用于介入手术规划与培训的3D打印心血管模型的开发与评估

摘要

本文介绍了一种用于多模式治疗评估、干预前规划以及心血管解剖结构医师培训的模拟循环系统的构建方法。通过应用患者特异性的断层扫描图像，该系统在个体化医疗的治疗策略、培训与教育中具有理想的应用价值。

摘要

基于导管的介入治疗是心血管疾病的标准治疗方案。因此，患者特异性模型有助于培训医师的导丝操作技能，并改善介入手术的规划。本研究的目的是开发一种用于心血管介入的患者特异性3D打印模型的制造工艺。

为了制备一种3D打印的弹性体模，将不同的3D打印材料在力学特性方面与猪的生物组织（即主动脉组织）进行了比较。根据拉伸性能的对比测试结果，选择了一种匹配的材料，并确定了特定的材料厚度。回顾性收集了匿名化的增强CT数据集。从这些数据集中提取出患者特异性的三维模型，并进行3D打印。构建了一个脉动血流循环系统，以模拟介入操作过程中的管腔内血流情况。通过X射线成像、CT、4D-MRI以及（多普勒）超声检查评估模型在临床影像学中的适用性。在基于X射线的成像中使用了对比剂以增强可视化效果。应用多种导管技术，以评估3D打印体模在医师培训以及术前治疗规划中的应用价值。

打印模型显示出高打印分辨率（约30 µm），所选材料的力学性能与生理生物力学特性相当。与原始放射学数据相比，物理模型和数字模型均表现出高度的解剖准确性。打印模型适用于超声成像以及标准X射线检查。多普勒超声和4D-MRI显示的血流模式及特征性标志（如湍流、管壁剪切应力）与原始数据一致。在基于导管的实验室内环境中，患者特异性模型易于进行导管插入。针对复杂解剖结构（如先天性心脏病（CHD））的治疗规划及介入手术培训成为可能。

采用3D打印技术制备了柔性的患者特异性心血管模型，并可应用常规的临床成像技术进行检测。该新型技术非常适合作为基于导管的（电生理）介入治疗培训工具，也可用于患者特异性的治疗规划。

引言

个体化治疗在现代临床实践中正变得越来越重要。总体而言，这些方法可分为两类：基因组学方法和形态学方法。对于基于个体独特DNA的个体化治疗，必须进行基因组测序或基因表达水平的定量分析¹。这些方法可见于肿瘤学或代谢性疾病治疗等领域²。每个人独特的形态结构（即解剖结构）在介入治疗、外科手术及假体医学中发挥着重要作用。目前，个体化假体的开发以及干预前/手术前的治疗规划已成为众多研究团队的核心研究方向^3,4,5。

源于工业原型制造的3D打印技术非常适合个性化医疗领域⁶。3D打印被归类为一种增材制造方法，通常基于材料的逐层沉积。如今，已有多种采用不同打印技术的3D打印机可供选择，能够加工聚合物、生物材料或金属材料。随着打印速度的不断提高以及3D打印机日益普及，制造成本正逐步降低。因此，在日常临床实践中将3D打印用于干预前规划已具备经济可行性⁷。

本研究旨在建立一种生成患者特异性或疾病特异性模体的方法，可用于心血管医学中的个体化治疗规划。这些模体应能兼容常见的影像....

方案

伦理批准由慕尼黑路德维希-马克西米利安大学伦理委员会审议 由于本研究中使用的放射学数据集为回顾性收集且完全匿名，故免除了相关要求。

请参考该研究所的磁共振成像安全指南，特别是关于所使用的左心室辅助装置（LVAD）心室及循环回路中的金属组件的指南。

1. 数据采集

1. 在创建解剖学模型之前，应选择合适的放射学数据集，优先选用心血管学科患者的资料。虚拟三维模型可基于计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）数据集生成。
2. 根据拟在三维模型中呈现的结构尺寸，选择数据集的像素大小和层厚（ST）。本实验采用0.6 mm的层厚，矩阵大小为512 × 512，视野为500 mm，对应像素大小为0.98 mm。需确保像素大小和层厚均小于图像及三维模型中需显示的最小结构特征尺寸，例如：婴幼儿数据集或冠状动脉显示时应小于<0.3 mm，成人主要心血管结构则应小于<0.6 mm。
3. 对成人患者采用双源螺旋技术进行CT血管造影（CTA）的标准扫描，层厚设为0.6 mm。注射80 mL碘对比剂，注射速率为4 mL/s，在升主动脉处进行团注追踪，阈值设为100 HU，触发后11 s开始扫描。管电压和管电流根据患者体型由扫描仪自动选择。使用软组织核进行图像重建，并采用高程度的迭代重建技术。
   ​注意：CTA扫描参数与协议高度依赖于所用CT设备、....

结果

所述的代表性结果聚焦于在规划、培训或测试场景中常用的几种心血管结构。这些模型使用各向同性的CT数据集创建，层厚（ST）为1.0 mm，体素尺寸为1.0 mm³。主动脉瘤模型的壁厚设定为2.5 mm，该参数符合打印材料的拉伸测试结果（抗拉强度：0.62 ± 0.01 N/mm²；F_max：1.55 ± 0.02 N；伸长率：9.01 ± 0.34 %）以及猪主动脉样本的测试结果（宽度：1 mm；F_max：1.62 ± 0.83 N；伸长率：9.04 ± 2.76 %）。

所展示的3D打印模型在CT成像中具有广泛的应用前景。打印材料可轻松与周围的琼脂以及可能存在的金属植入物区分开来（图3A）。因此，通常无需使用对比剂，除非需要生成动态成像序列。这对于评估腔内血管支架移植物尤其有用，因为它能够显示可能存在的假体不匹配情况以及随之出现的.......

讨论

所展示的工作流程可用于建立个体化模型，从而进行干预前的治疗规划以及基于个体化解剖结构的医师培训。为实现这一目标，可利用患者特异性的断层扫描数据对柔性心血管模型进行分割及3D打印。通过将这些3D打印模型应用于模拟循环系统，可真实地模拟不同的临床情况。

如今，许多治疗规划流程侧重于对不同场景进行数字化模拟，以确定最理想的结果^10,11。与这类计算机模拟相比，所描述的3D打印装置可在训练过程中提供触觉反馈；在脉动灌注条件下，其材料的顺应性可接近人体原始组织。另一方面，许多已发表的3D打印心血管模型仅使用刚性材料，因此主要局限于视觉用途^12,13。

然而必须认识到，当前的3D打印技术和材料仍然是本工作流程在复现生物力学特性方面最主要的限制因素¹⁴。尽管精确.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3-matic	Materialise AB		软件版本 15.0 - 商业三维建模软件
Affiniti 50	Philips Medical Systems GmbH		超声成像系统
Agilista W3200	Keyence Co.		空间分辨率为 30µm 的 Polyjet 三维打印机
AR-G1L	Keyence Co.		柔性三维打印材料
Artis Zee	Siemens Healthcare GmbH		血管造影X射线扫描仪
cvi42	CCI Inc.		软件版本 5.12 - 四维血流分析软件
诊断导管，多用途 MPA 2	Cordis, A Cardinal Health company		用于儿科训练模型的导管，婴儿用 4F，儿童及青少年用 5F
Excor 心室辅助装置	Berlin Heart GmbH		每搏输出量 80–100 ml
Imeron 400 对比剂	Bracco Imaging		CT 对比剂
IntroGuide F	Angiokard Medizintechnik GmbH		带J型头端的导丝；直径：0.035"，长度：220 cm
Lunderquist 导丝	Cook Medical Inc.		用于（胸/腹）主动脉腔内修复术的介入导丝
MAGNETOM Aera	Siemens Healthcare GmbH		MRI 扫描仪
Magnevist 对比剂	Bayer Vital GmbH		MRI 对比剂
Mimics	Materialise AB		软件版本 23.0 - 商业图像分割软件
Modeling Studio	Keyence Co.		三维打印机切片软件
PVC 管路
Radifocus Guide Wire M	Terumo Europe NV		直头导丝；直径：0.035"，长度：260 cm
Really useful box 9L	Really useful products Ltd.
Rotigarose - 标准琼脂	Carl Roth GmbH	3810.4
Solidworks	Dassault Systemes SE		软件版本 2019–2020；CAD 设计软件
SOMATOM Force	Siemens Healthcare GmbH		计算机断层扫描仪
syngo via	Siemens Healthcare GmbH		放射影像软件