基于影像學(xué)的3D打印模型在原發(fā)性心臟腫瘤手術(shù)準(zhǔn)備中的應(yīng)用探究

陶天豪 崔曼曼 李艷宇 韓忍忍 陳泊辛 張解和

（皖南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，一經(jīng)檢出應(yīng)及時(shí)進(jìn)行手術(shù)切除。3D打印是一種快速成型技術(shù)，可以根據(jù)物體的三維數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地制作出相應(yīng)的實(shí)體模型，近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文主要探究通過3D打印技術(shù)制作的原發(fā)性心臟腫瘤3D打印模型在手術(shù)準(zhǔn)備中的相關(guān)應(yīng)用。

1 原發(fā)性心臟腫瘤概況

心臟腫瘤主要生長(zhǎng)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(bào)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(duì)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(duì)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(dǎo)致器官栓塞，進(jìn)而引起血流動(dòng)力學(xué)障礙，可通過手術(shù)切除達(dá)到治療目的。

2 3 D打印概況

3D打?。═hree Dimensional Printing，3DP）技術(shù)在20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)，經(jīng)過不斷發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。3D打印技術(shù)是一種基于離散/堆積成型思想的新型成型技術(shù)，它根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地制造出零件或物體的實(shí)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(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。醫(yī)療3D打印指的是利用影像設(shè)備對(duì)人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機(jī)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(shù)的不斷發(fā)展，3D打印開始廣泛應(yīng)用于醫(yī)療，近年來在口腔、骨科等方面呈現(xiàn)出較大的應(yīng)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(xué)數(shù)據(jù)，建模，將立體光刻（STereoLithography，STL）格式文件輸入3D打印機(jī)獲取模型3個(gè)步驟。

3.1 原發(fā)性心臟腫瘤影像學(xué)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(xué)數(shù)據(jù)。影像學(xué)數(shù)據(jù)的采集主要通過計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computer Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）和超聲心動(dòng)圖等常用的影像學(xué)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(dòng)圖。通過融合影像學(xué)數(shù)據(jù)和提高影像學(xué)設(shè)備的精度，可以顯著提高原發(fā)性心臟腫瘤模型的準(zhǔn)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(yīng)用建模軟件將二維的醫(yī)學(xué)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(gè)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(shí)將數(shù)據(jù)以STL格式存儲(chǔ)。STL格式是一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式，目前在3D打印機(jī)中應(yīng)用比較廣泛。

3.3 將STL格式文件輸入至3D打印機(jī)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(jī)獲取模型。目前，醫(yī)學(xué)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(diǎn)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(shí)際需要選擇相關(guān)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(shù)準(zhǔn)備中的應(yīng)用

3D打印模型具有精確、直觀等特點(diǎn)，在評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行模擬手術(shù)，臨床教學(xué)和醫(yī)患溝通等方面起到了一定的作用。

4.1 評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)前規(guī)劃

一般情況下，手術(shù)都會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，尤其對(duì)復(fù)雜和難度高的手術(shù)，在手術(shù)前要進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和制定應(yīng)對(duì)措施。目前，醫(yī)生評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要依靠CT、MRI等影像學(xué)設(shè)備和以往的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，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(guān)系，且醫(yī)生手術(shù)經(jīng)驗(yàn)深淺不同，造成手術(shù)有很大的不確定性。而3D打印模型具有直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，為手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和手術(shù)計(jì)劃的制定提供依據(jù)，從而增加手術(shù)的精確度和成功率。

4.2 運(yùn)用于模擬手術(shù)

一般在臨床手術(shù)過程中，有時(shí)可能出現(xiàn)病灶位置深、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等情況，或者出現(xiàn)患者因?yàn)榇嬖趥€(gè)體化差異而導(dǎo)致相應(yīng)結(jié)構(gòu)不能被找出，導(dǎo)致手術(shù)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(guān)數(shù)據(jù)，然后打印出患者實(shí)際的病理模型。醫(yī)生在手術(shù)前可以通過3D打印模型進(jìn)一步了解病情并制訂相應(yīng)的手術(shù)方案，而且可以在3D打印模型上提前進(jìn)行模擬手術(shù)，從而降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)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(guān)系，有助于手術(shù)的進(jìn)行。原發(fā)性心臟腫瘤的3D打印模型已經(jīng)被用于識(shí)別處于風(fēng)險(xiǎn)的腫瘤擴(kuò)散結(jié)構(gòu)中，Jacobs等[7]通過在打印出的心臟腫瘤模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，提高了手術(shù)的成功率。近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面被普遍應(yīng)用，隨著3D打印技術(shù)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(xué)中的參考

在傳統(tǒng)的教學(xué)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(fù)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(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)設(shè)備成像了解人體復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，通過與正常組織結(jié)構(gòu)的對(duì)比確定發(fā)生病變的主要部位，進(jìn)而制訂手術(shù)計(jì)劃，解決手術(shù)中可能出現(xiàn)的問題。由于原發(fā)性心臟腫瘤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用單一的影像學(xué)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(zhǔn)確的狀態(tài)，所以醫(yī)生對(duì)于其結(jié)構(gòu)、病理狀態(tài)及手術(shù)切除的學(xué)習(xí)存在一定的困難。

3D打印實(shí)體模型主要融合了CT、MRI等影像學(xué)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地還原原發(fā)性心臟腫瘤的大致結(jié)構(gòu)并可以長(zhǎng)時(shí)間保存，可長(zhǎng)期用于傳統(tǒng)教學(xué)及臨床工作中。將其與影像學(xué)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)解剖相結(jié)合可以擴(kuò)充傳統(tǒng)教學(xué)的方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率；在臨床工作中，可以更好地促進(jìn)年輕醫(yī)師對(duì)原發(fā)性心臟腫瘤疾病的把握，有利于后期手術(shù)的進(jìn)行。此外相對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)手術(shù)操作，3D打印實(shí)體模型可以重復(fù)利用、重復(fù)觀察，還可以直接在模型上進(jìn)行大致的手術(shù)操作，對(duì)于原發(fā)性心臟腫瘤切除手術(shù)的掌握有一定的促進(jìn)作用。同時(shí)，老師可以通過3D打印實(shí)體模型對(duì)醫(yī)學(xué)生或者年輕醫(yī)師進(jìn)行考核以了解他們對(duì)原發(fā)性心臟腫瘤的掌握情況和手術(shù)切除的訓(xùn)練效果；由于3D打印實(shí)體模型融合了CT、MRI等影像學(xué)知識(shí)，還可以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)影像學(xué)方面的知識(shí)，拓展學(xué)生的知識(shí)面。Lee等[8]利用3D打印技術(shù)打印了多彩腎臟病理模型并用于進(jìn)行臨床教學(xué)，擴(kuò)充了教學(xué)方式，使學(xué)生對(duì)其有了更加直觀的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)該知識(shí)的掌握。李世俊等[9]通過將3D打印模型運(yùn)用于兒童腦部MRI的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Jones等[10]通過評(píng)估運(yùn)用3D打印技術(shù)打印出的各種實(shí)體模型，證實(shí)了將影像學(xué)數(shù)據(jù)與3D打印相結(jié)合的可行性。

4.4 改善醫(yī)患關(guān)系

一般臨床手術(shù)都會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)，在做原發(fā)性心臟腫瘤切除手術(shù)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(zhǔn)確描述，醫(yī)生在與患者及其家屬溝通時(shí)很難做到直觀、全面地進(jìn)行解釋。3D打印實(shí)體模型具有直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，對(duì)于缺乏醫(yī)學(xué)知識(shí)的病人可以更好地了解病情和大致的手術(shù)操作，從而減輕患者的心理負(fù)擔(dān)，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(shù)的進(jìn)行[11]。因此，3D打印實(shí)體模型在一定程度上可以改善醫(yī)患關(guān)系。

5 總結(jié)與展望

原發(fā)性心臟腫瘤相對(duì)少見，一旦發(fā)生，無論良性還是惡性都會(huì)帶來嚴(yán)重的后果，可能導(dǎo)致器官栓塞和血流動(dòng)力學(xué)障礙。原發(fā)性心臟腫瘤主要通過影像學(xué)技術(shù)進(jìn)行診斷，診斷后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行手術(shù)切除。3D打印技術(shù)由于其快速直觀的特點(diǎn)，近年來在醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用。3D打印模型主要通過獲取相應(yīng)病變部位的影像學(xué)數(shù)據(jù)并將其融合，再進(jìn)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(diǎn)，在原發(fā)性心臟腫瘤的術(shù)前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、手術(shù)模擬、臨床教學(xué)及醫(yī)患溝通等方面發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。隨著3D打印技術(shù)的逐漸成熟和影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印模型的精度和仿真程度會(huì)進(jìn)一步得到加強(qiáng)。因此，3D打印技術(shù)在心血管類疾病的研究中會(huì)應(yīng)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(xué)設(shè)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(dāng)都可能導(dǎo)致出現(xiàn)較大的誤差，致使獲取的3D打印模型不夠準(zhǔn)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(zhǔn)確地模擬心臟這種動(dòng)態(tài)的器官，致使模型相對(duì)于實(shí)體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的偏差。