超聲數據3D打印制作二尖瓣模型的可行性

楊遠婷，宋宏寧，陳思楷，王 浩，宋彎彎，郭 娟，鄧 傾，周 青

(武漢大學人民醫院超聲科,湖北 武漢 430060)

采用超聲心動圖可對瓣膜的解剖結構進行形態學觀察和定量評估，有利于臨床選擇治療方案，對診斷心臟瓣膜病并評估其嚴重程度和預后具有較高價值[1]。3D超聲心動圖發展很快，可通過二維屏幕顯示瓣膜的3D圖像，但對于全面、直觀展示瓣膜解剖結構價值有限[2]。過去10年中，3D打印技術取得顯著進步[3-4]，并已越來越多地被用于心臟病學領域的臨床教學[5]及手術決策[6]。本研究探討以3D-經食道超聲心動圖(transesophageal echocardiography， TEE)為數據源，采用3D打印技術制作二尖瓣(mitral valve， MV)3D模型的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2018年1—12月30例于武漢大學人民醫院接受3D-TEE檢查患者，男14例，女16例，年齡30～73歲，平均(56.2±9.7)歲；其中10例MV正常，MV狹窄及脫垂者各10例。納入標準:①年齡>18歲，無TEE檢查禁忌證；②左心室射血分數50%～60%；③3D-TEE圖像完整、清晰顯示MV結構；④竇性心律。

1.2 儀器與方法 采用GE Vivid E9彩色多普勒超聲診斷儀，6VT經食管相控陣3D容積探頭。于Echo Pac工作站進行圖像傳輸與處理，以Mimics 19.0(Materialise, Leuven, Belgium)及3-Matic(Materialise, Leuven, Belgium)軟件進行3D重建及后處理。3D打印采用JG AURORA打印機。

1.2.1 獲取 3D-TEE圖像 行咽部表面浸潤麻醉后，囑患者取左側臥，置入食管超聲探頭。于食管中段水平調整探頭角度及圖像增益，當2D超聲心動圖清晰顯示MV結構時，進入4D-Prepare模式，調整取樣框大小，使之覆蓋整個目標結構。在4D模式下采集5個心動周期的MV容積圖像(圖1A)，導入Echo Pac工作站存盤進行分析。

1.2.2 3D-TEE圖像后處理 通過Echo Pac工作站導出舒張末期MV容積圖像，采用Mimics 19.0對圖像進行閾值分割，能清晰分離MV時為最佳閾值范圍，于此進行微調，使MV盡量包括在容積遮罩(Mask)內。通過新建1個交互式平面確定瓣環位置，并進行描點標記，再使用手動編輯工具對圖像進行優化，創建MV 3D數字模型(圖1B)。

1.2.3 MV 3D模具制作 將數字模型導入3-Matic，通過擴容及布爾運算設計MV模具3D數字模型，以標準鑲嵌語言(standard tessellation language， STL)格式保存并傳輸至3D打印機后，用可溶性材料(聚乙烯醇)打印出MV 3D模具(圖1C)。

1.2.4 MV 3D模型制作 采用硅膠灌注成型方式制作軟質MV模型。將皮膚膠、硅油、固化劑按比例混合，攪拌均勻后放入排氣裝置，用注射器抽取除氣后的皮膚膠，自模具灌膠口注入，溢出時證明已灌注完全。將模具靜置約3～5 h，待皮膚膠成型后，將其放入常溫水槽中，模具溶解后得到軟質MV 3D模型(圖1D)。

1.3 評價參數 由2名超聲科主治醫師在隨機雙盲情況下測量所有參數。

1.3.1 MV 3D-TEE參數 進入Echo Pac工作站，啟動Flexi Slice顯像功能(圖2A)，測量3D-TEE圖像中的MV前后直徑(anterior and posterior diameter， AP)、前外后內直徑(anterolaterior and posteromedial diameter， ALPM)、周長(perimeter， P)、面積(area，A)及瓣膜開放幅度(MV opening width， MVOW)(圖2B)，每個參數測量3次，取平均值作為最終結果。

1.3.2 MV 3D模型參數 使用游標卡尺分別測量MV的AP、ALPM及MVOW(圖3A)；以軟鋁絲按照MV環塑形，軟鋁絲面積即為瓣環A；展開軟鋁絲，其長度即為二尖瓣環P(圖3B)。

1.4 統計學分析 采用SPSS 24.0及MedCalc軟件進行統計學分析。計量資料以±s表示，以配對t檢驗比較MV 3D模型與3D-TEE圖像參數。采用Bland-Altman分析檢驗3D模型與3D-TEE圖像測值的一致性。以組內相關系數(intraclass correlation coefficient， ICC)評價2名觀察者間及觀察者內測值的重復性。P<0.05為差異有統計學意義。

圖1 3D打印制作軟質MV模型流程圖 A.MV 3D-TEE容積圖像； B.3D重建及后處理的MV 3D數字模型； C.MV 3D模型的模具(箭示灌膠入口)； D.軟質MV 3D模型

2 結果

30例3D-TEE容積數據均成功后處理，并以1∶1尺寸制作出MV 3D模型(圖4～6)。

MV正常、狹窄及脫垂者3D模型與3D-TEE圖像間MV參數測值差異均無統計學意義(P均>0.05，表1)。Bland-Altman分析結果顯示，MV正常者3D模型與3D-TEE圖像測值一致性界值分別為：AP(-0.59 mm， 0.71 mm)、ALPM(-0.88 mm，0.72 mm)、P(-0.69 mm，0.87 mm)、A(-0.91 mm2，0.71 mm2)、MVOW (-0.07 mm，0.09 mm)；MV狹窄者一致性界值分別為：AP(-0.10 mm，0.14 mm)、ALPM(-0.14 mm，0.14 mm)、P(-0.12 mm，0.24 mm)、A(-0.10 mm2，0.14 mm2)、MVOW(-0.09 mm，0.11 mm)；MV脫垂者一致性界值分別為：AP(-0.13 mm，0.20 mm)、ALPM(-0.13 mm，0.24 mm)、P(-0.16 mm，0.22 mm)、A(-0.08 mm2，0.15 mm2)、MVOW(-0.09 mm， 0.12 mm)。

針對3D模型測量MV的AP、ALPM、P、A及MVOW時，2名觀察者間ICC分別為0.91、0.92、0.96、0.90、0.94，觀察者內ICC分別為0.93、0.92、0.94、0.90、0.95。

MV正常、狹窄及脫垂者中，3D模型與3D-TEE圖像間MV的AP、ALPM、P、A及MVOW參數測值的絕對差值均較小(表2)。

表1 MV 3D模型與3D-TEE圖像參數測值比較(±s)

表1 MV 3D模型與3D-TEE圖像參數測值比較(±s)

MV狀態AP(mm)ALPM(mm)P(mm)A(mm2)MVOW(mm)正常MV(n=10) 3D模型23.97±1.3832.70±2.3389.19±3.8455.60±2.8021.44±0.69 3D-TEE圖像23.91±1.2932.78±2.2589.10±3.9055.70±2.8221.35±0.95 t值-0.570.62-0.720.78-0.68 P值0.580.550.490.460.52MV狹窄(n=10) 3D模型28.16±3.7634.94±3.22101.47±9.8989.91±1.437.57±0.84 3D-TEE圖像27.98±3.7334.91±3.13100.06±9.4289.70±2.827.63±0.79 t值-0.13-0.94-0.60-1.090.38 P值0.900.370.140.300.72MV脫垂(n=10) 3D模型29.10±2.2036.36±5.53106.47±1.5089.45±1.1823.03±1.40 3D-TEE圖像28.75±2.1835.79±5.62106.21±1.4789.10±1.1022.87±1.63 t值-1.89-1.31-0.85-1.92-0.93 P值0.090.220.420.120.38

圖2 3D-TEE圖像參數測量 A.Flexi Slice顯像，通過調節瓣環左右徑和上下徑定位線，在短軸確定瓣環的位置； B.測量MV周長P及面積A

MV狀態AP絕對差值(mm)ALPM絕對差值(mm) P絕對差值(mm)A絕對差值(mm2)MVOW絕對差值(mm)MV正常(n=10)0.98±0.540.26±0.270.84±5.430.17±0.650.19±0.64MV狹窄(n=10)0.15±0.820.25±0.740.56±1.070.43±0.620.48±0.58MV脫垂(n=10)0.64±1.030.46±0.830.37±1.020.24±0.550.38±0.63

圖3 測量MV 3D模型參數 A.以游標卡尺測量MV 3D模型的前外后內直徑； B.以軟鋁絲按照MV環塑形，測量展開的鋁絲長度，即為MV 3D模型的周長

3 討論

3D打印是將可成型材料以逐層疊加方式結合起來制造出3D立體模型的技術[7]。CT圖像具有較高的空間分辨率和密度分辨率，常作為心臟模型獲取的影像數據源[8]。超聲心動圖在顯示心臟瓣膜方面比CT和MR更具有優勢[9]。利用3D-TEE圖像為數據源制作MV 3D模型，有利于為臨床提供直觀的瓣膜模型。

3D打印過程涉及多個流程，從圖像采集到模型制作，其中任何一個步驟均可影響3D模型的準確性。高質量超聲容積數據是3D打印的前提。采集圖像時，應盡可能使目標區域與超聲束垂直，獲取從左心房面或左心室面視角的3D數據圖像，以減少回聲失落現象。閾值分割是3D打印的關鍵，可先確定能包含MV結構的閾值范圍，對于未顯示的瓣膜結構，可按照已顯示瓣膜的閾值進行多平面編輯。在優化過程中，還應仔細辨別目標區域的邊界及噪聲[10]。

隨著醫學技術的發展，治療MV瓣膜病的方法已逐步擴展到心內直視手術之外，經導管修復瓣膜越來越顯示出其優勢[11]；術前更直觀了解瓣膜并進行演練有利于提高治療一次成功率，也可預測操作過程中可能存在的風險。VUKICEVIC等[12]利用3D-TEE數據打印出1例MV重度關閉不全患者的MV 3D模型，并在模型上成功模擬了經導管MV修復術(MitraClip)。ROTMAN等[13]打印主動脈瓣鈣化3D模型，將其置入模擬血管系統中，用于培訓醫師，使其熟練掌握經導管主動脈瓣置換術。

現有制作MV 3D模型的常用方法是直接打印和鑄模成型[11]。為更好地用于手術訓練，打印瓣膜的材料必須柔韌且具有足夠彈性，而使用丙烯腈丁二烯苯乙烯直接打印的固體塑料模型不具備上述特點。目前已實現使用軟性材料直接打印瓣膜模型，但需要特定且昂貴的3D打印機及打印材料[14]。本研究采用鑄模硅膠灌注成型方法制作軟質MV 3D模型，初步證實應用3D-TEE為數據源制作MV 3D模型是可行的，MV正常、狹窄及脫垂者MV 3D模型與源數據參數測值一致性均較高。與3D超聲心動圖中的3D重建相比，3D模型能更好地展示瓣膜形態。

本研究的局限性：①比較了3D模型與源數據之間的一致性，但未與金標準或瓣膜標本上的測量值進行對比；②因MV瓣下結構(腱索、乳頭肌)在3D-TEE圖像采集過程中與超聲束處于平行狀態[12]，不能清晰進行3D重建，故本研究制作的MV 3D模型僅包括瓣葉結構。

圖4 MV正常患者，男，32歲，MV 3D模型 A.左心室面觀； B.左心房面觀 圖5 患者女，44歲，風濕性心臟瓣膜病致MV狹窄，MV 3D模型 A.左心室面觀可見瓣口呈魚口狀改變(*示前后瓣交界融合部位)； B.左心房面觀 圖6 患者男，51歲，MV脫垂，MV 3D模型 A.左心室面觀可見瓣環徑明顯增大； B.左心房面觀(*示瓣葉脫垂部位)

本研究探索3D-TEE作為制作MV 3D模型的影像學數據源的可行性，初步結果顯示此法可全面展示MV解剖形態，MV 3D模型各徑線測值與源數據測值的一致性好。相信隨著研究的深入和完善，MV 3D模型在臨床教學、術前決策及手術演練等方面將有更好的應用前景。