(1.昆明医科大学;云南昆明 650500;2.昆明医科大学第一附属医院;云南昆明 650032)
【摘要】3D打印技术是一种快速成型技术，通过重建的三维数字模型，将其分割成层状后逐层堆积成实体模型。目前，国外3D打印技术已广泛应用于医学各领域的诊疗中，并取得了良好的效果，较早在骨科，神经外科等领域开展，但对先天性心脏病领域尚处于尝试阶段。传统诊断先心病主要依赖超声、CT、MR以及DSA等二维成像手段，缺乏直观和立体实物的效果，基于多种影像成像技术（CT、TEE、CMR）所提供数据信息，并将图像数据转化为STL格式，采用3D打印机制作出满足临床诊断及治疗所需的实体模型，3D打印立体模型提供了高真度三维模拟图像，有助于手术前确认手术顺序，提高手术成功率，减小手术创伤等，本文将就目前3D打印技术在心血管方面的应用现状及进展进行综述。
【中图分类号】R2【文献标号】A【文章编号】2095-9753（2018）10-0204-01
1.前言
3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物[1]。1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。
2.多种数据的应用
3D打印最先应用于外科领域，现阶段心脏领域3D 打印的主流数据源为多排螺旋MSCT,MSCT具有较好的时间分辨率及空间分辨率，目前已被广泛应用的多排螺旋CT可以实现亚毫米层厚数据，扫描时间仅需5~9s左右，多平面重建数据、较短的扫描时间以及CT增强扫描所提供的数据，可以清晰的显示心脏及血管的结构，为了解决肾功能不全、造影剂过敏等CT检查禁忌证患者的临床需求,临床上需要多种影像技术方案来实施心脏的3D打印。随着经食管超声心动图(transesophageal echocardiography, TEE)及心脏核磁共振成像(cardiac magnetic resonance imaging，CMR)的发展，提供了丰富的3D打印数据源，CT、TEE、CMR各具优势; 基于TEE技术制作的3D打印模型可高度还原原始数据，具有较高的准确性, 并且价格低廉，对心脏瓣膜、心腔内肌束的显示具有独特优势，但是现有TEE探头体积相对较大，尚不能用于体重低于30kg的患者，并且存在探测盲区，对远场的心内结构显示欠清晰[2]。CMR相对CT比较具有无辐射的有点，且具有较好的软组织分辨率，具有良好的血池-心肌对比度、少运动及呼吸伪影的特点[3],但空间分辨率及层厚的选择不及CT，且不能应用于有体内金属植入物的患者。在先天性心脏病诊疗中使用多种影像技术进行拼接成像进行3D打印，将对完整心脏结构的显示提供更有指导意义的临床资料。
3.数据的获取及处理
通过机器扫描获得目标区域格式为DICOM的容积图像，容积数据可以根据需要进行多平面重建，获得感兴趣的切面，图像导入Mimics软件，利用Mimics软件的粗分割及细分割功能对图像进行优化，根据影像结合实际解剖病变逐层分离内部造影剂，保留正常组织结构及病变部位图像，再由Geomagic Qualify或ZBrush软件等图像处理软件进行光滑处理，得到包含心脏肌肉及脂肪的三维数字模型，最终根据所建模型的用途导出STL格式的文件，再将其导入3D激光打印机中，设置打印层厚为0.01mm，所需时间约12~24h[4]。
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4.心脏方面的临床应用
4.1教学工具：医学方面3D打印技术最早应用于教学解剖结构演示，就像大多数人所熟悉的塑料心脏模型一样，3D打印模型可以显示复杂的解剖结构，以往心外科医生通常通过文字、解剖图以及CT容积再现来了解心脏病变情况，对一些解剖畸形需要花费一定时间了解，3D打印模型的出现可以极大的缩短额外学习时间，并且可以更生动立体地向患者及其家属展示疾病及手术方案，有利于患者及家属理解手术的过程及存在的并发症[5]。 随着3D打印技术的不断发展，已经可以使用不同颜色、不同硬度的原材料来打印3D模型。
4.2功能性流动模型：结合高空间分辨率的CT、CAD软件和多材料3D打印技术，可以获得模拟心脏瓣膜病变的3d模型，这种模型具备正常启闭、调控血流运动及承受高液压等生理功能，Maragiannis[6]等通过两种材料融合进行3D打印，在不同的体外流动条件下，创建了8例患者主动脉根部病变的功能性3D模型，这个模型利用CT DICOM容积数据，精准标识钙化区域及钙化程度，显示钙化的主动脉瓣及主动脉根部“皇冠状”立体形态，将模型接入模拟人体循环系统的血流回路后，利用超声心动图对其血流动力学参数进行体外测量，发现基于模型测量的压差、主动脉瓣峰值流速以及瓣膜面积与人体测得的参数具有高度一致性[7]。
4.3术前规划及模拟：3D打印模型可以高精度还原心脏解剖结构，利用此模型模拟手术进入通路，合理规划手术路径，减少术中损害及术后并发症，已较常见用于包括右室双出口，房间隔缺损（ASD）、室间隔缺损（VSD）以及法洛氏四联症的手术路径规划中。此外，有研究表明，3D打印模型可能有助于提高先心病患者应用心脏辅助装置插管的准确性。一些报道表明，3D打印模型在心脏肿瘤切除的术前及术中评估中具有积极意义[8]，因为心脏肿瘤可能累及心肌壁或瓣膜结构，所以完全切除肿瘤具有相当难度，通过三维模拟获得的数据对心内肿瘤手术的规划产生积极的影响。在我国，2015年复旦大学附属中山医院心外科课题组王春生等人首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术 (TAVI)，应用3D打印成功为一位77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了TAVI手术规划与导航。同2015年报道，刘坤等人基于3D打印技术对一名85岁患有主动脉瓣膜病的患者进行术前评估，并成功实施手术[9]。
5.小结
3D打印技术现已成为精准医疗的一部分，但在心血管领域的应用较少，目前多是个案报道，缺乏大量有力数据，需要不断完善和提升。打印具有生物活性的组织或结构直接应用于人体是未来的发展方向，目前实现了部分瓣膜、血管及心肌组织的生物打印。但时间及经济成本高、安全性问题以及打印材料问题仍需要解决。随着 3D打印技术的普及和成熟，医学模型制作成本将会降低，花费时问将会减少，且医学成像技术的改进也会使得医学模型制作工艺更加精细化。可以预期 3D打印技术在心血管病的诊治方面还有发挥作用的更大空问。
参考文献:
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[9]刘坤,吕滨,任心爽,王志强,吴永健,郑哲.3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置入术前评估一例[J].中华心血管病杂志,2015,43(7):634-635.
论文作者:纪晓雨1,韩丹2,校审,宋光义1,龙治刚 1
论文发表刊物:《中国医学人文》2018年第10期
论文发表时间:2019/3/11
标签：模型论文; 技术论文; 主动脉论文; 心脏论文; 手术论文; 数据论文; 瓣膜论文; 《中国医学人文》2018年第10期论文;