超声引导3D打印用于评估结构性心脏病的研究进展

朱延波，耿婕，关欣，刘建实

超声引导3D打印用于评估结构性心脏病的研究进展

朱延波1，耿婕2△，关欣1，刘建实3

结构性心脏病包括先天性心血管结构异常、瓣膜性心脏病及心肌病等，其共同特点是均存在心脏解剖结构和血流动力学的异常，尤其以解剖结构异常为主。作为无创性的检查方法，超声心动图尤其是三维超声擅长显示解剖结构与血流的异常，对于结构性心脏病的评估具有优势。而近年来逐渐兴起的3D打印技术可以进行实物打印，打印出来的心脏模型可以立体地显示心脏疾病的异常状态，将超声与3D打印技术结合起来则可能为结构性心脏病的评估提供更为直观准确的信息。

超声心动描记术；结构性心脏病；3D打印；综述

3D打印（three-dimensional printing）作为一种新兴技术，近年来发展迅速，已经从工业制造领域逐渐延伸到医学领域，而三维超声心动图作为一种较为成熟的检查手段，在结构性心脏病的评估中发挥重要作用［1］，将二者结合起来对结构性心脏病进行术前、术中和术后的评估，可以为临床提供更多、更准确的信息。

1 三维超声心动图与3D打印简介

三维超声心动图自诞生以来历经数十年的发展进步，近年来由于实时三维经胸超声探头的研制成功，已经能够实现实时三维灰阶成像和三维彩色多普勒血流成像，帧频亦能满足临床诊断需求，并且能进行现场在机分析和脱机后处理分析。常规二维超声心动图仅能探测二维平面，而心脏是一个立体结构，对结构异常的检查需要超声医师在头脑中经过“想象”形成三维图像，要求具备比较丰富的临床经验和空间想象能力。而三维彩色多普勒超声心动图则仅需通过几个不同位置数据库的成像，通过计算机后处理来切割、加工，以暴露解剖结构和血流动力学的异常，减少了对于检查者临床经验和空间想象能力的依赖性，其特殊的“外科视角”更是能让外科医师直接读懂图像，更进一步简化了超声医师与外科医师的交流方式与过程［2］。

3D打印技术，又称为叠加制造技术或快速成型技术［3］，于上世纪80年代在美国诞生，其原理是应用一定的可塑性材料根据特定的模型在3D打印机上分层打印并粘合而成立体的物体，最初主要应用于机械制造及航天领域，近年来随着技术的发展及材料科学的进步，打印精度不断提高，打印费用不断下降，逐渐有学者将其应用于医学领域［4-5］，但目前应用范围主要限于牙科、骨科以及生物工程［6-7］、再生医学［8］等基础研究方面，在心脏疾病临床应用方面的研究较少［9-10］。

2 3D打印在心脏疾病方面的应用现状与打印步骤

3D打印擅长于直观地显示物体的三维立体结构［11］，目前已经有国外学者将3D打印技术应用于结构性心脏病辅助诊断和治疗方面的研究，如瓣膜置换与成形［12-15］、心脏移植［16］、心脏肿瘤［17-18］、复杂性先天性心脏病［19-20］以及大血管病变［21-22］等方面；国内学者近年来也进行了初步的尝试［9］，但是并未进行较大规模的研究，目前3D打印技术用于心脏疾病方面的研究在国内尚处于起步阶段，具有一定的应用前景。

3D打印最重要的步骤是3D模型的建立，在之前的研究中，3D模型的原始数据主要来源于CT和MRI［23］以及其他影像学技术的联合［24］，而来源于三维超声心动图的研究数据较少［25］，由于CT检查具有电离辐射性，MRI对于患者的严格选择性，加之检查时间较长，成本较高，造成这些技术难以广泛应用于3D模型数据的获取。而超声心动图由于简单易行，几乎没有患者选择性，无辐射，重复性好，近年来随着三维超声心动图技术的进步，其三维图像的分辨率及精度的提高，完全可以用于3D模型原始数据的获取，并且取得了良好的效果［26］。

在获取三维超声心动图的医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）数据后，将其导入三维建模软件（如Mimics、SolidWorks等专业处理软件），进行相应的处理及转换，得到3DPM（three-dimensional printing model），可以将结构性心脏病病变部位的解剖结构清晰立体地呈现出来，经分析后用于对结构性心脏病的病变评估以及手术方案的制定，并且可以导出为.STL文件（3D打印机可以识别的数据文件），然后输入3D打印机，利用原材料进行实体打印。在得到心脏的实体3D模型后，可以观察实体模型的缺陷结构，加深对于结构性心脏病的空间理解，也可以进行模拟手术，选择合适大小的补片、封堵器、人工瓣膜、人工血管等，为手术打下良好的基础，缩短体外循环时间及手术时间，甚至对预后做出一定的判断。

3 超声引导3D打印与先天性心脏病

先天性心脏病可以概括划分为简单先天性心脏病和复杂先天性心脏病，而每一类中所包含的心脏畸形多种多样，每一种先天性心脏病的手术方式与手术难度也是千差万别的，需要心脏内科医师、心脏外科医师以及超声医师在术前进行充分的评估与讨论，由于先天性心脏病多是心脏在胚胎发育过程中解剖学上存在简单或复杂的缺陷，并且伴有血流动力学的改变，这种缺陷的立体结构呈现何种形态是超声科和外科医师最为关心的，而对其进行正确的描述和诊断，对于先天性心脏病的矫治来说至关重要。CT和MRI虽然可以对心脏的解剖结构进行准确地描述，但因其固有的缺陷，难以常规应用，尤其是对于血流动力学的评估更是难以体现，而三维超声心动图则没有这些缺陷，目前超声探头的分辨率越来越高，加之超声的实时性对于血流动力学评估具有优势，如果将三维超声心动图与3D打印技术结合起来对先天性心脏病进行术前、术中和术后的诊断与评估，将具有较为重要的临床意义。

国内学者刘坤等［27］利用增强CT的数据，经过处理输入3D打印机，最终打印出聚丙烯树脂心脏模型，可以显示增大的右心、房间隔缺损、动脉导管未闭以及肺静脉异位引流的位置走形等，并且此模型与术中所见完全相符。杨帆等［28］利用3D打印的心脏模型模拟封堵术，发现常规房间隔缺损封堵器可能会阻碍患儿同侧肺静脉的回流，而采用动脉导管未闭封堵器在模型上可以避免此种情况的发生，同时也不会影响周围组织结构的功能，术中顺利使用动脉导管未闭封堵器成功对患儿的房间隔缺损进行了介入治疗，避免了更换封堵器或者介入失败的风险。陈鹏飞等［29］利用CT数据制作出了1∶1的主动脉弓三维立体模型，此模型对手术规划具有临床意义，而且有助于制作个体化人工血管支架。

4 超声引导3D打印与瓣膜性心脏病

瓣膜性心脏病是由于各种原因导致心脏瓣膜狭窄或者关闭不全，通常也伴有血流动力学的异常，对于瓣膜性心脏病而言，最主要的是了解其解剖结构的异常，而对于血流动力学的要求则相对较低，超声引导3D打印技术能够满足这种要求。在对患者进行超声心动图检查时，可以初步了解受损瓣膜的解剖病变及血流动力学的异常，超声心动图获取原始图像后，可以进行感兴趣区域的切割，甚至三维彩色多普勒超声数据的切割与编辑。根据这些数据最后打印出来的实物是彩色的，易于外科医生识别，且能够在模型上进行模拟手术训练，便于培养初级医师的手术技能。O′Neill等［12］使用CT三维数据制作出了主动脉瓣模型，用于指导经皮主动脉瓣置换术，获得了成功。Maragiannis等［13］使用CT扫描获得三维数据，打印出了主动脉瓣狭窄的模型，并且对此模型进行了超声心动图检查，与患者本身狭窄的瓣膜相符。Dankowski等［14］使用CT三维数据制作了包含二尖瓣的完整三维心脏模型，用于指导经皮二尖瓣成形术获得了非常好的效果。Witschey等［24］应用经食管三维超声心动图数据制作了风湿性二尖瓣狭窄的病变模型，且指导手术顺利实施。Olivieri等［26］使用三维超声心动图数据获取了主动脉瓣周漏的模型，对于患者下一步治疗有较高的参考价值。刘坤等［30］使用3D打印技术将经导管主动脉瓣置入术所用的瓣膜打印出来，根据此模型选择相应的人工瓣膜进行介入手术，最终获得成功。

5 超声引导3D打印与其他结构性心脏病

其他结构性心脏病，比如肥厚型心肌病中非对称肥厚的心肌、狭窄的右室流出道、心脏肿瘤等，3D打印除了能提供结构方面的立体表现，目前尚不能提供其他更多方面的信息。Son等［17］使用CT和MRI数据制作了包含肿瘤的心脏模型，指导了外科手术的顺利进行。Schmauss等［18］应用CT三维数据制作了心脏肿瘤的实体模型，为外科手术提供了直观的参考。Bauch等［31］将3D打印技术用于患者安装起搏器的术前指导，最终起搏器安装顺利并且正常工作。超声引导3D打印目前在评估其他结构性心脏病的研究中应用较少，可以预计具有一定的研究前景。

6 超声引导3D打印的局限性

在目前国内外的研究中，3D打印的数据来源仍主要是CT和MRI，来源于超声的数据仍然很少，主要原因分析如下：首先，3D打印的数据必须是三维的原始数据，CT和MRI的三维重建已经应用多年并且非常成熟，而三维超声的数据重建则应用时间较短并且尚未完全成熟，但是近年来随着技术的进步，初步研究显示三维超声重建时间较短而且效率也比较高［2］；其次，在早期发展阶段，三维超声的成像角度较小，难以将结构性心脏病的畸形结构完全包括进去，彩色三维超声的成像角度及时间分辨率更小，无法应用于3D打印，近年来由于技术的发展，无论是灰阶三维还是彩色三维，其成像角度及时间分辨率有了较大的提高［12］，基本可以满足3D打印以及诊断的需求；第三，与CT和MRI不同，超声的数据质量仍主要依赖操作者的经验，而且早期阶段三维超声探头的分辨率不高，加之重建过程数据质量有一定的损失，难以应用于3D打印，而近年来由于高分辨率矩阵三维超声探头的研制成功［26］，以及三维后处理技术的逐步成熟，数据质量有了一定的保证。

综上所述，3D打印技术目前尚在初级发展阶段，在医学领域尤其是心脏病方面应用较少，国内外尚未形成较大规模的研究和应用。而三维超声心动图目前已经进入快速发展阶段并逐步成熟起来，将这两者结合起来评价结构性心脏病具有较为重要的意义。由于结构性心脏病很多包含血流动力学的异常，3D打印实体模型仍是静态模型，不能完全体现出这种异常。能以体外培养细胞打印出活体器官的4D打印技术（four dimensional printing）目前尚处于实验室研究阶段。可以预计在不久的将来，3D打印技术在医学领域将发挥更为重要的作用。

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（2016-03-30收稿 2016-04-26修回）

（本文编辑 李国琪）

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

天津市医药卫生重点攻关项目（14KG125）

1天津市胸科医院超声科（邮编300222），2 CICU，3心外科

朱延波（1984），男，主治医师，硕士，主要从事超声心动图研究

△通讯作者 E-mail:gengjie_1973@126.com