學(xué)生、實(shí)習(xí)生、初級或沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)師更好地了解復(fù)雜的主動脈解剖。此外，在醫(yī)患溝通中，這些模型可以幫助患者及其家人更切實(shí)準(zhǔn)確地了解病情及臨床醫(yī)師的手術(shù)策略。

本研究的重點(diǎn)是患者CTA與3D打印模型對比增強(qiáng)CT圖像上血管直徑測量結(jié)果的比較。3D打印模型高精度的解剖再現(xiàn)是其臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)，如果沒有高度的準(zhǔn)確性，臨床醫(yī)師就可能無法應(yīng)用模型進(jìn)行準(zhǔn)確的術(shù)前計(jì)劃。但是，由于每幀CT圖像的像素矩陣為512×512，限制了細(xì)節(jié)顯示，使得患者初始CT圖像與3D打印模型的CT圖像上主動脈管徑差異的理想值僅約為1 mm。

2.影響3D打印準(zhǔn)確性的原因

雖然測量到的一些血管直徑的差異≤1 mm，但也存在高達(dá)2.5mm的差異，表現(xiàn)為測量結(jié)果存在較大的極差。在模型生成的3個階段觀察到的血管直徑差異的變化有可能歸結(jié)為以下3個主要原因：

首先，雖然本研究努力確保每次的測量點(diǎn)都一致，但對多個階段的模型進(jìn)行測量時，測量點(diǎn)可能存在選擇誤差。這是因?yàn)闇y量的是不同類型的對象(分別為患者、計(jì)算機(jī)化模型和物理模型的CT圖像)，相互之間的肉眼比較可能并不是最佳的。對此，在以后的研究中，應(yīng)該嘗試通過Mimics將患者的CTA數(shù)據(jù)和3D打印模型的CT數(shù)據(jù)相結(jié)合起來進(jìn)行自動化比較。

其次，這些模型在3個階段中的測量使用了不同的軟件，物理打印模型CT圖像和患者的原始CTA圖像上血管直徑的測量使用的是Mimics，而STL模型的測量使用的是3-matic。理想情況下，所有的測量都應(yīng)該應(yīng)用同一個軟件，但是Mimics不支持STL格式文件。

最后，無論是在STL模型生成過程還是3D打印階段，假腔及瘤腔內(nèi)血栓化程度不同都可能影響到對真正血管腔的生成和勾畫，這種誤差將在以后的3D打印階段被放大，從而影響打印的精度及準(zhǔn)確性。在主動脈夾層破口附近、解剖結(jié)構(gòu)急劇變化處以及主動脈瘤瘤腔內(nèi)和重要動脈分支處，通常會存在不同程度的血栓化，這似乎可以解釋相對于病變的平滑部分，為什么在這些部位的測量值差異更加明顯。

3.誤差分析

雖然STL模型和3D打印模型CT掃描的結(jié)果是評價原始數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確復(fù)制、再現(xiàn)的指標(biāo)，但它并不一定能完整反映出3D打印模型的準(zhǔn)確性。首先，在5個設(shè)置的解剖點(diǎn)只對每個模型進(jìn)行了一次測量，在今后的研究中，應(yīng)該對同一點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測量以減小測量誤差。此外，血管壁厚度的測量值存在較大差異(0.7～3.5 mm)，而模型顯示的血管壁厚度的改變似乎可以反映局部管腔的血栓化程度，這對臨床醫(yī)師進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃時是否可以產(chǎn)生積極的意義，這將是以后研究的重點(diǎn)。

在AD模型內(nèi)膜片的復(fù)制方面，本組測量結(jié)果表明，逐層編輯的方法可以如實(shí)地再現(xiàn)內(nèi)膜片。然而，在3D打印模型中，由于假腔血栓化及強(qiáng)化程度的影響，內(nèi)膜片的全長并不能完全準(zhǔn)確地復(fù)制。其次，采用的512×512像素矩陣可能提供不了分離出連續(xù)內(nèi)膜片這樣精細(xì)解剖細(xì)節(jié)的有效分辨率，因此，為獲得更連續(xù)的內(nèi)膜片，運(yùn)用更高分辨率CT及更大的掃描矩陣可能會有所幫助。在未來的研究中，在精準(zhǔn)醫(yī)療的大環(huán)境下，隨著相應(yīng)軟件的不斷升級和使用更高分辨率的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，生成更具精細(xì)解剖學(xué)代表性的主動脈夾層模型將只是時間問題[13]。

本研究表明，主動脈瘤和主動脈夾層的3D打印模型可以準(zhǔn)確再現(xiàn)患者的對比增強(qiáng)CT掃描數(shù)據(jù)，此模型在手術(shù)模擬、臨床教學(xué)和醫(yī)患溝通中具有很高的應(yīng)用價值。對主動脈夾層撕裂內(nèi)膜片的重建方面，3D打印模型也能取得較好的效果。但與原始CTA數(shù)據(jù)相比，3D打印模型的血管內(nèi)徑仍存在較大的標(biāo)準(zhǔn)差(尤其是主動脈夾層模型)，對于如何更精確地評估和再現(xiàn)主動脈病變的解剖細(xì)節(jié)，還需要進(jìn)一步的研究。