基于三維經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖數(shù)據(jù)的左心耳3D打印模型的準(zhǔn)確性研究

張 潔 謝玉環(huán) 余 蘇 陳珊珊 羅維遠(yuǎn)

心房顫動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱房顫）是常見(jiàn)心律失常之一，Belgaid 等［1］研究顯示，在房顫患者預(yù)防腦卒中方面，左心耳封堵術(shù)長(zhǎng)期效果優(yōu)于華法林抗凝治療。左心耳解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，封堵術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)左心耳形態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估及相關(guān)徑線的測(cè)量。三維經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖（three-dimensional transesophageal echocardiography，3D-TEE）能夠清晰顯示左心耳解剖結(jié)構(gòu)，且可進(jìn)行封堵術(shù)中監(jiān)測(cè)及術(shù)后隨訪，被認(rèn)為是封堵術(shù)的首選影像學(xué)檢查方法，但3D-TEE 三維重建較難顯示左心耳的全景輪廓圖像，對(duì)于左心耳形態(tài)及分葉的評(píng)估有所欠缺［2］；CT 重建可客觀顯示左心耳形態(tài)及分葉，但對(duì)血栓與梳狀肌較難鑒別。基于3D-TEE 數(shù)據(jù)打印的3D實(shí)物模型則可彌補(bǔ)兩者的不足。3D 打印是一種快速成型技術(shù)，可以將醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為實(shí)物模型，近年來(lái)已有研究［3］將其應(yīng)用于心血管介入手術(shù)，從而可以更好地了解復(fù)雜的心臟解剖結(jié)構(gòu)及制定術(shù)前計(jì)劃。本研究旨在應(yīng)用3D-TEE 數(shù)據(jù)重建并打印房顫患者左心耳3D模型，分析其準(zhǔn)確性。

資料與方法

一、研究對(duì)象

選取2022 年9 月至2023 年1 月于南方醫(yī)科大學(xué)第十附屬醫(yī)院就診的房顫患者20 例，其中男8 例，女12 例，年齡26～70 歲，平均（53.65±14.37）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡＞18歲；②3 d內(nèi)均完成3D-TEE 及心臟增強(qiáng)CT檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：①合并冠心病、心肌病、先天性心臟病；②無(wú)法配合完成影像學(xué)檢查者。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（KYKT2022-074），患者均簽署知情同意書(shū)。

二、儀器與方法

1.3 D-TEE 數(shù)據(jù)獲?。菏褂肞hilips EPIQ 7C 彩色多普勒超聲診斷儀，X8-2T 經(jīng)食管超聲探頭，頻率2～7 MHz。檢查前均禁飲、禁食10 h 以上，行咽部表面浸潤(rùn)麻醉后，囑患者取左側(cè)臥位，置入經(jīng)食管超聲探頭，調(diào)節(jié)增益及幀頻以達(dá)到最佳圖像效果，調(diào)整探頭深度至食管中段水平，重點(diǎn)觀察左心耳內(nèi)有無(wú)血栓，進(jìn)入3D ZOOM 模式，將左心耳、肺靜脈嵴、部分左房納入取樣框，分別在45°及90°采集左心耳三維容積數(shù)據(jù)，隨后導(dǎo)入Qlab 13.0 工作站進(jìn)行左心耳徑線測(cè)量及分型。

2.基于3D-TEE 數(shù)據(jù)的3D 實(shí)物模型打?。菏褂妹绹?guó)Stratasys 公司Objet 3D 打印機(jī)及Agilus 30 類橡膠材料（肖氏硬度30-35A）。將3D-TEE 左心耳三維容積數(shù)據(jù)導(dǎo)入Qlab 工作站，獲取左心耳容積最大時(shí)的單幀容積數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Mimics 19.0 軟件（比利時(shí)Materialise公司），調(diào)節(jié)灰階對(duì)比度并濾除噪聲，對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割以獲取左心耳腔掩膜，對(duì)掩膜進(jìn)行手動(dòng)編輯處理至對(duì)應(yīng)灰階圖像，進(jìn)行包裹、平滑化、網(wǎng)格模型化、擴(kuò)展、抽殼處理，壁厚設(shè)置為1 mm，以標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語(yǔ)言格式保存并傳輸至打印機(jī)平臺(tái)，以1∶1 比例打印模型。見(jiàn)圖1。

圖1 左心耳建模及實(shí)體模型圖

3.CT 數(shù)據(jù)獲?。菏褂梦鏖T子Somatom Definition AS CT 儀或Philips Brilliance iCT 256 層螺旋CT 儀，掃描參數(shù)：管電壓80～120 kV，管電流每轉(zhuǎn)280～350 mAs，掃描準(zhǔn)直128×0.625 mm，螺距0.18，增強(qiáng)掃描對(duì)比劑為碘普羅胺（優(yōu)維顯，370 mgI/ml）60～80 ml，流速5.0 ml/s。掃描完成后進(jìn)行多時(shí)相重建，導(dǎo)入Qlab 工作站進(jìn)行左心耳徑線測(cè)量及分型。

4.左心耳徑線測(cè)量：在Qlab 工作站中逐幀回放選取左心耳最大容積圖像，以冠狀動(dòng)脈左旋支至肺靜脈嵴頂端內(nèi)1 cm 處作連線，以此連線中點(diǎn)作正交線確定為左心耳開(kāi)口平面并測(cè)量開(kāi)口長(zhǎng)徑及短徑；開(kāi)口平面中點(diǎn)至左心耳頂部距離為左心耳深度；CT 及3D 模型采用同一方法進(jìn)行測(cè)量。所有患者的左心耳參數(shù)均由2 名觀察者測(cè)量3 次取平均值。左心耳測(cè)量徑線以3D-TEE為標(biāo)準(zhǔn)。

5.左心耳解剖分型：左心耳形態(tài)分型參考Wang等［4］研究分為雞翅型、風(fēng)向標(biāo)型、仙人掌型、菜花型；左心耳分葉分型參考Budge 等［5］研究分為單葉、雙葉、多葉。左心耳形態(tài)及分葉評(píng)估以CT為標(biāo)準(zhǔn)。

6.重復(fù)性檢驗(yàn)：觀察者醫(yī)師1、醫(yī)師2均為具有5年以上心血管超聲檢查經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師，且均非CT重建者、TEE 檢查者、3D 模型制作者，由2 名觀察者各自進(jìn)行左心耳徑線的測(cè)量及形態(tài)分葉的評(píng)估。

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 21.0、MedCalc 19.0統(tǒng)計(jì)軟件，正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，兩兩比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)或率表示，組間比較采用Fisher 精確檢驗(yàn)。觀察者間、3D 模型與3D-TEE 間及CT 與3D-TEE間的一致性檢驗(yàn)采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）進(jìn)行評(píng)估；ICC＞0.75為一致性較高，0.50～0.75為一致性中等，＜0.50為一致性一般［6］。3D模型與CT、3D-TEE與CT評(píng)估左心耳形態(tài)、分葉的一致性分析采用Kappa檢驗(yàn)；Kappa值0.8～1.0 為一致性很高，0.6～0.8 為一致性較高，0.4～0.6 為一致性中等，0.2～0.4 為一致性一般，＜0.2 為一致性較差［7］。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果

一、3D 模型、3D-TEE、CT 測(cè)量左心耳徑線比較及一致性分析

1.3 D 模型與3D-TEE 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；3D 模型與3DTEE 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度的ICC 分別為0.97、0.98、0.98。3D 模型、3D-TEE 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度均小于CT測(cè)值，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）；3D 模型與CT 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度ICC 分別為0.91、0.90、0.90，3D-TEE 與CT 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度ICC 分別為0.91、0.88、0.90。見(jiàn)表1。

表1 3D模型、3D-TEE、CT測(cè)量左心耳各徑線比較（）mm

表1 3D模型、3D-TEE、CT測(cè)量左心耳各徑線比較（）mm

與CT測(cè)值比較，*P＜0.05

?

2.3 D 模型測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度的觀察者間ICC 分別為0.96、0.95、0.95；3D-TEE 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度的觀察者間ICC分別為0.97、0.95、0.95；CT 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度的觀察者間ICC 分別為0.94、0.90、0.96；一致性均較高。

二、3D 模型、3D-TEE、CT 評(píng)估左心耳解剖分型比較及一致性分析

1.3 D 模型與CT 在評(píng)估左心耳形態(tài)、分葉方面比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；兩種技術(shù)一致性均很高（Kappa=0.86、0.91，均P＜0.05）。3D-TEE 與CT 在評(píng)估左心耳形態(tài)、分葉方面比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；兩種技術(shù)評(píng)估左心耳形態(tài)一致性較高（Kappa=0.71，P＜0.05），評(píng)估左心耳分葉一致性很高（Kappa=0.81，P＜0.05）。見(jiàn)表2。

表2 3D模型、3D-TEE、CT評(píng)估左心耳解剖分型比較 例

2.3 D 模型評(píng)估左心耳形態(tài)、分葉的觀察者間ICC分別為0.95、0.93；3D-TEE 評(píng)估左心耳形態(tài)、分葉的觀察者間ICC 分別為0.94、0.87；CT 評(píng)估左心耳形態(tài)、分葉的觀察者間ICC分別為0.87、0.95；一致性均較高。

討論

目前臨床上對(duì)于左心耳形態(tài)的評(píng)估及徑線測(cè)量，主要依靠3D-TEE 和心臟增強(qiáng)CT，CT能夠清晰顯示左心耳結(jié)構(gòu)并測(cè)量相關(guān)徑線，還可通過(guò)三維重建客觀顯示左心耳形態(tài)及分葉情況，但對(duì)血栓的敏感性較3DTEE 低［8-9］，且有一定的放射性。研究［10］發(fā)現(xiàn)3D-TEE測(cè)量數(shù)據(jù)與術(shù)中封堵器型號(hào)的相關(guān)性良好，是術(shù)前評(píng)估的首選影像學(xué)檢查方法，但3D-TEE 有其局限性，目前臨床應(yīng)用的超聲成像軟件僅能三維重建出左心耳腔-內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，不能直觀顯示左心耳輪廓。3D 打印技術(shù)可幫助術(shù)者更好地了解左心耳空間結(jié)構(gòu)，近年已被用于左心耳封堵術(shù)前評(píng)估［11-13］，部分學(xué)者［13］術(shù)前根據(jù)左心耳3D模型匹配合適的封堵器，提高了植入成功率并減少了手術(shù)時(shí)間。本研究旨在應(yīng)用3D-TEE 數(shù)據(jù)重建并打印房顫患者左心耳3D模型，分析其準(zhǔn)確性。

目前3D 打印基于CT 數(shù)據(jù)居多，然而隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，基于超聲數(shù)據(jù)源的應(yīng)用研究逐漸增多［12-13］。本研究將20 例患者左心耳3D 實(shí)物模型與影像學(xué)檢查的測(cè)量參數(shù)及解剖分型進(jìn)行比較，結(jié)果顯示3D 模型與3D-TEE 測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且ICC 均＞0.9，一致性較高，說(shuō)明3D 模型可準(zhǔn)確還原其數(shù)據(jù)。本研究顯示3D 模型與3D-TEE測(cè)量左心耳開(kāi)口長(zhǎng)徑、開(kāi)口短徑、深度均小于CT 測(cè)值，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），但兩種技術(shù)測(cè)值仍然均與CT 有較高的一致性（3D 模型與CT 間的ICC 分別為0.91、0.90、0.90；3D-TEE 與CT 間的ICC 分別為0.91、0.88、0.90），分析原因?yàn)椋孩?D-TEE 與CT 成像機(jī)制不同造成的誤差［14］；②與左房負(fù)荷有關(guān)，Spencer 等［15］研究發(fā)現(xiàn)靜脈滴注500～1000 ml 生理鹽水后TEE 測(cè)量左心耳開(kāi)口面積及深度均較補(bǔ)液前顯著增大（均P＜0.05）；本研究中3D-TEE操作前需禁飲、禁食10 h以上，而CT檢查無(wú)此限制，使3D-TEE測(cè)量的左心耳各徑線均較CT測(cè)值偏小。

為了更好地選擇封堵器類型及大小型號(hào)，左心耳封堵術(shù)前除了測(cè)量左心耳各徑線外，還需準(zhǔn)確評(píng)估其形態(tài)及分葉情況。本研究結(jié)果顯示在左心耳分葉評(píng)估方面，3D模型、3D-TEE均與CT一致性很高（Kappa=0.91、0.81）；但在形態(tài)評(píng)估方面，3D 模型與CT 一致性很高（Kappa=0.86），3D-TEE與CT一致性較高（Kappa=0.71），分析原因?yàn)椋河捎?D-TEE 與CT 的三維重建原理不同，3D-TEE 僅能重建左心耳腔-內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，無(wú)法直觀呈現(xiàn)左心耳外部輪廓結(jié)構(gòu)，雖然3D-TEE 多角度連續(xù)掃查有助于超聲醫(yī)師準(zhǔn)確評(píng)估分葉數(shù)量，但超聲醫(yī)師仍需具有較好的空間想象力和經(jīng)驗(yàn)才能準(zhǔn)確評(píng)估左心耳形態(tài)；而3D模型則是根據(jù)影像數(shù)據(jù)重現(xiàn)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，可直觀顯示左心耳解剖分型。

本研究的局限性：①3D 打印需要耗材較多，本研究樣本量有限；②重建3D模型過(guò)程中需手動(dòng)調(diào)整掩膜邊界，盡可能使掩膜擬合灰階圖像以確保模型的準(zhǔn)確性，過(guò)程較為繁瑣，如何優(yōu)化建模有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，基于3D-TEE 數(shù)據(jù)的3D 打印模型可準(zhǔn)確還原房顫患者左心耳數(shù)據(jù)，且與3D-TEE 相比，3D模型在評(píng)估左心耳形態(tài)及分葉方面與CT 重建一致性更高。另外，實(shí)體模型不僅提供了術(shù)前-術(shù)中高度相關(guān)的測(cè)量信息及解剖評(píng)估，還具有傳統(tǒng)影像學(xué)所不具備的優(yōu)勢(shì)，即提供術(shù)前模擬演練及便于醫(yī)患溝通。