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

本方法可实现患者特异性心血管解剖模型的构建，用于体外测试、教学及手术规划。该方法提供了一种标准化流程，可根据放射影像数据集创建可3D打印的个体化解剖模型，并可轻松整合至血流循环系统或培训装置中。尽管该建模方法主要针对心血管系统，但亦可推广应用于其他解剖结构。

放射学数据集的质量对建模过程中遇到的困难有重大影响。在构建初始模型时，应使用运动伪影最少且空间分辨率较高的数据集。首先，通过打开阈值工具定义亨氏单位（Hounsfield unit）的范围，从而生成增强对比的血容量与骨结构的联合掩膜。

使用分割掩膜工具去除最终3D模型中不需要的所有骨组织部分，该工具可根据Hounsfield值和位置在整体切片中标记并分离多个区域。完成此分离后，确保保留包含对比剂增强血容量的掩膜。可通过浏览冠状面和轴向面，并将生成的掩膜与底层数据集进行匹配来实现这一步骤。

基于此掩膜，计算生成一个渲染的三维多边形表面模型。点击局部平滑工具，手动并局部地调整分割模型的表面。重点去除先前裁剪操作产生的粗糙多边形形状、孤立峰和不平整边缘。

为了便于后续将模型连接到流动回路，应包含具有确定直径的管状部件，并使其与现有的软管接头和管径相匹配。要创建一个与血管开口横截面平行的基准平面，请选择“创建基准平面”工具，并使用预设的三点平面功能。然后，在血管横截面上等间距地单击三个点，以生成该平面。

在命令窗口中输入 10 毫米的偏移量并确认操作。从菜单中选择绘制草图工具，并选择先前创建的基准平面作为草图位置。在草图中，将一个圆大致放置在容器的中心线上，并将半径约束设置为与软管接头的外径相匹配。

根据所创建的草图，使用拉伸工具制作一个长度为 10 毫米的圆柱体。将拉伸方向设置为远离容器开口，使圆柱体与容器截面之间形成 10 毫米的距离。然后使用放样工具在容器末端与几何定义的圆柱体之间创建连接。

确保两个横截面之间平滑过渡，从而在最终的三维流体模型中避免湍流和低流速区域。最后，在命令窗口中使用中空工具创建中空的血流空间，输入所需的壁厚，并设置中空方向为向外。确认选择以执行中空操作。

将切片软件中的打印文件上传至3D打印机后，确保打印机墨盒中的打印材料和支撑材料足以完成该3D模型的打印，并启动打印。打印完成后，从成品模型上清除支撑材料。首先通过轻轻挤压模型，手动去除大部分支撑材料。

将模型放置在水槽中，移除盖子后将其浸入水或相应的溶剂中。在设定为40摄氏度的培养箱中过夜干燥模型。次日，将模型包埋于1%琼脂中。

使用一个塑料盒，模型周围至少留出两厘米的侧边间距，并在盒壁上钻孔，以便将管道从血管连接至泵和储液器。将琼脂加入水中并煮沸。搅拌混合物后，静置冷却五分钟，然后将其倒入盒中，形成至少两厘米高的基床。

在琼脂凝固的同时，使用市售的软管接头将模型的每个开口与非顺应性PVC管连接。用扎带固定软管接头与3D模型之间的连接，确保无液体泄漏。将PVC管穿过钻好的孔引入盒内，然后将模型放置在已凝固的琼脂表面。

为防止琼脂从这些孔洞中泄漏，使用耐热的塑形黏土将其密封。接着，将琼脂倒入盒中，并在模型上方覆盖一层两厘米厚的琼脂。在室温下静置一小时，使琼脂完全冷却并凝固。

使用冲程容积为 120 至 150 毫升的活塞泵搅动心室。进行 CT 成像时，将整个循环回路置于 CT 扫描仪内，驱动装置放置在附近。将对比剂泵直接连接至循环回路的储液器，以便在扫描期间模拟模型内灌注对比剂的过程。

这对于可视化血管病理学尤其有用。对整个模型进行动态扫描以观察对比剂的流入情况。以每秒4毫升的速度向模型的储液器中注入100毫升稀释1至10倍的含碘对比剂。

使用团注触发法在引导管中启动扫描，阈值设为100 Hounsfield单位，延迟4秒。进行超声检查时，在琼脂块顶部涂抹少量超声耦合剂以减少伪影。启动泵，使用超声探头定位目标解剖结构。

使用二维超声模式评估瓣叶运动以及瓣膜的开启和关闭行为。使用彩色多普勒评估通过瓣膜的血流，使用频谱多普勒定量测量心脏瓣膜后的血流速度。将通路端口插入3D模型正下方的PVC管中，以便更方便地使用心脏导管或导丝进入解剖结构。

启动流路后，检查端口入口处是否存在泄漏。如有必要，使用双组分粘合剂密封开口。将3D模型放置在X射线机C形臂下方的患者检查台上。

使用X射线成像引导导管和导丝通过解剖结构。对于4D MRI，使用1.5特斯拉扫描仪，并确保采集方案包含4D流序列中的无对比增强MRA。以1.2毫米的层厚获取包含25个相位的各向同性数据集。

将速度编码设置为每秒100厘米。使用商业软件进行4D血流图像分析。首先，从U盘中选择4D MRI数据集并导入，然后进行半自动偏移校正和混叠校正，以提高图像质量。

系统将自动追踪血管的中心线，并由软件提取三维体积。最后，通过点击分析窗口中的各个标签，对血流参数进行定量分析。血流可视化、路径线可视化和血流矢量无需额外输入即可呈现。

为了在代表性标签中量化压力和管壁剪切应力，单击“添加平面”按钮放置两个平面。通过沿中心线拖动平面，将其移至感兴趣区域（ROI），使一个平面位于ROI的起始位置，另一个位于末端。跨ROI的压力降和管壁剪切应力将在3D模型旁边的图表中进行可视化和量化。

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及可能存在的金属植入物区分开来。因此，通常无需使用对比剂，除非需要生成动态成像序列。

使用超声成像时，可以区分模型的管壁、周围的琼脂以及心脏瓣膜瓣叶等细小的动态结构。模型上方的琼脂层在扫描过程中可提供逼真的触觉反馈。流动回路内的流体分析具有广泛的应用前景，可用于多种术前成像研究。

4D MRI序列能够实现对3D打印模型内流体流动、湍流和壁面剪切应力的可视化，从而可以分析人工心脏瓣膜植入后的血流模式。该工作流程可应用于不同的介入性医疗操作，用于培训或规划目的。该技术使得对大心血管血管内血流行为进行更精确的体外研究成为可能，并在个体化治疗规划方面展现出巨大潜力。