朱延波，耿婕，關(guān)欣，劉建實

超聲引導(dǎo)3D打印用于評估結(jié)構(gòu)性心臟病的研究進(jìn)展

朱延波1，耿婕2△，關(guān)欣1，劉建實3

結(jié)構(gòu)性心臟病包括先天性心血管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和血流動力學(xué)的異常，尤其以解剖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與血流的異常，對于結(jié)構(gòu)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(shù)可以進(jìn)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(shù)結(jié)合起來則可能為結(jié)構(gòu)性心臟病的評估提供更為直觀準(zhǔn)確的信息。

超聲心動描記術(shù)；結(jié)構(gòu)性心臟??；3D打印；綜述

3D打?。╰hree-dimensional printing）作為一種新興技術(shù)，近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)從工業(yè)制造領(lǐng)域逐漸延伸到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而三維超聲心動圖作為一種較為成熟的檢查手段，在結(jié)構(gòu)性心臟病的評估中發(fā)揮重要作用［1］，將二者結(jié)合起來對結(jié)構(gòu)性心臟病進(jìn)行術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后的評估，可以為臨床提供更多、更準(zhǔn)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(jīng)數(shù)十年的發(fā)展進(jìn)步，近年來由于實時三維經(jīng)胸超聲探頭的研制成功，已經(jīng)能夠?qū)崿F(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(jìn)行現(xiàn)場在機(jī)分析和脫機(jī)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(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)異常的檢查需要超聲醫(yī)師在頭腦中經(jīng)過“想象”形成三維圖像，要求具備比較豐富的臨床經(jīng)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(jù)庫的成像，通過計算機(jī)后處理來切割、加工，以暴露解剖結(jié)構(gòu)和血流動力學(xué)的異常，減少了對于檢查者臨床經(jīng)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(jìn)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(shù)，又稱為疊加制造技術(shù)或快速成型技術(shù)［3］，于上世紀(jì)80年代在美國誕生，其原理是應(yīng)用一定的可塑性材料根據(jù)特定的模型在3D打印機(jī)上分層打印并粘合而成立體的物體，最初主要應(yīng)用于機(jī)械制造及航天領(lǐng)域，近年來隨著技術(shù)的發(fā)展及材料科學(xué)的進(jìn)步，打印精度不斷提高，打印費(fèi)用不斷下降，逐漸有學(xué)者將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［4-5］，但目前應(yīng)用范圍主要限于牙科、骨科以及生物工程［6-7］、再生醫(yī)學(xué)［8］等基礎(chǔ)研究方面，在心臟疾病臨床應(yīng)用方面的研究較少［9-10］。

2 3D打印在心臟疾病方面的應(yīng)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(jié)構(gòu)［11］，目前已經(jīng)有國外學(xué)者將3D打印技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(fù)雜性先天性心臟?。?9-20］以及大血管病變［21-22］等方面；國內(nèi)學(xué)者近年來也進(jìn)行了初步的嘗試［9］，但是并未進(jìn)行較大規(guī)模的研究，目前3D打印技術(shù)用于心臟疾病方面的研究在國內(nèi)尚處于起步階段，具有一定的應(yīng)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(jù)主要來源于CT和MRI［23］以及其他影像學(xué)技術(shù)的聯(lián)合［24］，而來源于三維超聲心動圖的研究數(shù)據(jù)較少［25］，由于CT檢查具有電離輻射性，MRI對于患者的嚴(yán)格選擇性，加之檢查時間較長，成本較高，造成這些技術(shù)難以廣泛應(yīng)用于3D模型數(shù)據(jù)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(fù)性好，近年來隨著三維超聲心動圖技術(shù)的進(jìn)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(jù)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(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）數(shù)據(jù)后，將其導(dǎo)入三維建模軟件（如Mimics、SolidWorks等專業(yè)處理軟件），進(jìn)行相應(yīng)的處理及轉(zhuǎn)換，得到3DPM（three-dimensional printing model），可以將結(jié)構(gòu)性心臟病病變部位的解剖結(jié)構(gòu)清晰立體地呈現(xiàn)出來，經(jīng)分析后用于對結(jié)構(gòu)性心臟病的病變評估以及手術(shù)方案的制定，并且可以導(dǎo)出為.STL文件（3D打印機(jī)可以識別的數(shù)據(jù)文件），然后輸入3D打印機(jī)，利用原材料進(jìn)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(jié)構(gòu)，加深對于結(jié)構(gòu)性心臟病的空間理解，也可以進(jìn)行模擬手術(shù)，選擇合適大小的補(bǔ)片、封堵器、人工瓣膜、人工血管等，為手術(shù)打下良好的基礎(chǔ)，縮短體外循環(huán)時間及手術(shù)時間，甚至對預(yù)后做出一定的判斷。

3 超聲引導(dǎo)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(fù)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(shù)方式與手術(shù)難度也是千差萬別的，需要心臟內(nèi)科醫(yī)師、心臟外科醫(yī)師以及超聲醫(yī)師在術(shù)前進(jìn)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(xué)上存在簡單或復(fù)雜的缺陷，并且伴有血流動力學(xué)的改變，這種缺陷的立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)何種形態(tài)是超聲科和外科醫(yī)師最為關(guān)心的，而對其進(jìn)行正確的描述和診斷，對于先天性心臟病的矯治來說至關(guān)重要。CT和MRI雖然可以對心臟的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確地描述，但因其固有的缺陷，難以常規(guī)應(yīng)用，尤其是對于血流動力學(xué)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(xué)評估具有優(yōu)勢，如果將三維超聲心動圖與3D打印技術(shù)結(jié)合起來對先天性心臟病進(jìn)行術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后的診斷與評估，將具有較為重要的臨床意義。

國內(nèi)學(xué)者劉坤等［27］利用增強(qiáng)CT的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理輸入3D打印機(jī)，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(dǎo)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(shù)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(shù)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)房間隔缺損封堵器可能會阻礙患兒同側(cè)肺靜脈的回流，而采用動脈導(dǎo)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(jié)構(gòu)的功能，術(shù)中順利使用動脈導(dǎo)管未閉封堵器成功對患兒的房間隔缺損進(jìn)行了介入治療，避免了更換封堵器或者介入失敗的風(fēng)險。陳鵬飛等［29］利用CT數(shù)據(jù)制作出了1∶1的主動脈弓三維立體模型，此模型對手術(shù)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(dǎo)3D打印與瓣膜性心臟病

瓣膜性心臟病是由于各種原因?qū)е滦呐K瓣膜狹窄或者關(guān)閉不全，通常也伴有血流動力學(xué)的異常，對于瓣膜性心臟病而言，最主要的是了解其解剖結(jié)構(gòu)的異常，而對于血流動力學(xué)的要求則相對較低，超聲引導(dǎo)3D打印技術(shù)能夠滿足這種要求。在對患者進(jìn)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(xué)的異常，超聲心動圖獲取原始圖像后，可以進(jìn)行感興趣區(qū)域的切割，甚至三維彩色多普勒超聲數(shù)據(jù)的切割與編輯。根據(jù)這些數(shù)據(jù)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(jìn)行模擬手術(shù)訓(xùn)練，便于培養(yǎng)初級醫(yī)師的手術(shù)技能。O′Neill等［12］使用CT三維數(shù)據(jù)制作出了主動脈瓣模型，用于指導(dǎo)經(jīng)皮主動脈瓣置換術(shù)，獲得了成功。Maragiannis等［13］使用CT掃描獲得三維數(shù)據(jù)，打印出了主動脈瓣狹窄的模型，并且對此模型進(jìn)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(jù)制作了包含二尖瓣的完整三維心臟模型，用于指導(dǎo)經(jīng)皮二尖瓣成形術(shù)獲得了非常好的效果。Witschey等［24］應(yīng)用經(jīng)食管三維超聲心動圖數(shù)據(jù)制作了風(fēng)濕性二尖瓣狹窄的病變模型，且指導(dǎo)手術(shù)順利實施。Olivieri等［26］使用三維超聲心動圖數(shù)據(jù)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(shù)將經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置入術(shù)所用的瓣膜打印出來，根據(jù)此模型選擇相應(yīng)的人工瓣膜進(jìn)行介入手術(shù)，最終獲得成功。

5 超聲引導(dǎo)3D打印與其他結(jié)構(gòu)性心臟病

其他結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)制作了包含腫瘤的心臟模型，指導(dǎo)了外科手術(shù)的順利進(jìn)行。Schmauss等［18］應(yīng)用CT三維數(shù)據(jù)制作了心臟腫瘤的實體模型，為外科手術(shù)提供了直觀的參考。Bauch等［31］將3D打印技術(shù)用于患者安裝起搏器的術(shù)前指導(dǎo)，最終起搏器安裝順利并且正常工作。超聲引導(dǎo)3D打印目前在評估其他結(jié)構(gòu)性心臟病的研究中應(yīng)用較少，可以預(yù)計具有一定的研究前景。

6 超聲引導(dǎo)3D打印的局限性

在目前國內(nèi)外的研究中，3D打印的數(shù)據(jù)來源仍主要是CT和MRI，來源于超聲的數(shù)據(jù)仍然很少，主要原因分析如下：首先，3D打印的數(shù)據(jù)必須是三維的原始數(shù)據(jù)，CT和MRI的三維重建已經(jīng)應(yīng)用多年并且非常成熟，而三維超聲的數(shù)據(jù)重建則應(yīng)用時間較短并且尚未完全成熟，但是近年來隨著技術(shù)的進(jìn)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(jié)構(gòu)性心臟病的畸形結(jié)構(gòu)完全包括進(jìn)去，彩色三維超聲的成像角度及時間分辨率更小，無法應(yīng)用于3D打印，近年來由于技術(shù)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(jù)質(zhì)量仍主要依賴操作者的經(jīng)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(jù)質(zhì)量有一定的損失，難以應(yīng)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(shù)的逐步成熟，數(shù)據(jù)質(zhì)量有了一定的保證。

綜上所述，3D打印技術(shù)目前尚在初級發(fā)展階段，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是心臟病方面應(yīng)用較少，國內(nèi)外尚未形成較大規(guī)模的研究和應(yīng)用。而三維超聲心動圖目前已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段并逐步成熟起來，將這兩者結(jié)合起來評價結(jié)構(gòu)性心臟病具有較為重要的意義。由于結(jié)構(gòu)性心臟病很多包含血流動力學(xué)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(xì)胞打印出活體器官的4D打印技術(shù)（four dimensional printing）目前尚處于實驗室研究階段?？梢灶A(yù)計在不久的將來，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)l(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(guān)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