陶天豪 崔曼曼 李艷宇 韓忍忍 陳泊辛 張解和

（皖南醫(yī)學院醫(yī)學影像學院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

原發(fā)性心臟腫瘤是一種發(fā)病率較低的疾病，但一旦發(fā)生，不論是良性還是惡性都會導致嚴重的后果，一經(jīng)檢出應及時進行手術切除。3D打印是一種快速成型技術，可以根據(jù)物體的三維數(shù)據(jù)快速、準確地制作出相應的實體模型，近年來在醫(yī)學領域廣泛應用。本文主要探究通過3D打印技術制作的原發(fā)性心臟腫瘤3D打印模型在手術準備中的相關應用。

1 原發(fā)性心臟腫瘤概況

心臟腫瘤主要生長在心肌或其臨近組織，是一種少見的疾病，可分為原發(fā)性心臟腫瘤和轉(zhuǎn)移性心臟腫瘤，一般多指原發(fā)性心臟腫瘤。原發(fā)性心臟腫瘤75%為良性，25%為惡性，而轉(zhuǎn)移性心臟腫瘤均為惡性。心臟腫瘤發(fā)病率較低，通過尸檢報告發(fā)現(xiàn)原發(fā)性心臟腫瘤的發(fā)病率僅為0.056%，而繼發(fā)性心臟腫瘤發(fā)病率相對較高，為1.23%，為原發(fā)性心臟腫瘤的20～40倍[1]。原發(fā)性心臟腫瘤相對少見，主要為黏液瘤[2]，屬于良性病變，但質(zhì)地松軟，容易脫落而導致器官栓塞，進而引起血流動力學障礙，可通過手術切除達到治療目的。

2 3 D打印概況

3D打?。═hree Dimensional Printing，3DP）技術在20世紀80年代開始出現(xiàn)，經(jīng)過不斷發(fā)展，技術日趨成熟，在醫(yī)學領域也有一定的應用。3D打印技術是一種基于離散/堆積成型思想的新型成型技術，它根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，快速、準確地制造出零件或物體的實體模型[3]。生物制造[4]概念提出后，越來越多的研究人員開始重視3D打印技術在醫(yī)學方面的應用。醫(yī)療3D打印指的是利用影像設備對人體結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)采集，再將采集的數(shù)據(jù)導入到3D打印機中從而打印出3D打印模型，方便研究人員觀察和操作[5]。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，3D打印開始廣泛應用于醫(yī)療，近年來在口腔、骨科等方面呈現(xiàn)出較大的應用前景[6]。

3 原發(fā)性心臟腫瘤3 D打印模型的構(gòu)建

原發(fā)性心臟腫瘤3D打印模型的構(gòu)建主要包括采集影像學數(shù)據(jù)，建模，將立體光刻（STereoLithography，STL）格式文件輸入3D打印機獲取模型3個步驟。

3.1 原發(fā)性心臟腫瘤影像學數(shù)據(jù)的采集

原發(fā)性心臟腫瘤3D打印模型構(gòu)建的第1步是采集原發(fā)性心臟腫瘤的影像學數(shù)據(jù)。影像學數(shù)據(jù)的采集主要通過計算機斷層掃描（Computer Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）和超聲心動圖等常用的影像學檢查方式。高質(zhì)量的心臟結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)主要來自CT或MRI，而瓣膜等結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)主要來自超聲心動圖。通過融合影像學數(shù)據(jù)和提高影像學設備的精度，可以顯著提高原發(fā)性心臟腫瘤模型的準確度。

3.2 建模

3D打印模型構(gòu)建的第2步為建模，建模即建立數(shù)字模型，是應用建模軟件將二維的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)生成三維的數(shù)字模型的過程。主要包括圖像分割和生成三維模型兩個步驟，圖像分割即將需要打印的結(jié)構(gòu)的圖像與附近其他組織的圖像分開。先在二維的源圖像上提取出需要的部分，然后生成三維數(shù)字模型，同時將數(shù)據(jù)以STL格式存儲。STL格式是一種為快速原型制造技術服務的三維圖形文件格式，目前在3D打印機中應用比較廣泛。

3.3 將STL格式文件輸入至3D打印機獲取模型

3D打印模型構(gòu)建第3步為將STL格式文件輸入至3D打印機獲取模型。目前，醫(yī)學3D打印方式主要有立體平板印刷、噴墨印刷、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型等。每種打印方式的成型特點及所需材料存在一定差異，因此，在獲取3D打印模型之前要根據(jù)實際需要選擇相關的材料和打印方式。

4 3 D打印模型在原發(fā)性心臟腫瘤手術準備中的應用

3D打印模型具有精確、直觀等特點，在評估手術風險，進行模擬手術，臨床教學和醫(yī)患溝通等方面起到了一定的作用。

4.1 評估手術風險和術前規(guī)劃

一般情況下，手術都會存在一定的風險，尤其對復雜和難度高的手術，在手術前要進行相應的風險評估和制定應對措施。目前，醫(yī)生評估手術風險主要依靠CT、MRI等影像學設備和以往的手術經(jīng)驗，但由于CT、MRI主要是二維成像，難以提供原發(fā)性心臟腫瘤與其周圍結(jié)構(gòu)的關系，且醫(yī)生手術經(jīng)驗深淺不同，造成手術有很大的不確定性。而3D打印模型具有直觀、準確等優(yōu)點，為手術風險的評估和手術計劃的制定提供依據(jù)，從而增加手術的精確度和成功率。

4.2 運用于模擬手術

一般在臨床手術過程中，有時可能出現(xiàn)病灶位置深、結(jié)構(gòu)復雜等情況，或者出現(xiàn)患者因為存在個體化差異而導致相應結(jié)構(gòu)不能被找出，導致手術無法順利完成。而3D打印可以通過CT、MRI等方式采集病變區(qū)的相關數(shù)據(jù)，然后打印出患者實際的病理模型。醫(yī)生在手術前可以通過3D打印模型進一步了解病情并制訂相應的手術方案，而且可以在3D打印模型上提前進行模擬手術，從而降低手術風險，提高手術的成功率。3D打印模型可以直觀地反映出原發(fā)性心臟腫瘤與其周圍結(jié)構(gòu)的關系，有助于手術的進行。原發(fā)性心臟腫瘤的3D打印模型已經(jīng)被用于識別處于風險的腫瘤擴散結(jié)構(gòu)中，Jacobs等[7]通過在打印出的心臟腫瘤模型上進行模擬手術，提高了手術的成功率。近年來，3D打印技術在醫(yī)學方面被普遍應用，隨著3D打印技術的逐漸成熟，在原發(fā)性心臟腫瘤方面也開始發(fā)揮著重大作用。

4.3 臨床教學中的參考

在傳統(tǒng)的教學中，老師需要通過人體尸體才能直觀地向?qū)W生教授人體部分復雜結(jié)構(gòu)和病變組織，而原發(fā)性心臟腫瘤發(fā)病率較低，臨床上比較少見，使學生在學習原發(fā)性心臟腫瘤的基本結(jié)構(gòu)和主要病理表現(xiàn)存在一定的困難。在傳統(tǒng)的臨床工作中，醫(yī)生主要通過CT、MRI等影像學設備成像了解人體復雜的解剖結(jié)構(gòu)，通過與正常組織結(jié)構(gòu)的對比確定發(fā)生病變的主要部位，進而制訂手術計劃，解決手術中可能出現(xiàn)的問題。由于原發(fā)性心臟腫瘤結(jié)構(gòu)復雜，利用單一的影像學方法可能使結(jié)果不夠全面，從而不能很好地展現(xiàn)出原發(fā)性心臟腫瘤準確的狀態(tài)，所以醫(yī)生對于其結(jié)構(gòu)、病理狀態(tài)及手術切除的學習存在一定的困難。

3D打印實體模型主要融合了CT、MRI等影像學設備所采集的數(shù)據(jù)，可以準確地還原原發(fā)性心臟腫瘤的大致結(jié)構(gòu)并可以長時間保存，可長期用于傳統(tǒng)教學及臨床工作中。將其與影像學數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)解剖相結(jié)合可以擴充傳統(tǒng)教學的方式，提高學生的學習興趣，提高學習效率；在臨床工作中，可以更好地促進年輕醫(yī)師對原發(fā)性心臟腫瘤疾病的把握，有利于后期手術的進行。此外相對于在現(xiàn)場學習手術操作，3D打印實體模型可以重復利用、重復觀察，還可以直接在模型上進行大致的手術操作，對于原發(fā)性心臟腫瘤切除手術的掌握有一定的促進作用。同時，老師可以通過3D打印實體模型對醫(yī)學生或者年輕醫(yī)師進行考核以了解他們對原發(fā)性心臟腫瘤的掌握情況和手術切除的訓練效果；由于3D打印實體模型融合了CT、MRI等影像學知識，還可以輔助學生學習影像學方面的知識，拓展學生的知識面。Lee等[8]利用3D打印技術打印了多彩腎臟病理模型并用于進行臨床教學，擴充了教學方式，使學生對其有了更加直觀的認識，促進了學生對該知識的掌握。李世俊等[9]通過將3D打印模型運用于兒童腦部MRI的學習，提高了學生的學習興趣。Jones等[10]通過評估運用3D打印技術打印出的各種實體模型，證實了將影像學數(shù)據(jù)與3D打印相結(jié)合的可行性。

4.4 改善醫(yī)患關系

一般臨床手術都會有一定的風險，在做原發(fā)性心臟腫瘤切除手術前需要告知患者及其家屬，而原發(fā)性心臟腫瘤難以用語言準確描述，醫(yī)生在與患者及其家屬溝通時很難做到直觀、全面地進行解釋。3D打印實體模型具有直觀、準確的特點，對于缺乏醫(yī)學知識的病人可以更好地了解病情和大致的手術操作，從而減輕患者的心理負擔，減少不必要的醫(yī)療糾紛，提高患者及其家屬的滿意度，有利于手術的進行[11]。因此，3D打印實體模型在一定程度上可以改善醫(yī)患關系。

5 總結(jié)與展望

原發(fā)性心臟腫瘤相對少見，一旦發(fā)生，無論良性還是惡性都會帶來嚴重的后果，可能導致器官栓塞和血流動力學障礙。原發(fā)性心臟腫瘤主要通過影像學技術進行診斷，診斷后應及時進行手術切除。3D打印技術由于其快速直觀的特點，近年來在醫(yī)學方面有廣泛的應用。3D打印模型主要通過獲取相應病變部位的影像學數(shù)據(jù)并將其融合，再進行精確的數(shù)據(jù)處理后打印成型得到。因此，3D打印模型具有直觀、精確等優(yōu)點，在原發(fā)性心臟腫瘤的術前風險評估、手術模擬、臨床教學及醫(yī)患溝通等方面發(fā)揮著重要作用，推動了精準醫(yī)學的發(fā)展。隨著3D打印技術的逐漸成熟和影像學技術的不斷發(fā)展，3D打印模型的精度和仿真程度會進一步得到加強。因此，3D打印技術在心血管類疾病的研究中會應用得越來越廣泛。但3D打印模型也存在一定的局限性，首先3D打印模型的數(shù)據(jù)需要通過多種影像學設備獲取，數(shù)據(jù)獲取后也需要經(jīng)過很多步處理，每一步處理不當都可能導致出現(xiàn)較大的誤差，致使獲取的3D打印模型不夠準確。另外，3D打印模型自身也存在一些缺陷，如心肌的硬度無法用3D打印的材料體現(xiàn)；3D打印模型是靜態(tài)的，不能準確地模擬心臟這種動態(tài)的器官，致使模型相對于實體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的偏差。