3D打印、計算機(jī)建模及人工智能在結(jié)構(gòu)性心臟病中的應(yīng)用

徐臣年，李 澤，劉 洋，楊 劍

結(jié)構(gòu)性心臟?。╯tructural heart disease，SHD）介入治療需要對圍手術(shù)期心臟病理生理學(xué)和介入器械進(jìn)行深入了解，傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查已無法滿足這些要求。經(jīng)導(dǎo)管介入手術(shù)中仍存在專用器械研發(fā)、醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)療成像以及護(hù)理配合等方面的短板，對人體的3D、4D和解剖生理關(guān)系的理解上也存在差異［1］。為了彌補(bǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)之間的差距、整合計算機(jī)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程優(yōu)勢，3D打印、計算機(jī)建模和人工智能（artificial intelligence，AI）可能會發(fā)揮其優(yōu)勢作用。本文就以上領(lǐng)域新技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 3D打印簡介

3D打印，也稱為“快速原型制造或增材制造”，是通過在數(shù)字化定義的幾何圖形上沉積多層材料，將數(shù)字對象轉(zhuǎn)換為三維物理復(fù)制品的一種制造技術(shù)。3D打印建模是一個連續(xù)的過程，制作患者特定的3D打印模型源于采集高質(zhì)量的成像數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為適合進(jìn)一步圖像處理的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信（digital imaging and communication in medicine，DICOM）格式。將DICOM圖像導(dǎo)入專門的圖像處理軟件中，通過分割過程構(gòu)建特定解剖部位，然后進(jìn)行3D模型的繪制和數(shù)字建模。3D數(shù)字解剖模型以立體光刻（stereolithography，STL）文件格式保存，其中包含適合3D打印的復(fù)雜幾何體表面網(wǎng)格信息，并可通過計算機(jī)輔助設(shè)計建模和分析進(jìn)行修飾。

1.13D打印技術(shù)概述 3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于心血管醫(yī)學(xué)。立體光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的第一代3D打印技術(shù)，它利用紫外（ultraviolet，UV）激光以逐層方式固化基底材料（一種光敏液體樹脂）來生產(chǎn)3D零部件。根據(jù)設(shè)計要求，SLA在一個模型中只能使用一種材質(zhì)，并且需要額外打印支撐結(jié)構(gòu)。SLA是制作大型、高精度和透明心臟和血管模型的理想選擇，可用于教育、訓(xùn)練和測試。選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）是一種利用高功率紅外激光熔接尼龍、金屬和陶瓷等小顆粒熱敏材料的技術(shù)［2］。SLS主要應(yīng)用于制造業(yè)，不常用于心血管領(lǐng)域。熔融沉積建模（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）是一種成本相對較低的3D打印技術(shù)，適用于家庭或辦公室使用。FDM成本低，是生產(chǎn)剛性模型的理想選擇。噴墨3D打印技術(shù)的工作原理類似于2D噴墨打印機(jī)，它沉積了彩色液體粘合劑的微小液滴，以連接和固化粉末層，形成一個全彩色模型。噴墨只能使用一種基材。是制作復(fù)雜彩色心血管結(jié)構(gòu)的理想選擇。Stratasys公司（Rehovot，以色列）開發(fā)的Polyjet技術(shù)在某種程度上是SLA和噴墨技術(shù)的結(jié)合，它逐層沉積可紫外光固化的光聚合物以產(chǎn)生3D模型（圖1），通過混合兩種或兩種以上的基材，可以打印具有廣泛顏色和物理特性的“數(shù)字材料”。Polyjet技術(shù)最近被用于打印帶有剛性部分的順應(yīng)性心血管模型，如帶有鈣化病變的主動脈根部［2－4］（圖1）。

圖1 Stratasys J850打印機(jī)制作3D打印心臟模型

1.23D打印數(shù)據(jù)采集原理 立體圖像的采集在3D打印中起著至關(guān)重要的作用，不僅決定了3D模型的幾何精度，而且還可描述組織特性，指導(dǎo)選擇合適的打印材料。許多現(xiàn)代心血管成像技術(shù)被用于獲取3D打印的圖像數(shù)據(jù)。計算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）的時間分辨率在75～200 ms之間，由于其快速采集、高空間分辨率以及組織特征識別能力，已成為3D打印最常用的影像數(shù)據(jù)來源。與CT相比，3D心臟磁共振（cardiac magnetic resonance，CMR）的空間分辨率較低、采集時間較長。然而，由于沒有電離輻射，不受呼吸影響，CMR成像常用于兒童和年輕患者的心腔和大血管的3D打印建模。超聲心動圖適用性廣、時間分辨率高，并易于床邊進(jìn)行，在許多研究中，超聲心動圖已被用于獲取3D打印圖像數(shù)據(jù)［5］。3D超聲心動圖的主要局限性在于信噪比相對較低，不利于圖像后處理和3D建模。此外，由于聲學(xué)窗口和時空分辨率的限制，利用超聲心動圖對完整的心臟解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D重建仍然有困難。

1.3數(shù)據(jù)分割和圖像生成原理 在醫(yī)學(xué)圖像中描繪目標(biāo)心臟結(jié)構(gòu)邊界過程通常被稱為圖像分割，是心臟計算機(jī)建模的第一步，也是最費(fèi)力的一步。對SHD患者DICOM圖像進(jìn)行3D處理需要借助專業(yè)的3D分割和建模軟件。然而，多數(shù)情況下，需要手動分割與編輯，因?yàn)榇蠖鄶?shù)分割工具都基于簡單的強(qiáng)度閾值和區(qū)域增長，無法分割具有相似閾值心臟結(jié)構(gòu)。已發(fā)表的研究報告通常會使用一些商業(yè)、免費(fèi)工具［6－7］以及內(nèi)部研發(fā)工具［8］，其中基于AI的更復(fù)雜的圖像分割技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景［9］。用于計算機(jī)建模的心臟組織的材料特性的數(shù)據(jù)主要來源于動物組織和／或人類尸體的體外生物力學(xué)試驗(yàn)［10］。然而，值得注意的是，活體人體組織的力學(xué)性能不同于動物組織或尸體。此外，受試者的年齡、性別和病理學(xué)特性在決定組織性質(zhì)方面起著關(guān)鍵作用。盡管在心臟的計算機(jī)模型中經(jīng)常使用特定患者的形態(tài)學(xué)特征，只有少數(shù)研究增加了特定患者的材料特性［11］。

2 SHD的3D打印

2.1經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)的3D打印 患者個體化3D打印模型可用于經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）的術(shù)前計劃、TAVR器械尺寸選擇和發(fā)生瓣周漏可能性的風(fēng)險評估［12－14］。主動脈的3D打印模型已被證明可用于模擬患者的血流動力學(xué)狀況和體外植入TAVR裝置。Maragiannis等［15］開發(fā)了一系列患者特異性、柔性、多材料組合的3D打印主動脈瓣狹窄模型，該模型在柔性的主動脈弓內(nèi)可有鈣化結(jié)構(gòu)。3D模型使用柔性材料打印主動脈瓣葉和主動脈弓的幾何結(jié)構(gòu)，而主動脈瓣葉內(nèi)的鈣化結(jié)構(gòu)則由硬質(zhì)材料制成。將3D打印的主動脈模型置于患者特定的血流動力學(xué)條件下，從而證明其在體外個體化模擬患者血流動力學(xué)參數(shù)以及采集患者超聲心動圖參數(shù)的可行性［16－18］。筆者所在中心通過術(shù)前3D打印模擬主動脈根部結(jié)構(gòu)以及手術(shù)模擬輔助TAVR術(shù)前影像學(xué)評估，取得了3D打印技術(shù)應(yīng)用于主動脈瓣狹窄及關(guān)閉不全TAVR手術(shù)的初步經(jīng)驗(yàn)［2］。對于瓣膜鈣化較為嚴(yán)重的主動脈瓣狹窄患者，行TAVR術(shù)后鈣化瓣膜阻塞冠狀動脈風(fēng)險增加，術(shù)前3D打印模擬患者主動脈根部解剖結(jié)構(gòu)以及瓣葉鈣化點(diǎn)的分布情況，在體外模擬術(shù)中球囊擴(kuò)張等操作，初步判斷鈣化瓣葉阻塞冠脈的風(fēng)險程度，可以輔助TAVR術(shù)前決策。而對于主動脈瓣關(guān)閉不全并伴有升主動脈擴(kuò)張的患者，介入瓣膜的錨定問題也可通過體外3D打印模擬進(jìn)行預(yù)測，通過在體外3D打印主動脈根部模型模擬植入不同型號的瓣膜，通過比較不同型號以及類型瓣膜的錨定力、瓣膜釋放后的穩(wěn)定程度，個體化的選擇最佳介入器械。見圖2。

圖2 計算機(jī)模擬及3D打印技術(shù)在TAVR中的應(yīng)用

2.23D打印技術(shù)在經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣修復(fù)術(shù)中的應(yīng)用二尖瓣介入修復(fù)手術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了二尖瓣3D打印的創(chuàng)新應(yīng)用。最初將3D打印的二尖瓣瓣環(huán)和瓣葉用于正常和病變瓣膜結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)觀察。功能完整的二尖瓣模型包括瓣環(huán)、瓣葉、腱索和乳頭肌，對于提供一個功能性工具來測試和模擬患者個體化器械是必要的。Vukicevic等［19－20］開發(fā)了一種多材料3D打印二尖瓣模型，適用于使用MitraClip裝置進(jìn)行經(jīng)皮二尖瓣修補(bǔ)的手術(shù)模擬和規(guī)劃。在外科培訓(xùn)中，基于高端3D打印的手術(shù)模擬使受訓(xùn)人員能夠在實(shí)際手術(shù)之前獲得更多關(guān)于修復(fù)技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.3經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣置換術(shù)的3D打印與虛擬仿真在經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣置換術(shù)（transcatheter mitral valve replacement，TMVR）中，對“neo”－LVOT（left ventricular outflow tract，左心室流出道）的理解首先是通過在患者個體化3D打印中模擬器械開始的，該3D打印可以模擬流出道阻塞風(fēng)險的相關(guān)LVOT解剖結(jié)構(gòu)［21］。3D打印模型可作為可視化溝通工具來測試TMVR器械定位在患者二尖瓣平面的位置，以及評估TMVR后新的LVOT大小。在患者身上獲得TMVR術(shù)前和術(shù)后CT，neo－LVOT的概念就能夠從實(shí)物3D打印發(fā)展到虛擬3D打印瓣膜植入，并進(jìn)行模擬［22］。

2.43D打印在左心耳封堵術(shù)中的應(yīng)用 左心耳（left atrial appendage，LAA）臨床試驗(yàn)和早期可行性研究不需要使用3D打??；然而，一旦開始商業(yè)化應(yīng)用，在沒有手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的情況下，在早期操作人員的會有一個學(xué)習(xí)曲線，以確定器械尺寸和器械植入位置等新技術(shù)［23］。將3D打印應(yīng)用于LAA圍手術(shù)期規(guī)劃，有助于了解患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)不同LAA器械釋放位置，并有助于優(yōu)化器械尺寸、導(dǎo)管和器械選擇［24］（圖3）。

圖3 3D打印技術(shù)在左心耳封堵術(shù)前對左心耳及周圍解剖結(jié)構(gòu)的模擬

2.53D打印用于經(jīng)導(dǎo)管三尖瓣修復(fù)和置換 經(jīng)皮介入治療三尖瓣（tricuspid valve，TV）最近引起了廣泛關(guān)注［25］。由于TV器械本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，包括瓣環(huán)非平面性、不同數(shù)量的瓣葉、腱索、乳頭肌的位置以及右心房和心室周圍和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變異性；傳統(tǒng)的成像方式不足以評估右心解剖結(jié)構(gòu)和TV器械的復(fù)雜性。目前有幾項研究報道了從多模態(tài)圖像中提取TV用于術(shù)前計劃和解剖可視化研究［26－27］。Muraru等［26］證明了利用3D經(jīng)食道超聲心動圖（transesophageal echocardiogram，TEE）數(shù)據(jù)提取正常和異常三尖瓣葉和瓣環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)的可行性，其模型是3D打印的固體材料，適用于術(shù)前測量和定量分析。此外，Harb等［28］重建了一系列由多模態(tài)圖像構(gòu)建的右心模型，包括CT圖像、3D－TEE、以及MRI數(shù)據(jù)中提取的混合模型，用以評估TV形態(tài)、TV與周圍解剖結(jié)構(gòu)及血流動力學(xué)等因素的相互作用，制訂術(shù)前計劃［28］。Cabasa等［27］使用右心3D打印模型來設(shè)計一個使用Sapien XT假體（Edward Life sciences，Irvine，CA）的經(jīng)導(dǎo)管三尖瓣環(huán)植入術(shù)，演示如何從CT數(shù)據(jù)重建3D打印模型，用于選擇最佳手術(shù)器械尺寸和測試植入。

2.63D打印輔助患者教育與醫(yī)患溝通 3D打印對心臟團(tuán)隊的價值不僅僅局限于圍術(shù)期手術(shù)規(guī)劃，在臨床訪視期間，患者與醫(yī)師之間利用3D打印模型可以進(jìn)行治療方案的討論、患者參與度和滿意度的醫(yī)學(xué)調(diào)研。傳統(tǒng)的術(shù)中知情同意溝通需要患者理解醫(yī)學(xué)二維圖像，以及醫(yī)師口頭或書面描述。在患者教育中采用3D打印技術(shù)，能夠提高患者對手術(shù)知情同意書的理解。見圖4。

圖4 利用3D打印模型在TAVR術(shù)前進(jìn)行球囊預(yù)擴(kuò)模擬

3 計算機(jī)建模和AI基礎(chǔ)

心血管3D打印模型可以模擬活體器官的外觀和機(jī)械性能。對于體外試驗(yàn)或手術(shù)模擬，最理想的3D打印模型應(yīng)模擬整個心動周期內(nèi)的心血管活動；然而，這些材料無法模擬組織學(xué)特性，因此尋找與生物組織完全匹配的材料仍然是一個挑戰(zhàn)。有報道稱4D打印技術(shù)可以制作主動變形的3D物體［29］。而打印方向和后處理方法能顯著影響模型的力學(xué)行為［30］。利用3D打印制作生理和生物學(xué)上的精確模型，需要對組織打印材料進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

靜態(tài)3D打印模型正在為研發(fā)團(tuán)隊?wèi)?yīng)用，可減少新器械從概念到臨床應(yīng)用的過渡時間。靜態(tài)打印結(jié)合體外模擬患者特定血流動力學(xué)條件，形成功能性3D打印模型，是模擬介入心臟瓣膜裝置和輸送系統(tǒng)的理想測試環(huán)境。然而，3D打印無法模擬心臟生理搏動，如心臟組織生物力學(xué)特性、組織變形、流體力學(xué)等。計算機(jī)模擬可使用數(shù)值分析方法，如有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）和計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD），這些技術(shù)已廣泛應(yīng)用于量化模擬心臟組織的應(yīng)力和變形［31］以及心臟血流模式。全過程術(shù)前模擬可能需要數(shù)小時至數(shù)天時間，取決于解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及心臟組織和血流之間的潛在相互作用，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)－流體力學(xué)的完美耦合［32］。因此，F(xiàn)EA和CFD的成本較貴，特別是涉及到大的組織變形和流體－結(jié)構(gòu)相互作用時。計算機(jī)模擬的一個局限性是它對簡化建模過程所采用的數(shù)值假設(shè)非常敏感，例如，許多研究將左心室的心內(nèi)膜模擬成光滑的表面，這種簡化可能會導(dǎo)致心室內(nèi)血流模型與實(shí)際不符。目前還缺乏商業(yè)化用于臨床的FEA和CFD的計算機(jī)建模工具，這些技術(shù)的實(shí)施需要特殊的編程、工程技能，因此主要還停留在研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行。在臨床實(shí)踐中，于心臟計算機(jī)模型上模擬經(jīng)導(dǎo)管植入心臟瓣膜是一種捷徑，利用這種技術(shù)可以測試各種瓣膜尺寸和錨定深度。瓣膜植入后的新的LVOT也可以在TMVR前進(jìn)行評估［21］。TMVR術(shù)后LOVT梗阻不僅由新LVOT幾何結(jié)構(gòu)決定，也可受左心室的血流動力學(xué)影響。然而，在這樣的限定條件下沒有展示物理相互作用的模型，也不能觀察到瓣膜或組織的變形。

3.1AI在SHD中的應(yīng)用 AI對醫(yī)療保健的潛在影響巨大。近年來，AI方案在該領(lǐng)域的商業(yè)投入激增，這些解決方案提供了改善醫(yī)療保健和實(shí)現(xiàn)精確診療的能力，并在大型醫(yī)療公司中大規(guī)模采用AI。如前所述，SHD是一個以大量已使用、未使用和未測量的參數(shù)為特征的領(lǐng)域，3D結(jié)構(gòu)和“4D”生理可視化并不理想，患者之間在年齡、性別和種族上存在顯著差異，這為AI方案提供了巨大應(yīng)用潛力，可以提高患者護(hù)理的有效性、提高效率并降低成本。AI，具體說就是機(jī)器學(xué)習(xí)，不同于經(jīng)典的計算機(jī)編程，因?yàn)樗鎸Φ氖俏粗I(lǐng)域，從示例中學(xué)習(xí)而不依賴程序定義規(guī)則。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)極其復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，而不需要常識［33］。

3.2基于AI方法，改善SHD介入手術(shù) AI與3D

打印相結(jié)合，可以制作患者個性化解剖結(jié)構(gòu)模型，這對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)［34－35］。Engelhardt等通過內(nèi)窺鏡學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，提高了微創(chuàng)手術(shù)能力。通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以從二尖瓣修補(bǔ)的內(nèi)窺鏡實(shí)例中了解術(shù)中關(guān)鍵信息，并在模擬測試中學(xué)習(xí)。AI可以通過虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提高手術(shù)訓(xùn)練過程的真實(shí)性。

3.3介入醫(yī)師和介入影像醫(yī)師培訓(xùn) 超現(xiàn)實(shí)主義和AI模擬的應(yīng)用將為未來新技術(shù)研發(fā)發(fā)訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。在手術(shù)模擬中利用3D打印心臟瓣膜模型，可以提高操作人員對手術(shù)操作的信心［22，36］。AI在介入手術(shù)TEE訓(xùn)練中的應(yīng)用，能夠?yàn)閿?shù)字化圖像分級，并使獲取TEE圖像反饋成為可能。在TAVR介入醫(yī)師培訓(xùn)中，基于動作分析和手術(shù)操作模式的AI自動化評估證明新晉和專家級手術(shù)醫(yī)師之間在手術(shù)時間、技術(shù)水平等的差異［36］。未來將實(shí)時3D－TEE數(shù)據(jù)集、機(jī)器學(xué)習(xí)以及AI相結(jié)合，可以構(gòu)建更強(qiáng)大的可擴(kuò)展模塊，用于培訓(xùn)介入影像醫(yī)師、技師。

深度學(xué)習(xí)可能有助于AI在現(xiàn)實(shí)世界中的整合，深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)影像中最重要的應(yīng)用之一是分割領(lǐng)域。將心臟CT、MRI數(shù)據(jù)分割，可以獲取心臟大小、形狀和功能等重要信息［37］。AI的應(yīng)用有助于①自動化過程，消除操作人員之間的差異。②在臨床可操作的時間范圍內(nèi)獲取快速準(zhǔn)確的結(jié)果。其臨床潛力在于它能夠分析不同來源的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組合，從而在臨床決策中發(fā)揮價值。通過將待處理信息與深度學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中未被發(fā)現(xiàn)的知識，進(jìn)而制定更可靠的臨床決策。每種類型數(shù)據(jù)可以獨(dú)立分析，也可以與不同類型算法協(xié)同分析，產(chǎn)生創(chuàng)新性的應(yīng)用效果。例如，經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣夾合術(shù)（MitraClip）手術(shù)模擬可以使操作者選擇感興趣的瓣葉部位進(jìn)行夾持，并評估虛擬夾植入后形成二尖瓣接合區(qū)，以獲得最佳手術(shù)效果。術(shù)中監(jiān)測這些不同類型的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時預(yù)測，避免不良事件。③AI還可用于構(gòu)建、共享和檢索世界各地許多外科醫(yī)師和介入醫(yī)師收集的大量手術(shù)視頻、術(shù)中成像和電子醫(yī)療記錄［38］，形成一個實(shí)踐技術(shù)數(shù)據(jù)庫。推進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)和AI能夠改進(jìn)和創(chuàng)建更多可復(fù)制解剖模型，應(yīng)用于實(shí)時3D－TEE成像。AI有助于識別罕見的解剖病例，整合術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后數(shù)據(jù)。

4 展 望

3D打印、計算機(jī)模擬建模和深度學(xué)習(xí)在SHD手術(shù)中具有重要作用，這些技術(shù)的早期應(yīng)用有可能減少操作人員對于新技術(shù)的早期學(xué)習(xí)曲線。未來，計算機(jī)建模和深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用需要將患者手術(shù)數(shù)據(jù)集成到醫(yī)療記錄和數(shù)據(jù)采集共享平臺。多模態(tài)心血管成像的未來需要心臟病理生理學(xué)的臨床知識、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)與計算機(jī)軟件開發(fā)相結(jié)合，而不再僅僅是臨床專業(yè)知識。