基于經食管三維超聲的3D打印模型評價左心耳解剖

加 丹，宋宏寧，張 蘭，陳金玲，王益佳，胡 波，譚團團，周 青

(武漢大學人民醫院超聲科，湖北 武漢 430060)

基于經食管三維超聲的3D打印模型評價左心耳解剖

加 丹，宋宏寧，張 蘭，陳金玲，王益佳，胡 波，譚團團，周 青*

(武漢大學人民醫院超聲科，湖北 武漢 430060)

目的 探討經食管三維超聲心動圖(3D-TEE)作為左心耳(LAA)三維(3D)打印數據源的可行性及超聲3D打印模型的準確性，并評價3D打印模型對特殊解剖形態LAA封堵手術的指導價值。方法 回顧性分析18例因心房顫動接受LAA封堵術的患者資料，包括LAA的3D-TEE和CT容積圖像數據。對3D-TEE數據進行后處理，并使用彈性材料制作LAA的3D打印模型。采用3D打印模型評價LAA解剖分型與分葉分型，測量LAA開口的最大徑、最小徑及深度，并與3D-TEE及CT容積圖像結果進行對比。在封堵困難的特殊形態LAA模型上進行封堵器釋放試驗。結果 對18例患者均成功進行超聲數據后處理并獲取LAA 3D打印模型。應用3D打印模型與CT容積圖像對LAA進行解剖分型及分葉分型的一致性均較高，Kappa值分別為0.92和0.83。且3D打印模型對LAA開口最大徑、最小徑及深度的測量值與3D-TEE測量值差異均無統計學意義(P均>0.05)。18例中2例為特殊形態LAA，均通過3D打印模型進行封堵傘釋放模擬出術中封堵過程。結論 基于3D-TEE的LAA 3D打印技術具有較高的可行性及準確性，有助于指導特殊形態LAA的個性化封堵。

打印，三維；超聲心動描記術，經食管；成像，三維；心耳；封堵

經導管左心耳(left atrial appendage， LAA)封堵術是近年來針對存在抗凝禁忌證的心房顫動患者預防腦栓塞的新方法。介入醫師對LAA結構的熟悉程度是手術成功的關鍵，但LAA解剖形態的多樣性增大了封堵的難度[1-2]。術前對LAA影像的完整再現和精確評估有助于減少并發癥。目前臨床常用的LAA封堵術前影像評估技術為經食管超聲心動圖(transesophageal echocardiography, TEE)和X線成像，而這兩種技術均不能完整顯示LAA的空間形態。近年新發展的3D打印技術[3-4]可快速獲取LAA的立體模型，便于直接觀察LAA的解剖信息。本研究旨在分析以經食管三維超聲心動圖(three-dimensional transesophageal echocardiography， 3D-TEE)圖像為數據源對LAA實施3D打印的可行性及準確性，并探討采用3D打印模型指導特殊解剖形態LAA封堵手術的價值。

1 資料與方法

1.1一般資料 回顧性分析2015年1月—2016年5月因非瓣膜性心房顫動于我院心內科接受LAA介入封堵術的18例患者資料，其中男10例，女8例，年齡54～78歲，平均(66.7±7.7)歲。所有患者均不能耐受抗凝治療，CHADS2評分≥1；均排除其他類型心律失常、心肌病、冠心病及其他器質性心臟病。持續性心房顫動16例，陣發性心房顫動2例。18例患者均具有完整的心臟CT及3D-TEE原始圖像資料。

1.2儀器與方法

1.2.13D-TEE數據獲取 采用GE Vivid E9 XD Clear型超聲診斷儀，經食管三維容積探頭(6VT-D)，頻率3.0～8.0 MHz。于食管中段90°切面獲取清晰LAA二維圖像，將LAA完整納入取樣框；取樣幀頻為8～12幀/秒。合理降低總增益，存儲連續5個心動周期全容積圖像并導入Echopac工作站，以DICOM格式存盤供后處理分析。

1.2.23D-TEE數據后處理建模及3D打印 導出75% R-R間期LAA的超聲容積醫學數字成像和通信(digital imaging and communications in medicine， DICOM)圖像。采用Mimics innovation suite 17.0軟件中的灰階反轉(gray values inverted, GVI)和閾值分割進行數據后處理。LAA腔經GVI處理后顯示為高灰階(白色)，LAA壁顯示為低灰階(黑色)。閾值分割最大值為254，最小為110～150。經閾值分割可獲取LAA腔3D掩膜(mask)，并在其基礎上向外延伸1～2 mm，獲得新模型。采用交互式分割手動去除噪聲及周圍組織，獲取光固化立體造型術(stereo lithography, STL)文件以供打印。采用Objet Eden 500V 3D 打印機和彈性類橡膠材料(Tango Plus Material, Shore hardness 26-28A)打印模型。

1.2.3 LAA的CT成像及圖像重建 采用GE LightSpeed VCT掃描儀。心臟CT檢查時囑患者取仰臥位，經肘正中靜脈注射優維顯(370 mgI/ml)60～80 ml(注射流率4.5～5.0 ml/s)后開始圖像采集。采用回顧性心電門控，掃描參數：管電壓120 kV，管電流300～650 mA，層厚5 mm，層間距5 mm，重建層厚0.625 mm。

將CT圖像存儲于GE AW 4.6工作站，導出75% R-R間期DICOM圖像。采用Mimics innovation suite 17.0軟件對圖像進行閾值分割和交互式分割，獲取LAA的CT容積圖像。

1.3 3D打印模型評價參數及模型的準確性評估 以CT容積圖像作為參照，評估3D打印模型對LAA解剖評價的準確性。依據LAA主葉形態、彎折程度及次級分葉的形態和走向，將LAA解剖分型定義為4種[5]：風向標型、雞翅型、菜花型和仙人掌型。同時，結合LAA封堵手術的臨床需求，依據既往研究[6]中對小葉的定義(深度和開口>1 cm的膨出腔為小葉)，對LAA進行分葉分型，分為單葉、雙葉及多葉LAA。

對CT容積圖像及源于3D-TEE的3D打印模型均采用上述標準進行分型。測量3D-TEE模式下及3D打印模型中LAA開口最大徑、最小徑及深度(圖1)。所有參數均由2名有經驗的醫師在隨機雙盲的情況下進行評估測量，對每例患者數據均間隔2天評價2次，統計分析時取其平均值。通過比較3D-TEE及3D打印模型測量值判定3D打印模型與源數據間的差異；參照CT容積圖像，評估源于3D-TEE的3D打印模型評價LAA解剖形態的準確性。

1.4特殊解剖形態LAA的判斷與分析 如患者LAA表現出以下結構則視為特殊形態封堵困難的LAA：①雙葉LAA兩個分葉幾乎等大；②錨定區內存在干擾封堵器釋放的解剖結構，如粗大的梳狀肌或較大分葉；③LAA開口很大，而錨定區內徑明顯變小且深度受限；④彎折發生在近端。篩選特殊解剖形態的LAA后，在其3D打印模型上模擬封堵器釋放，觀察封堵傘的形態，評估其穩定性及是否有殘余漏的可能，并與手術實況對照。

2 結果

18例患者LAA的3D超聲容積數據均成功后處理，并以1∶1尺寸打印出3D模型。單個病例數據后處理時間約40～60 min，單個模型打印時間約3～5 h。

LAA解剖分型中，通過3D打印模型判定18例患者中包括雞翅型6例、風向標型8例、菜花型3例、仙人掌型1例，通過CT容積圖像判定雞翅型6例、風向標型7例、菜花型3例、仙人掌型2例(圖2)。兩種方法的Kappa值為0.92。其中1例LAA CT判定為仙人掌型而3D打印模型判定為風向標型。

分葉分型方面，通過3D打印模型判定為單葉、雙葉和多葉的LAA分別為7例、7例和4例，通過CT容積圖像判定為單葉、雙葉和多葉的LAA分別為6例、7例和5例。兩種方法的Kappa值為0.83。1例LAA 3D打印模型判定為單葉而CT判定為雙葉。1例LAA 3D打印模型判定為雙葉而CT判定為多葉。

比較3D打印模型與3D-TEE測量LAA各徑線測量值，兩種方法間LAA開口最大徑、最小徑和深度差異均無統計學意義(P均>0.05，表1)。Bland-Altman散點圖顯示3D打印模型與3D-TEE測量數據均在一致性界值范圍內(圖3)，一致性界值分別為：LAA開口最大徑(-2.1 mm，2.9 mm)，LAA開口最小徑(-2.3 mm，2.8 mm)，深度(-2.5 mm，2.6 mm)。

表1 3D-TEE及3D打印模型LAA各徑線測量值

采用3D打印模型測量LAA開口最大徑、最小徑及深度時，觀察者間的ICC分別為0.92、0.91、0.88，觀察者內的ICC分別為0.94、0.92、0.92；采用3D打印模型判定左心耳解剖分型和分葉分型時，觀察者間的Kappa值分別為0.80、0.80，觀察者內的Kappa值分別為1.00、1.00，一致性較好。

基于3D打印模型的解剖信息，18例患者中2例被判定為特殊解剖形態LAA。依據術中所用的封堵方案，在3D打印模型中重現封堵過程。其中1例為菜花型LAA，錨定區有1個較明顯的分葉，主葉開口徑24 mm，錨定區內徑18 mm，可用深度11 mm；首先置入32 mm普通型LAmbre封堵器，由于深度受限不能完全釋放，封堵器露肩明顯，提示穩定性不良，換用手術中所用的30/16 mm特殊型LAmbre封堵器，釋放后顯示封堵良好，與手術效果相近。另1例為上下雙葉雙開口LAA，通過3D打印模型測量兩分葉的開口最大徑為13 mm和16 mm，首先試用30 mm Lefort封堵傘，顯示單傘不能完全覆蓋2個開口，在模型與封堵傘之間存在明顯的縫隙，植入24 mm和21 mm封堵器后封堵完全且穩定性良好，與手術效果相近(圖4)。

3 討論

3D打印是快速成型技術的一種，其優勢為快速、定制化、可重復性。該技術已在國內外多項經導管LAA封堵臨床試驗中取得成功[7-9]。

圖1 利用CT容積圖像(A～C)、3D-TEE(D～F)、3D打印模型(G～I)測量LAA最大開口徑(D1)、最小開口徑(D2)和深度(Depth) (OSTIUM：開口)

圖2 3D打印LAA模型 A.風向標型； B.雞翅型； C.菜花型； D.仙人掌型

圖3 3D打印模型與3D-TEE測量LAA最大開口徑(A)、最小開口徑(B)及深度(C)的一致性

圖4 雙葉雙開口LAA封堵模擬操作 A.3D-TEE顯示LAA兩分葉開口(OSTIUM1、OSTIUM2)； B.在3D打印模型中模擬放置2個Lefort封堵傘(DEVICE1、DEVICE2)； C.3D-TEE顯示手術封堵后的效果

CT和MR被認為是醫用3D打印的主要影像技術和數據來源，但TEE是臨床LAA封堵術前篩選病例、術中監測和術后隨訪的主要影像技術。因此，開發以TEE為數據源的LAA 3D打印模型，有利于克服傳統TEE不能展示LAA空間解剖全貌的局限性，使TEE可滿足LAA封堵的臨床影像需求，提高其臨床應用價值。

近年來，3D超聲硬件設備的開發及后處理軟件的更新，使3D超聲數據用于3D打印成為可能。Olivieri等[10]研究顯示，對心臟瓣膜和心內缺損這類兩面為血池的解剖結構，采集的超聲容積數據可直接用于3D打印。而LAA僅一面為血池，內膜面顯示清晰，外膜面顯示不清，本研究采用GVI技術，通過提取清晰的LAA腔血池信號而非傳統方法中不清晰的外膜信號，實現了LAA超聲容積再現，成功制備了以超聲容積數據為基礎的LAA 3D打印模型。

目前臨床對于3D打印模型的關注點主要有兩方面：①經后處理的3D打印模型是否偏離了源數據；②3D打印模型是否可準確反映LAA解剖信息及測值。實際上，從數據采集到打印整個工作流程中任何一個步驟都可能影響3D打印模型的準確性。首先，采集高質量的3D容積圖像非常重要，要求血池顯像為黑色而心內膜顯像明亮，并且要求最少的偽影和噪聲。其次，閾值分割是關鍵，不準確的閾值分割將導致LAA模型失真，優化的閾值分割要求勾畫的腔室和外膜盡可能重合。此外，交互式分割時需仔細確認非ROI區域的邊界及識別噪聲。對上述步驟的優化可在較大程度上保證3D打印模型的準確性。本研究顯示，3D打印模型可立體展示LAA空間解剖全貌和解剖細節。本研究中，通過3D打印模型與CT容積圖像判定LAA解剖分型和分葉分型的一致性均較高，Kappa值分別為0.92和0.83。本組1例LAA的解剖分型及2例LAA的分葉分型存在CT容積圖像與3D打印模型判斷結果不一致的情況，考慮為3D-TEE原始容積圖像在遠場空間分辨率較中場顯著降低，導致LAA末端解剖細節顯示不夠清晰所致。同時，本研究發現3D打印模型與3D-TEE兩種方法間測量LAA開口最大徑、最小徑和深度的差異無統計學意義(P均>0.05)，表明基于超聲技術制作的3D打印模型可高度還原原始數據，具有較高的準確性。在參數測量評估的重復性方面，本研究顯示2名觀察者間及同一觀察者不同時間各測量參數的ICC值均>0.80，表明其重復性較好；2名觀察者對LAA解剖分型及分葉分型判定的Kappa值均為0.80，表明其一致性良好；同一觀察者不同時間對LAA解剖分型及分葉分型判定的Kappa值均為1.00，表明其在不同時間對LAA的評估完全一致。

在獲取準確的打印模型后，開展臨床應用也是3D打印研究中需探討的核心問題。本研究采用市場上可獲取的具有彈性且硬度最低的類橡膠材料制備LAA模型，目的在于通過該模型模擬封堵器釋放后其與真實心肌組織之間相互作用情況相似的效果，為后續復雜病例的術前預演奠定基礎。本研究3D打印模型成功地在2例結構特殊、封堵困難的LAA中重現了封堵傘釋放的過程，通過與真實手術中的情況比對，發現封堵器與3D打印模型之間的縫隙可能導致封堵殘余漏，封堵器在模型中釋放不完全則提示封堵器穩定性不足。

本研究的局限性：①對不耐受TEE的患者無法獲取3D-TEE圖像；②樣本量有限，有待大樣本進一步證實。

綜上所述，3D-TEE可作為LAA 3D打印的影像技術數據源，超聲3D打印模型可全面展示LAA空間解剖形態，LAA徑線測量的準確性較高，且對特殊形態LAA的封堵具有輔助作用。

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A

1003-3289(2017)03-0349-06