创建用于术前规划和动手培训的患者特异性硅胶心脏模型

摘要

患者特异性模型在制定或学习手术方案时，能够提高外科医生和进修医生的信心。三维（3D）打印机可生成用于手术准备的足够细节，但无法复制组织的触觉真实感。本文介绍了一种用于制备患者特异性硅胶心脏模型的方案，结合了3D打印的精确性与模拟硅胶组织的特性。

摘要

三维 模型可作为外科医生制定手术方案以及医学研究生学习复杂病例的宝贵工具。特别是在心脏病学领域，复杂先天性心脏病的发生使得三维模型具有重要作用。尽管许多3D打印机能够提供解剖结构准确且细节丰富的模型，但现有的3D打印材料无法模拟心肌组织的特性，且成本极为高昂。本实验方案旨在建立一种利用低成本硅胶制备患者特异性复杂先天性心脏缺陷模型的方法，该硅胶的材料特性更接近心肌组织。通过提高模型的真实性，可在实际手术前开展手术操作训练。成功构建心脏模型的第一步是对影像学图像进行分割，以生成虚拟的血池（填充心脏腔室的血液）和心肌组织模具。血池和心肌模具采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）进行3D打印，该塑料可溶于丙酮。将心肌模具组装在血池周围，形成模拟心肌的负空间。将邵氏硬度为2A的硅胶注入该负空间并使其固化。随后移除心肌模具，将剩余的硅胶/血池模型浸入丙酮中溶解ABS结构。所述方法最终获得一个物理模型，其中所有心脏特征（包括心腔内缺陷）均以更接近真实组织特性的材料呈现，其逼真度优于直接3D打印方法。通过使用GORE-TEX补片（缺陷修复的标准外科干预手段）成功对存在室间隔缺损（VSD）的模型实施外科矫治，验证了该方法的实用性。

引言

在美国，大约每100名儿童中就有1名出生时患有先天性心脏病（CHD）。由于患有CHD的母亲生育患有CHD子女的风险较高，预计在未来七代内，这一发病率可能增加一倍以上¹。尽管并非所有CHD都被视为复杂或严重，但总体增长趋势表明，有必要改进可用于治疗CHD的技术和手术方法。随着技术的进步，心脏外科医生通常表现出愿意开展更复杂手术的倾向。这种意愿导致复杂心脏手术的数量增加，从而推动了对手术规划和教育培训更先进技术的需求。相应地，心脏外科医生迫切需要高度精确的患者特异性模型，而心脏外科进修医生则迫切需要高效的教学培训方法。

先天性心脏外科手术是最具技术挑战性的外科领域之一，原因在于患者体型微小、心脏异常复杂，以及某些异常情况极为罕见²。在最极端的情况下，患儿可能出生时仅有一个心室。外科医生常常需要将一根直径为2.0 mm的血管用固定心包补片修补，使其扩大为1.0 cm的血管，以完成这一挽救生命的手术——整个过程必须争分夺秒，因为新生儿处于完全循环停搏状态。介于正常的四腔心与这些极端病例之间，存在无数种心腔大小和瓣膜位置的可能组合，构成高度复杂的三维结构难题。先天性心脏病团队的任务是清晰界定独特的解剖结构，并制定计划，将有机组织重构为一个功能健全的心脏，使患儿能够成长并最大限度地获得正常生活的机会。精确的模型可实现在容错环境中进行有目的的外科训练和反复练习，避免对患者造成伤害^3,4。此类培训有助于提升外科技术水平，增强技术操作能力与临床判断能力。然而，资源有限以及某些心脏疾病罕见，使得实现理想的训练重复次数和可视化效果几乎不可能。为弥补这一资源不足，近年来在教育中越来越多地采用模拟技术^2,3。常用的模拟或建模技术包括人体尸体、动物组织、虚拟现实模型（VR）以及3D打印模型。

尸体组织历来被视为外科模拟的金标准，动物组织紧随其后。尸体和动物组织能够实现高保真的模拟，因为它们包含目标解剖结构、所有周围组织，并可采用灌注技术模拟血流⁴。尽管组织模型具有诸多优势，但也存在不足之处。固定保存的组织其机械顺应性降低，导致某些操作不真实且难以实施。这类组织需要持续维护、特定设施，不可重复使用²，获取成本较高³，并且历史上一直存在伦理争议。最为关键的是，先天性心脏疾病在尸体样本中根本无法获得。

虚拟现实（VR）和3D打印模型^5,6,7,8,9,10为心脏教育、模拟和建模提供了另一种选择，有助于制定术前计划。这些模型可减少因用户空间视觉能力差异而导致的将二维图像推断为三维结构时的模糊性^10,11。虚拟环境中可包含可操作并能与模型交互的手术工具 ，使外科医生和进修医师能够锻炼手眼协调能力、精细运动技能，并熟悉某些手术操作⁴。目前主流的3D打印技术，包括熔融沉积成型（FDM）、立体光刻（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和PolyJet，已被证实可制造出具有亚毫米级精度的模型¹³。VR和3D打印模型均可重复使用且可高度精细；甚至可根据患者的影像学数据生成模型，从而复制出患者解剖结构的复制品。尽管VR或3D打印模型具有诸多优势，但在考虑先天性心脏病手术的成本和触觉保真度要求时，它们仍存在不足。构建VR环境的成本较高，且VR环境无法提供真实世界的触觉反馈。尽管触觉保真技术正在不断进步，但目前的技术差距仍限制了学生掌握实施手术所需精细运动技能的能力⁴。同样，根据所使用的3D打印技术类型，3D打印的成本也可能相当高，必须考虑打印机购置费用和打印材料成本^11,14。使用高端打印机可制造出具有逼真触感反馈的单个高保真心脏模型，但仅材料成本就高达数百美元，而打印机购置价格则超过10万美元¹⁵。使用邵氏硬度为26–28 A的丝材制造的心脏模型，其单个成本约为220美元 ¹⁶。相比之下，目前也有许多低成本3D打印机和技术可供选择，其购置价格低于5,000美元。使用低成本FDM打印机制造心脏模型时，若采用邵氏硬度为82 A的材料，平均材料成本约为3.80美元；若使用邵氏硬度为95 A的材料，则成本约为35美元 ^15,16。 尽管这些设备提供了低成本的解决方案，但其代价是触觉保真度的降低。

尽管虚拟现实（VR）和3D打印技术可用于对心脏疾病进行详细的视觉和概念性评估，但用于实体手术模拟的模型制作成本高昂，常常构成显著障碍。一种解决方案是使用硅胶制作在物理特性和质地方面均高度精确的心脏模型。患者特异性的硅胶模型可帮助外科医生观察、触摸甚至练习手术操作，在低风险环境下获得逼真的触觉反馈，即使手术操作失败也不会对患者造成任何后果⁹。研究表明，硅胶模塑是一种有效的人体解剖结构建模方法，其所得模型的物理特性显著接近真实组织，优于低成本3D打印所生成的模型¹⁷。 Scanlan 等人，比较了低成本3D打印与硅胶模塑心脏瓣膜的性能，以评估其与真实组织的相似性；研究发现，尽管硅胶瓣膜的物理特性并非真实组织的完全复制，但其性能远优于3D打印瓣膜¹⁷。该研究中使用的3D打印材料属于低成本3D打印机可用的最柔软材料之一，其邵氏硬度介于26至28 A之间¹⁸。本方案中推荐使用的铂固化硅胶的邵氏硬度为2 A ，更接近心脏组织的邵氏硬度（在00标度上为43，约相当于0 A）^19,20。这一差异具有重要意义，因为硅胶模型能够实现高保真的精细运动技能训练，而直接3D打印材料无法达到这一效果。本方案所提出模型的总材料成本低于10美元。所提出的硅胶模型结合了实现真实触觉反馈所需的软组织特性，以及低成本3D打印模型的灵活性与精确性。

尽管硅胶的优势使其看似是模型制作的显而易见之选，但其应用受限于可成型的解剖结构。新混合的硅胶为液态，需借助模具在固化过程中维持其期望形状。传统上，硅胶心脏模具仅能复制模型的外表面细节。心腔内部结构，包括整个血池区域，会被硅胶填充而丧失。以往研究仅实现了心脏特定感兴趣区域的硅胶模型（例如主动脉根部²¹），或采用外推法模拟心肌组织²²。本方案的创新之处在于，旨在将硅胶材料与高分辨率解剖结构相结合，实现完整心肌的精确模拟，尤其避免使用任何外推方法。据我们所知，尚无文献详细描述整合上述要素的方法。本方案所述方法引入了一种技术，可构建具有足够心腔内解剖复现精度的患者特异性心脏模型，用于术前手术演练。该方法包括制作心肌模具，以在硅胶固化时维持其正确形状；同时制作内模，以保留模型内部心腔结构细节，并防止硅胶填充心脏血池区域。随后需将内模溶解去除，最终获得内外表面均具有患者特异性解剖结构的完整硅胶心脏模型。若无本方案所提出的 cardiac model 制作方法，则目前尚无低成本方案可使用模拟真实心肌组织特性的材料来模拟手术操作。

方案

该方案的实施符合作者所在机构的最佳伦理规范，包括妥善处理任何患者信息，并确保获得使用患者特异性数据所需的必要同意。若使用此类数据，均已进行匿名化处理，以保护患者的个人健康信息。

注意：以下方案以软件中立的方式编写，因为有许多不同的程序可以完成各个步骤。在本特定案例中，使用 Materialise Mimics Medical 24.0 进行图像分割，使用 Materialise Magics 进行三维操作以及分割模型和案例的创建。除通用方法外，还将包含针对这些程序的具体操作说明。

1. 分割患者解剖结构

1. 根据领域专家（SME）建议，获取患者的放射影像数据集，通常为采用三维（3D）扫描协议获取的CT或MRI图像，以确保足够的分辨率。将数据集导入计算机辅助设计（CAD）图像分割软件²³。
   1. 参考所在机构的放射学成像规范进行图像采集（由于每位患者的具体情况不同，难以提供统一的具体指南）。但作为代表性示例，以下是我们此前文献中记录的3D模型所使用的参数设置：CT 3D扫描协议建议参数为：轴向扫描模式，层厚及层间距为0.625 mm，管电压（Kv）为70，Smart mA范围为201–227（Smart mA模式226），旋转速度为0.28 ms。MRI 3D扫描协议建议参数为：轴向扫描模式，层厚及层间距为0.625 mm。
2. 使用Hounsfield单位（HU）阈值工具，根据数据集的具体情况设定合适的上下限，对心肌组织进行初步分割。根据需要进一步优化选择，以准确呈现解剖结构。建议使用具备以下功能的工具：裁剪、添加与删除、区域生长、多层面编辑和空腔填充。在Mimics软件中，右键点击Project Manager区域，选择New Mask。在生成的对话框中，可通过软件预设的解剖学窗宽窗位、精确的HU数值，或手动拖动工具滑块，调整掩膜范围，直至目标解剖结构被准确覆盖。
3. 对血池进行分割。参照步骤1.2所述方法完成此操作。在Mimics软件中，使用预设的解剖学HU窗宽226至3071以捕获血池区域。
4. 若所生成的模型将用于患者临床诊疗，建议在进入下一步前，由心脏病学专家、放射学专家或其他领域专家（SME）对虚拟模型的分割结果进行审核，以确保所有解剖结构及病变区域均被准确分割，并将在最终模型中完整呈现。
5. 通过以下步骤生成心肌病模型：使用空腔填充工具对心肌分割区域外的空白空间进行反向填充，生成反向心肌分割，再利用布尔减法工具将血池分割从反向心肌中减去。建议使用空腔填充工具、布尔运算工具，以及此前生成的心肌和血池分割结果完成此操作。在Mimics软件中，选择Cavity Fill ＞ 标注心肌掩膜周围的空腔区域；随后使用Boolean 工具，在弹出的对话框中选择Minus ，将血池掩膜从心肌掩膜中减去。

图1：在CAD分割软件中的心脏分割。（A）使用原始患者图像数据在CAD分割软件中进行心脏分割。（B）血液池模型三维重建后的分割结果。请点击此处查看该图的高清版本。

6. 查看最终的血池和心肌病例三维分割渲染图像。根据领域专家的建议和批准，从三维血池模型中移除任何对目标解剖结构的评估、理解或修复非必需的血管。在Mimics中选择 3D 预览 在查看窗口旁边的选项中（默认为四窗格默认视图的右下角视图），选择感兴趣的掩膜 项目经理. 若要编辑，请选择 编辑蒙版 工具。在提供的对话中，选择 套索 工具并确保 移除 被选中。这将允许编辑掩膜的实际3D预览。
   注意：该编辑工具是一个无限切割平面，将移除在 Z 方向上选定的掩膜的任何部分。
7. 生成最终血池和心肌病例分割的三维对象。使用平滑对象工具对三维心肌病例模型进行平滑处理。根据领域专家（SME）的建议和批准，针对具体模型必要时调整迭代次数和平滑因子参数，以获得尽可能平滑但未丢失任何重要解剖细节的病例模型。
8. 经 SME 批准后，将模型以 STL 格式导出，用于 3D 模型编辑软件。在 Mimics 中，右键单击工作区中的特定掩膜 项目经理 > 创建对象在提供的对话中，确保 最佳 选择设置并单击 好的.
9. 模型创建完成后，将出现在 对象 窗，通常位于下方 项目经理 窗口中，右键单击生成的模型，然后选择 平滑本案例的参数设置为五次迭代，平滑处理为0.4 mm。
10. 将最终的三维血池和心肌模型保存或导出为标准镶嵌语言（STL）文件。右键单击所需模型 > STL+ > 按照提供的对话导出模型的 STL 版本。

2. 创建数字模具

1. 在 CAD 程序中打开心肌模型的 STL 文件。建议将模型外壳设置为透明显示，以便观察心肌外壳模具内部的心肌结构。在 Magics 软件中，通过导入部件功能导入生成的 STL 文件。在项目管理窗口中，选择模型渲染的透明选项。
2. 使用切割或冲孔工具从模型上修剪多余的心肌外壳材料。外壳外缘与内壁心肌印模之间保留约 0.5 cm 的距离即可。额外材料会增加 3D 打印所需时间，但不会影响最终产品。在 Magics 中，选择切割 > 绘制多段线 > 选择感兴趣点 > 应用。
   注意：编辑工具为无限切割平面，将移除 Z 方向上所选区域的任何部分。
3. 将心肌外壳切割为多个组件，以便围绕血池模具复杂的解剖结构进行组装。建议使用切割和/或冲孔工具完成此操作。
   注意：以下步骤建议对心肌外壳进行切割，将其分为四个部分，该设计已被证明在多种心脏模型中均能兼顾诊断准确性和围绕血池的组装需求。然而，每个模型各不相同，因此必须牢记：在倒入硅胶前需将外壳组件围绕血池组装，待硅胶固化后再将其拆除。需特别注意外壳需穿过血池中的环状结构或包绕较长血管的区域。此类结构可能需要在相应区域将心肌外壳进一步分割为更多部件，以确保能够顺利组装和拆卸。
4. 通过旋转和平移工具调整心肌外壳的视图，使心脏心尖朝下、主动脉弓呈水平方向。在主动脉处进行水平切割，将心肌外壳分为包含心尖的下半部分和上半部分。该切割及后续所有切割的长度将因不同心脏模型而异。在 Magics 中，使用鼠标左键和右键分别控制旋转和平移操作，随后选择切割 > 绘制多段线 > 选择感兴趣点 > 应用。
   注意：编辑工具为无限切割平面，将移除 Z 方向上所选区域的任何部分。
   1. 沿心肌外壳下半部分最宽处进行垂直切割，确保下半部分大致被均分为两部分。
   2. 沿心肌外壳上半部分最宽处进行第二次垂直切割，确保上半部分也大致被均分为两部分。
5. 在心肌外壳各组件上添加定位销（支撑件），以确保组装时的准确定位。建议使用支撑件生成工具结合布尔减法操作，并设置 0.25 mm 的间隙值，以生成匹配的支撑件及其对应的插槽。在 Magics 中，选择添加支撑件 > 在模型上指定位置 > 应用。
6. 在心肌外壳上半部分的任一组件上创建一个直径为 1.0 cm 的硅胶灌注孔。灌注孔正下方的心肌表面特征将被遮挡，因此需确保灌注孔不位于对模型使用至关重要的外部解剖结构上方。请与领域专家（SME）确认灌注孔的位置是否合适。

图2：在CAD软件中的心肌模型。 在CAD软件中生成的室间隔缺损（VSD）心脏病例的心肌模型。请点击此处查看此图的放大版本。

7. 逐一检查所有病例模型的部件诊断，确保不存在以下错误：法线反转、边缘缺陷、轮廓错误、接近边缘缺陷、平面孔洞或壳体问题。如果检测到错误，应使用可用的修复工具或向导进行修复；若无可用工具，则需手动修复。在 Magics 中， 检查诊断 > 自动解析.
8. 通过收缩包裹工具，使用部分收缩包裹修复无法手动或借助修复工具/向导解决的错误。根据特定部件的情况，在 SME 审核下必要时调整收缩包裹采样间隔和间隙填充值，以修正错误，同时不改变其生理结构。在 Magics 中， 固定 > 收缩包装 > 遵循对话。
9. 将各个心肌样本切片保存或导出为STL文件。

3. 制作物理模具

1. 在相应的切片软件中打开心肌外壳和血池模型，生成适用于增材制造（AM）3D打印机的3D打印文件（G-Code文件）。使用旋转和/或平放工具排列心肌外壳的各个部件，使将与另一外壳部件相接的任何侧面保持垂直。手动或通过软件提供的自动支撑生成工具（如有）为所有部件添加3D打印支撑。

图3：在3D打印CAD软件中心肌模型与血池的设置。 在用于室间隔缺损（VSD）心脏病例的3D打印CAD软件中，心肌模型与血池经过适当定向并添加支撑结构，为3D打印做好准备。 请点击此处查看该图的放大版本。

2. 对模型进行切片，生成可在3D打印机上使用的G代码，参数如下：使用ABS材料打印血池，加热床温度为100°C，挤出温度为250°C，填充密度为5%，默认打印速度为50 mm/s，内壁打印速度为70 mm/s，外壁打印速度为50 mm/s；使用ABS或聚乳酸（PLA）材料打印心肌模具，PLA材料时加热床温度为60°C，ABS材料时为100°C，挤出温度PLA为205°C，ABS为250°C，填充密度为15%，默认打印速度为50 mm/s，内壁打印速度为80 mm/s，外壁打印速度为30 mm/s。
3. 保存/导出G代码。
4. 通过U盘或Wi-Fi连接将打印文件上传至3D打印机（根据打印机功能选择），确保已正确装载合适的打印耗材，然后开始打印。3D打印机应满足以下要求：兼容且配备喷嘴直径小于0.4 mm、层分辨率小于0.25 mm的打印能力。打印完成后，使用尖嘴钳和镊子从打印件上清除所有支撑材料。

图4：3D打印模型部件。 3D打印机打印并去除支撑材料后的心脏模型的实物照片，其中（A）为心腔血池部分，（B）为伴有室间隔缺损（VSD）的心肌外壳部件。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 将心肌外壳部件组装在血池模具周围，确保所有部件紧密贴合。若心肌外壳无法完全贴合血池模具，可使用手持旋转打磨工具对壳体模具部件进行微小修整以去除多余材料。若需要较大调整，则可能需在计算机辅助设计（CAD）软件中修改STL文件，并重新进行3D打印。
   警告：使用手持旋转打磨工具时，请佩戴护目镜。在血池或心肌外壳上使用旋转打磨工具会导致塑料熔化，请谨慎并少量使用。
   注意：在完成此步骤之前的任意阶段，均可暂停本操作流程。
6. 若心肌外壳采用ABS材料进行3D打印，且领域专家（SME）希望获得更光滑的硅胶表面，则可进行丙酮蒸气抛光处理。若无需或不希望获得更光滑的表面，可跳过蒸气抛光步骤，对模型最终解剖结构影响甚微。
   警告：丙酮具有挥发性和易燃性。操作时务必在通风良好处进行，并远离明火或火花。此外，丙酮可溶解聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯。若使用塑料容器，应确保其不含PVC或聚苯乙烯。
   1. 选用不会被丙酮影响的容器，在其底部和侧壁铺上纸巾。将丙酮倒入底部纸巾上，使其沿容器侧壁的纸巾向上扩散，但不在底部形成液体积聚。所需丙酮量取决于所用容器的大小；本实验中，在底体积约为400 cm³的容器中使用了30 mL丙酮。
   2. 在容器内放置一张铝箔，覆盖底部纸巾。将心肌外壳部件放置于铝箔上，并调整部件方向，使需抛光的表面保持垂直。确保心肌部件之间以及与容器壁上的纸巾无接触。
   3. 用盖子或铝箔密封容器，使心肌外壳部件在容器内静置，直至通过目视检查达到约80%预期的表面光洁度为止。完成蒸气抛光所需时间因容器大小和所用丙酮量而异。初始30分钟后，每隔15分钟检查一次心肌外壳部件的表面光洁度。本研究中，对一个150 mL结构的蒸气抛光耗时2小时。
   4. 佩戴手套，小心地从容器中取出心肌外壳部件，仅接触其外表面。将部件置于通风良好的环境中彻底脱气约30分钟，或直至表面光滑、干燥且坚硬。

图5：经蒸汽抛光处理的心肌模型部件。 经丙酮蒸汽抛光后，带有室间隔缺损（VSD）的心脏模型中心肌部分的实物照片。请点击此处查看此图的放大版本。

4. 倒入硅胶

注意：某些污染物（包括乳胶和硫）如果与硅胶接触，可能会抑制其固化。建议在使用硅胶前查阅相关技术公告。

1. 估算制作心肌模型所需的双组分铂固化硅胶用量；所需硅胶的量取决于所制作模型的大小。或者，可使用 CAD 软件测量心肌分割的体积，以确定所需的硅胶量。确保硅胶具备以下性能：邵氏硬度 2 A，抗拉强度 1,986 kPa，断裂伸长率 763%，收缩率小于 0.0254 mm/mm，混合后黏度为 18,000 cps，适用期 12 分钟，固化时间 40 分钟。本研究需要 300 mL 硅胶。
2. 在将硅胶 A 组分和 B 组分按正确比例倒入混合杯之前，需充分震荡各组分。如需为模型着色，可加入颜料，并将各组分与颜料彻底混合。在本研究中，将 150 mL 的 A 组分和 150 mL 的 B 组分混合，并用手或搅拌器充分搅拌。使用手工棒加入 Sil-pigment 产品“blood”色颜料（见材料表），直至达到所需颜色。
3. 将充分混合的硅胶置于 29 in Hg 的真空箱中脱气 2–3 分钟。脱气过程中硅胶体积会膨胀至约原来的两倍，因此需确保混合容器留有足够空间以容纳膨胀。脱气完成后释放真空，将硅胶从真空箱中取出，然后将血腔完全浸入硅胶中，确保血腔内的所有空隙和腔隙均被硅胶填充。
4. 在通风良好的环境中，使用脱模剂（见材料表）均匀喷涂心肌模型外壳的所有部件。将心肌外壳的下半部分组装在血腔的尖端周围。若外壳部件之间的接缝处有硅胶泄漏，可使用夹具或热熔胶、黏土等材料在模具外表面密封泄漏处。
5. 将硅胶倒入血腔与外壳壁之间的空隙中，使硅胶充分流入所有间隙。持续倒入硅胶，直至心肌模具的所有组装部件内部完全充满硅胶。
6. 组装心肌外壳的剩余部件，并根据需要使用橡皮筋和夹具将外壳部件紧密固定。通过心肌外壳顶部的注胶孔倒入硅胶，直至整个心肌空间完全充满硅胶。
7. 让硅胶静置约 40 分钟使其固化。将硅胶心脏从心肌外壳中取出，并修剪掉因外壳部件间缝隙或注胶孔而形成的多余硅胶边缘。

5. 溶解血液池

1. 确定硅胶模型上所有应具有开放末端的血管，并剪除覆盖其上的硅胶，以暴露内部的ABS血池。
2. 将硅胶心脏浸入丙酮浴中。丙酮浸泡约10-15分钟后，ABS开始软化；此时用镊子移除大块的ABS，以加快ABS溶解过程。
3. 当大部分ABS血池已溶解后，使用洁净丙酮再进行两到三次额外的丙酮冲洗/浸泡，以彻底清除硅胶中的ABS。将心脏模型从丙酮浴中取出，并置于通风良好的区域，使残留丙酮自然挥发。完全溶解ABS所需时间取决于模型大小、手动去除的ABS量以及所用丙酮的量。

图6：带有室间隔缺损（VSD）的患者特异性硅胶心脏模型。 完整硅胶模型的外心包表面视图照片，模型包含室间隔缺损（VSD）。由于VSD位于心肌结构内部，因此无法从外部观察到。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

选择一名室间隔缺损（VSD）患者的放射影像数据，用于制作具有代表性的硅胶心脏模型。利用CAD分割软件对患者解剖结构进行分割，以生成数字化心肌模型和数字化血池模型。图1）。使用本方案对血池和心肌进行手动分割需要1至3小时完成。分割完成后，将心肌模型导入计算机辅助设计（CAD）软件进行后续处理。在软件中将模型与程序内构建的三维方盒对齐，然后通过布尔运算将其减去。此过程保留了心肌模型的负形，形成一个模具。该心肌模具被修剪至更合适的尺寸，切割成多个片段，并添加定位结构以辅助各部分的对齐 (图2)制作该案例耗时2-6小时。将所有心肌模具部件和血池导入3D打印切片软件，生成G代码，使用ABS材料进行3D打印图3）。移除支撑材料后的3D打印部件如图所示 图4心肌模型样本经过蒸汽抛光处理，以改善模型的表面光洁度。 (图5)完成蒸汽平滑处理后，将模具组装在血池模型周围，并倒入硅胶。模具组装和硅胶浇注耗时一小时。硅胶固化后，将心脏模型从心肌腔中取出并浸入丙酮中，以溶解血池部分。经过约二十四小时浸泡后，血池完全溶解。随后用丙酮进行最终冲洗，并使模型彻底干燥。完成的硅胶心脏模型如图所示 图6为评估硅胶模型的准确性和功能性，由先天性心脏病（CHD）专家进行切口以观察内部解剖结构。模型中成功呈现了预期的室间隔缺损（VSD），并由先天性心脏外科医生使用GORE-TEX补片对模型进行缝合以修复VSD。 (图7)在一个成功制备的硅胶模型中，患者的所有解剖结构和缺损将在体外和体内均得到完整呈现。该操作流程的概要如图所示。 补充文件 1。

图7：在含室间隔缺损的硅胶心脏模型中缝合GORE-TEX补片。 分别为（A）带有室间隔缺损的患者特异性硅胶心脏模型的术者视角照片，以及（B）用GORE-TEX补片关闭模型中室间隔缺损后的术者视角照片。请点击此处查看此图的放大版本。

补充文件1：硅胶心脏制备流程示意图。患者特异性硅胶心脏模型制备流程的示意图。请点击此处下载该文件。

补充文件2：关键步骤及潜在负面结果概述。概述在构建患者特异性硅胶心脏模型过程中至关重要的步骤，以及若未正确执行这些步骤可能导致的潜在负面结果。请点击此处下载该文件。

讨论

完成该方案后，应获得一个用于手术准备的患者特异性硅胶心脏模型。然而，为实现这一目标，必须正确完成若干关键步骤。方案中的关键步骤摘要见于补充文件2， 其中还包括若未正确执行这些步骤可能导致的结果。第一个关键步骤是患者影像数据的分割。此步骤需要获取一份诊断用三维成像数据集。术前规划或教学中模型的实用性取决于三维数据集的质量。建议使用层厚在0.625 mm至2.6 mm之间的图像集，以确保数据集具有足够分辨率用于模型制作。然而，所有成像参数应由放射学领域的临床专家设定，并以患者护理为首要考虑。需注意的是，尽管可能使用层厚超出推荐范围的图像集生成模型，但模型的分辨率和质量将受到负面影响。获取图像后，若分割操作未正确执行，通常要到最终模型被制作并切开后才会被发现，从而导致时间和材料的浪费。为避免此类不良结果，建议在创建数字模具前，由领域专家对分割后的文件进行审查，以实施质量控制。下一个关键步骤发生在数字模具的制作过程中。必须确保心肌外壳能够围绕血池模型正确组装。如果外壳无法完全闭合包裹血池模型，则无法用于制作硅胶模型，因为未固化的硅胶会持续泄漏，且解剖结构可能发生变形。仅当需要微小调整时，可使用手持式旋转打磨工具轻微去除心肌模具的部分材料。若需较大调整，则必须修改数字模具并重新打印更新后的外壳。最后一个关键步骤是硅胶的浇注。使用硅胶时必须严格遵循材料说明书，否则可能导致硅胶固化后表面发黏。若经专家评估认为表面过于发黏而无法使用，则可能需要重新打印血池模型，尤其是当其无法从硅胶中顺利取出时。此时必须重新浇注硅胶，从而造成时间和材料的再次损耗。若使用的硅胶量不足，或在固化过程中硅胶从心肌外壳模具中泄漏，则所得模型将不完整。此类失败可通过混合并额外浇注硅胶至模具中予以补救。在固化过程中，若发现少量硅胶有泄漏迹象，可使用热熔胶或黏土类材料密封心肌外壳模具的接缝处。

这种创建患者特异性硅胶心脏模型的方法可进行修改，以用于构建具有患者特异性或复杂内外几何结构的任意软性解剖结构模型。只要目标解剖结构被正确分割，本方案的其余步骤几乎无需更改即可实施。尽管并非本研究的重点，该方案已成功应用于肝脏实质组织的建模。所使用的3D打印材料也可进行调整。推荐使用ABS和PLA材料因其成本较低，但任何可溶解的3D打印材料均可替代ABS，任何理想的3D打印材料也可替代PLA，且对方案本身几乎无需或无需任何修改。使用其他打印材料时，应严格遵循所有丝材制造商指定的打印参数。该方法还可通过使用不同类型的硅胶进一步调整。本方案推荐使用的硅胶邵氏硬度为2 A，但如果需要其他邵氏硬度值，可替换为其他硅胶，且对方案几乎无需或无需修改。使用不同硅胶产品时，务必严格遵守所有制造商的技术规范和操作流程。

尽管本方案概述了一种改进的心脏建模方法，但仍存在一定的局限性。该方案的主要局限在于，虽然所使用的铂金固化硅胶在硬度上比其他可用材料更接近心脏组织，但硬度并非影响外科培训中精细操作技能的唯一因素。特别是，真实的心脏组织在受力时会表现出脆性或撕裂现象。而所使用的硅胶具有很高的弹性，其断裂伸长率为763%，抗拉强度为1,986 kPa¹⁹。猪心脏组织被认为能准确代表人类心脏组织，其断裂伸长率为28–66% ，抗拉强度为40–59 kPa²⁶。这种差异带来了一个问题：心脏外科进修医生可能在硅胶心脏模型上进行练习手术，并因模型能够承受真实心脏组织无法承受的力而产生错误的信心。此外，当心脏模型具有非常复杂的几何结构时，该方法也可能受到限制。随着模型解剖结构复杂性的增加，本方案可通过增加心肌模具的分块数量来弥补。本质上，越复杂的心脏模型将需要越复杂模具设计，并延长设计时间。

本方案所述的模型制备方法优于其他多种现有替代方案，因其能够低成本地精确复制手术中所见的解剖结构。虽然尸体和动物组织可实现高保真模拟，但其成本显著更高，且需要特定的实验室设备进行使用和维护^2,6此外，尸体和动物组织模型存在伦理问题，无法实现患者特异性，且复杂的先天性心脏病模型通常需由外科医生或教师手工制作，容易导致不准确或对周围组织和器官造成损伤。另一种潜在的建模技术是虚拟现实的应用。虚拟现实可实现患者特异性心脏模型的数字化重建，有助于准确建立患者解剖结构和手术方案的心理表征，是一种有效的工具。此外，部分虚拟现实系统已结合触觉反馈，实现了基础的模拟操作。然而，现有的触觉反馈尚缺乏足够的真实感，难以模拟先天性心脏手术所需的精细运动技能。⁴3D打印是另一种可用于制作患者特异性心脏模型的方法^2,24然而，能够制造多材料、柔软模型的高保真3D打印机由于成本极高，其广泛应用受到限制^11,14,15低成本的3D打印机虽然可用，但仅能使用比真实心肌坚硬得多的材料进行打印。Scanlan等人采用一种现有最柔软的3D打印材料制备模型时，发现该模型仍比真实的心脏组织更坚硬。¹⁷所述材料的邵氏硬度在26 A至28 A之间，质地类似于橡皮筋。 本方案中使用的铂金固化硅胶硬度为 Shore 2 A，其质地类似于凝胶鞋垫，更接近真实心肌组织的硬度，后者为 43 00²⁰ 或 ~0 A. Hoashi 等人. 也采用了一种与本方案所述相似的方法，来开发一种柔性的3D打印心脏模型。通过SLA打印机3D打印出代表心肌内层和外层几何结构的两个模具，随后采用真空铸造技术浇注类橡胶聚氨酯树脂。尽管该方法确实制备出了一种柔软的心脏模型，但该方法每个模型的预估生产成本为2,000至3,000美元²²相比之下，本方案所述方法的总材料成本低于10美元。最后，Russo等人也采用过类似的方法。. 用于制作主动脉瓣及近端主动脉的硅胶模型，以进行手术操作训练。尽管Russo等. 该方法虽然目标相似，但其提出的过程旨在复制更为简单的主动脉或主动脉瓣解剖结构。本文所呈现的方案则专注于心内及心肌解剖结构，这些结构更小、更复杂，若采用传统方法极难实现复制。尽管存在这一差异，Russo 等人所创建的模型. 受访的心脏外科医生认为，这些方法在心脏外科手术的模拟与培训中非常有用²³该方案所述方法能够以较低成本构建出结构复杂、针对特定患者的先天性心脏模型，其缺陷表现准确，且材料特性较其他建模方法更接近真实心肌组织。^1,16，使模型能够以逼真的触觉保真度进行操作。

未来，该方法可应用于构建具有复杂内外结构的任意患者解剖模型。开发一种替代性血池材料，使其能够以更少破坏性的方式从硅胶模型中移除，或采用更省时的方法制备，将使整个流程在时间和成本上更具效率。如此一来，后续每次翻模过程便无需重新制作血池，从而提升相关培训的可扩展性。用于构建模型的硅胶材料的物理性能亦可进一步优化。采用断裂伸长率更低的硅胶可增强模型的真实感，有助于提升其作为心脏外科专科医师培训教育工具的价值，帮助他们掌握实施此类复杂手术所需的精细操作技能。目前市场上有一类值得考虑的材料是硅胶模拟玻璃材料²⁵。这类硅胶材料的断裂伸长率显著降低，在受力时会呈现出类似玻璃的"碎裂"特性。在本方案所用的铂金固化硅胶中添加此类硅胶模拟玻璃材料，可能在保持适当邵氏硬度的同时，调控模型的脆性特征，从而提高整体触觉保真度。最后，本方案所能呈现的解剖结构分辨率受限于用于制作模具的3D打印机的分辨率。随着技术的持续进步，该方案可实现的解剖结构分辨率也应随之提升。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1.75 mm ABS 丝材	Matter Hacker	matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-	质量稳定可靠，价格经济实惠
1.75 mm PLA 丝材	Matter Hacker	https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU	质量稳定可靠，价格经济实惠
8220 12VMax 高性能无线款	Dremel	https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless	无线设计，便于对模型细小结构进行操作
丙酮	Sunnyside	https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5	大包装
Dragon Skin Fx-Pro	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro	行业标准材料，经验证对人体皮肤安全
Ease Release 200	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/ease-release-200	涂层剂，确保硅胶易于从模具中脱模
GORE- TEX 补片	GORE	https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch	心血管补片
ideaMaker	Raise 3D	https://www.raise3d.com/download/	Raise 3D 打印机配套的 G 代码生成 CAD 软件
Magics	Materilise	https://www.materialise.com/en/software/magics	功能丰富的 CAD 软件，可处理有机曲面
Mimics	Materilise	https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics	功能强大的图像分割软件
患者 DICOM 数据	-	-	DICOM 数据通常来源于患者的 CT 或 MRI 扫描
Pro2 Plus	Raise 3D	https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/	可靠性良好，具备双喷头的熔融沉积成型（FDM）3D 打印机
PRO2-100 工业级热熔胶枪	Surebonder	https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks	工业级质量的热熔胶枪
Silc Pig	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments	用于为硅胶添加颜色的色料
真空腔室	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber	可靠性良好的真空腔室，用于去除混合硅胶中的气泡