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基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的应用进展

作者: 15**15

来源:客户端

发布时间:2019-01-28 19:03:08

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3D打印技术是基于三维数字化图像分层加工材料(塑料、树脂及金属),叠加制作三维物体的新型尖端技术,又称快速成型技术或增材制造技术。随着医学影像学的快速发展及材料加工行业的逐渐成熟,3D打印技术逐渐被应用到医疗行业,目前多应用于骨科、口腔科、整形外科及生物工程方面的基础研究,但由于心血管疾病的特殊性,其在心脏领域的临床应用尚处于起步阶段。




3D打印技术主要包括获取图像、建模及实体打印三个步骤。超声心动图作为3D打印技术获取图像的重要手段之一,在心脏结构及功能的评估方面占有重要的优势。基于超声数据的3D打印技术通过构建心脏疾病模型来实现术前评估、医疗装置设计、血流动力学模拟及医疗教育,可以为临床提供更准确、直观的信息。本文即对基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的应用进展进行综述。


一、 3D打印技术与三维超声心动图

3D打印最关键的步骤是建立模型,目前研究应用的图像数据大多通过CT或MRI建立。但CT检查具有辐射性、价格昂贵,且部分患者对造影剂过敏;MRI检查耗时较长,对患者有选择性。因此,基于CT或MRI的3D打印技术在心脏领域的临床应用受到一定限制。而三维超声心动图是一种新的超声成像模式,其测值与CT、MRI测值相关性较高,且在心脏功能及瓣膜运动的成像上较CT更有优势。

近年来三维超声心动图在心脏介入手术术中实时监测和术后评估方面具有重要价值。结合三维超声心动图与3D打印技术可以构建一个真实的三维立体结构,有助于直观地观察心脏结构。Mahmood等首次应用三维经食管超声心动图的数据集,成功打印二尖瓣环,证实三维超声较CT和MRI可以应用于心脏疾病的常规临床诊疗中。基于超声数据的3D打印模型不仅可以呈现心脏立体解剖结构,而且可以为介入医师和心外科医师提供体外手术演练及风险评估的机会。


二、基于超声数据的3D打印技术步骤

1、获取图像:应用经胸或经食管三维容积探头,清晰获取二维灰阶后使用“4DZOOM”功能获取感兴趣区的三维DICOM原始数据,并在工作站上转换为DICOM格式。

2、建模:应用Matlab软件获取断层信息后使用Mimics innovation suite 17.0对数据进行灰阶反转、阈值分割、编辑3Dmask(感兴趣区的轮廓掩膜)、交互式分割手动去噪及计算三维模型等后处理,以STL格式保存。

3、实体打印:将STL格式的图像导入打印机中,获得感兴趣区域的3D模型。


三、基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的临床应用
1、左心耳封堵术

胚胎时期的左房主要是由原始肺静脉及其分支融合而成,左心耳是胚胎时期左房的残留,其是心脏血栓的好发部位,经食管超声心动图发现在非瓣膜性心房颤动患者中超过90%的血栓均位于左心耳,左心耳封堵术是预防心房颤动相关脑梗死的治疗手段之一。左心耳空间解剖结构变异性较大,单叶、双叶、三叶及四叶左心耳分别占总数的20%、54%、23%及3%;在CT和MRI中,左心耳的形态被分为鸡翅型(48%)、仙人掌型(30%)、风向标型(19%)及菜花型(3%)。因此,准确了解左心耳形态、大小及其与周边组织结构关系的变异性在左心耳封堵术的临床决策中至关重要。

加丹等通过对比超声与CT重建左心耳3D模型的数据,发现超声在评估左心耳大小、形态方面与CT的一致性较高,证实三维超声可以提供3D打印左心耳的数据集。Song等研究表明基于超声数据的3D打印技术打印左心耳模型准确可行,该模型对左心耳形态、分类与CT结果一致性较强。基于超声数据的3D打印左心耳模型具有容易获取数据、准确后处理、实现模拟操作的优点,有望为左心耳封堵术提供个体化诊疗方案。Pellegrino等研究证实了基于造影及经食管超声心动图打印的左心耳3D模型有助于左心耳封堵术中封堵盘大小及放置位置的选择。

Liu等研究表明基于超声数据的3D打印模型通过术前模拟可以让介入医师充分考虑到影响封堵器释放的因素(如左心耳内径、深度、叶数及梳状肌厚度),在前期预测手术难度和并发症方面要优于单纯的二维超声图像,3D模型可以为介入医师的手术计划和决策提供快速评估。Fan等报道了1例基于超声数据的3D打印模型成功指导介入医师制定双叶左心耳封堵方案的病例,该例患者左心耳为双叶解剖结构,以后叶为主,前叶为辅,应用封堵盘同时封堵两个叶手术难度较大,通过经食管超声心动图获取左心耳动态影像学数据,使用3D打印技术打印出模型并进行模拟手术,从而找到合适的封堵位置,术后证实封堵盘的位置与术前模拟的位置完全吻合,证实了3D打印模型指导左心耳封堵术的优势,尤其对于复杂解剖结构的左心耳。

宋宏宁等使用基于超声数据的3D打印技术建立左心耳封堵模拟系统,体外模拟封堵器的选择和释放,并通过微型水泵模拟左心耳血流动力学状态,评估封堵器释放后有无残余漏,增强了左心耳封堵术前评估及演练的效果。
2、心脏瓣膜病

心脏瓣膜结构精细,可以控制血液在心脏中的流动方向,具有重要的生理功能。引起心脏瓣膜病变的原因主要有先天性和后天性两种,后者还包括风湿性、感染性及退行性等瓣膜病变。随着医学的发展,老龄人口的增多,退行性病变引起的瓣膜性心脏病患者逐年增多。

目前治疗瓣膜性心脏病的方法不仅包括外科手术治疗,还包括经导管主动脉瓣置入术等介入方法。为了确保手术的成功率,术前影像学的精准评估至关重要。瓣膜病患者心脏血流动力学受损,传统的外科开胸手术下直视评估心脏瓣膜是在体外循环心脏停搏的情况下进行,微创或介入手术仅能看到有限或未直接暴露的瓣膜,均不能单独评估瓣膜形态对瓣膜功能的影响,但3D技术打印出的心脏瓣膜模型可以提供体外血流动力学仿真模拟。

经食管超声心动图是获取瓣膜动态图像的常规方法,由于其三维图像空间和时间分辨率较高,生成的动态三维图像被认为优于传统外科手术心脏停搏时的瓣膜图像,因此三维超声图像可以作为3D打印的数据源。Mahmood等研究表明,应用超声数据进行3D打印正常及病理的二尖瓣环模型较超声图像可以更详细地传达临床信息,有利于临床医师评估瓣环病理改变及修复术后的变化。

Owais等通过基于超声数据的3D打印技术打印出患者个体化的二尖瓣环,更好地评估了术前二尖瓣环几何构造、大小及形状。Mahmood等根据经食管超声心动图获取二尖瓣的动态影像学数据,通过3D打印技术打印出二尖瓣收缩期及舒张期的实体模型,证实超声图像可以作为瓣膜3D打印的数据源,应用3D打印正常、缺血性及附带黏液瘤的二尖瓣均可行。

Muraru等研究也证明基于三维超声的数据可以打印患者个体化三尖瓣。Witschey等提出基于超声数据的3D打印技术打印出二尖瓣模型可以实现二尖瓣成形术术前操作演练,从而制定合理的手术方案。基于超声数据的3D打印技术除有利于瓣膜手术术前演练、制定手术方案等方面,在术后并发症发生及严重度的预估方面也占有优势。Olivieri等应用基于超声数据的3D打印技术打印出主动脉瓣瓣周漏的模型,为选择下一步诊疗方案提供了参考。

3、先天性心脏病

先天性心脏病主要包括简单型和复杂型两种类型。对于简单型先天性心脏病(如房间隔缺损、室间隔缺损及动脉导管未闭),目前大多由传统的手术治疗改为介入治疗,但对于多发、形态不规则的缺损,在选择合适的封堵方案上存在困难,需要更详细直观的影像学评估。对于复杂型先天性心脏病(如法洛四联症、大动脉转位及右室双出口等),因其空间结构复杂,即便结合多种影像学检查,仍存在漏、误诊等情况。而基于超声的3D打印模型不仅可以帮助手术医师选择合适的装置及手术路径,还可以提高手术效率、降低辐射暴露及手术并发症的发生,进而改善手术治疗效果。临床证实基于超声数据的3D打印先天性心脏病模型不仅安全、有效,还可以实现数据个体化。

梅丹娥等发现基于超声数据进行3D打印的房间隔缺损模型与术中封堵器型号相关性高,证实基于经食管超声心动图可以作为3D打印的数据源。Olivieri等应用经胸超声心动图获得8例室间隔缺损患者的超声图像并进行分析建模,展现了基于超声数据的3D打印模型可以精准地反映室间隔缺损的解剖结构。Zhu等应用经胸超声心动图数据成功打印了心内膜垫缺损2例、房间隔缺损2例、法洛四联症1例及室间隔缺损1例的3D模型,通过模型可以清晰显示心脏病变结构,与术中所见一致。

对于多发且形态不规则的缺损和解剖结构复杂的先天性心脏病,超声单模态成像不足以提供足够的可视化信息,而结合CT、MRI等进行多模态成像可以增加重建病理结构的可能性,提高了3D模型的质量和准确性。Gosnell等选择1例定期随访的55岁男性患者作为研究对象,该患者心脏形态复杂,合并矫正型大动脉转位、室间隔缺损、肺动脉闭锁多种畸形,于婴儿期行B-T分流术,于16岁修复了左室到肺动脉的通道,在40岁时安装永久起搏器,并封堵了1.7 cm的房间隔缺损,研究者结合该患者评估术后并发症的CT图像及评估瓣膜反流程度的经食管三维超声图像进行融合3D打印,精确地反映了该病例心脏畸形结构,表明多模态成像进行3D打印可行,但因样本量仅1例,在评价融合3D打印对选择手术方案的影响方面,大样本的临床随机对照试验还有待研究。

邱旭等通过结合21例多发型房间隔缺损患者的CT及三维超声图像,3D打印心脏模型并进行模拟封堵测试从而确定封堵方案,均成功行封堵治疗,术后随访1个月无明显并发症。


四、基于超声数据的3D打印技术在医患沟通与教育方面的应用

基于超声数据的3D打印模型除可以帮助临床医师模拟手术进而优化手术方案,还可以辅助临床医师进行医患沟通,同时也在医学教育方面占有重要的地位。3D打印模型的出现可以更生动立体地向患者及其家属展示这种疾病及手术方案,有利于患者及家属理解手术的过程及存在的并发症。在医学教育方面,3D打印模型增加医学生对心脏正常及异常解剖结构的理解,提高医学生的空间定位能力。

Loke等通过3D打印技术打印出法洛四联症模型对18例医学生进行授课,并与17例仅学习了二维图像的医学生进行比较,发现通过3D模型进行学习的学生对教学满意度明显增加。此外,随着获取解剖尸体难度增加,因3D打印模型不涉及伦理问题,其在解剖教学方面的应用存在巨大潜能。


五、基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的不足与展望
三维超声发展的时间尚短,3D打印技术在心血管领域的应用也较少,基于超声数据的3D打印技术在心血管领域应用空间巨大,有待开发,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。由于心脏结构和功能的复杂性,目前只能局限于打印一些简单的结构。现阶段基于超声的3D打印技术仍存在以下局限性:①三维超声的分辨率仍有待提高,以便显示心脏更细微的结构;②心脏及其内部结构是动态的,而目前打印出的模型都是静态的;③目前打印心脏的材料大部分为硬质材料,不能精确地反映心肌组织的柔软度;④国内外缺乏大样本临床试验证明其临床可用性及安全性。

综上所述,三维超声可以为3D打印左心耳、心脏瓣膜及先天性心脏病提供数据源,基于超声数据的3D打印模型不仅可以实现模拟治疗,还可以辅助医患沟通和医学教育,其在心血管领域的进一步应用潜能尚有待开发。

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