3D打印技術是基於三維數字化圖像分層加工材料（塑料、樹脂及金屬），疊加製作三維物體的新型尖端技術，又稱快速成型技術或增材製造技術。隨著醫學影像學的快速發展及材料加工行業的逐漸成熟，3D打印技術逐漸被應用到醫療行業，目前多應用於骨科、口腔科、整形外科及生物工程方面的基礎研究，但由於心血管疾病的特殊性，其在心臟領域的臨床應用尚處於起步階段。
3D打印技術主要包括獲取圖像、建模及實體打印三個步驟。超聲心動圖作為3D打印技術獲取圖像的重要手段之一，在心臟結構及功能的評估方面佔有重要的優勢。基於超聲數據的3D打印技術通過構建心臟疾病模型來實現術前評估、醫療裝置設計、血流動力學模擬及醫療教育，可以為臨床提供更準確、直觀的信息。本文即對基於超聲數據的3D打印技術在心臟領域的應用進展進行綜述。
一、 3D打印技術與三維超聲心動圖
3D打印最關鍵的步驟是建立模型，目前研究應用的圖像數據大多通過CT或MRI建立。但CT檢查具有輻射性、價格昂貴，且部分患者對造影劑過敏；MRI檢查耗時較長，對患者有選擇性。因此，基於CT或MRI的3D打印技術在心臟領域的臨床應用受到一定限制。而三維超聲心動圖是一種新的超聲成像模式，其測值與CT、MRI測值相關性較高，且在心臟功能及瓣膜運動的成像上較CT更有優勢。
近年來三維超聲心動圖在心臟介入手術術中實時監測和術後評估方面具有重要價值。結合三維超聲心動圖與3D打印技術可以構建一個真實的三維立體結構，有助於直觀地觀察心臟結構。Mahmood等首次應用三維經食管超聲心動圖的數據集，成功打印二尖瓣環，證實三維超聲較CT和MRI可以應用於心臟疾病的常規臨床診療中。基於超聲數據的3D打印模型不僅可以呈現心臟立體解剖結構，而且可以為介入醫師和心外科醫師提供體外手術演練及風險評估的機會。
二、基於超聲數據的3D打印技術步驟
1、獲取圖像：應用經胸或經食管三維容積探頭，清晰獲取二維灰階後使用“4DZOOM”功能獲取感興趣區的三維DICOM原始數據，並在工作站上轉換為DICOM格式。
2、建模：應用Matlab軟件獲取斷層信息後使用Mimics innovation suite 17.0對數據進行灰階反轉、閾值分割、編輯3Dmask（感興趣區的輪廓掩膜）、交互式分割手動去噪及計算三維模型等後處理，以STL格式保存。
3、實體打印：將STL格式的圖像導入打印機中，獲得感興趣區域的3D模型。
三、基於超聲數據的3D打印技術在心臟領域的臨床應用
1、左心耳封堵術
胚胎時期的左房主要是由原始肺靜脈及其分支融合而成，左心耳是胚胎時期左房的殘留，其是心臟血栓的好發部位，經食管超聲心動圖發現在非瓣膜性心房顫動患者中超過90%的血栓均位於左心耳，左心耳封堵術是預防心房顫動相關腦梗死的治療手段之一。左心耳空間解剖結構變異性較大，單葉、雙葉、三葉及四葉左心耳分別佔總數的20%、54%、23%及3%；在CT和MRI中，左心耳的形態被分為雞翅型（48%）、仙人掌型（30%）、風向標型（19%）及菜花型（3%）。因此，準確瞭解左心耳形態、大小及其與周邊組織結構關係的變異性在左心耳封堵術的臨床決策中至關重要。
加丹等通過對比超聲與CT重建左心耳3D模型的數據，發現超聲在評估左心耳大小、形態方面與CT的一致性較高，證實三維超聲可以提供3D打印左心耳的數據集。Song等研究表明基於超聲數據的3D打印技術打印左心耳模型準確可行，該模型對左心耳形態、分類與CT結果一致性較強。基於超聲數據的3D打印左心耳模型具有容易獲取數據、準確後處理、實現模擬操作的優點，有望為左心耳封堵術提供個體化診療方案。Pellegrino等研究證實了基於造影及經食管超聲心動圖打印的左心耳3D模型有助於左心耳封堵術中封堵盤大小及放置位置的選擇。
Liu等研究表明基於超聲數據的3D打印模型通過術前模擬可以讓介入醫師充分考慮到影響封堵器釋放的因素（如左心耳內徑、深度、葉數及梳狀肌厚度），在前期預測手術難度和併發症方面要優於單純的二維超聲圖像，3D模型可以為介入醫師的手術計劃和決策提供快速評估。Fan等報道了1例基於超聲數據的3D打印模型成功指導介入醫師制定雙葉左心耳封堵方案的病例，該例患者左心耳為雙葉解剖結構，以後葉為主，前葉為輔，應用封堵盤同時封堵兩個葉手術難度較大，通過經食管超聲心動圖獲取左心耳動態影像學數據，使用3D打印技術打印出模型並進行模擬手術，從而找到合適的封堵位置，術後證實封堵盤的位置與術前模擬的位置完全吻合，證實了3D打印模型指導左心耳封堵術的優勢，尤其對於複雜解剖結構的左心耳。
宋宏寧等使用基於超聲數據的3D打印技術建立左心耳封堵模擬系統，體外模擬封堵器的選擇和釋放，並通過微型水泵模擬左心耳血流動力學狀態，評估封堵器釋放後有無殘餘漏，增強了左心耳封堵術前評估及演練的效果。
2、心臟瓣膜病
心臟瓣膜結構精細，可以控制血液在心臟中的流動方向，具有重要的生理功能。引起心臟瓣膜病變的原因主要有先天性和後天性兩種，後者還包括風溼性、感染性及退行性等瓣膜病變。隨著醫學的發展，老齡人口的增多，退行性病變引起的瓣膜性心臟病患者逐年增多。
目前治療瓣膜性心臟病的方法不僅包括外科手術治療，還包括經導管主動脈瓣置入術等介入方法。為了確保手術的成功率，術前影像學的精準評估至關重要。瓣膜病患者心臟血流動力學受損，傳統的外科開胸手術下直視評估心臟瓣膜是在體外循環心臟停搏的情況下進行，微創或介入手術僅能看到有限或未直接暴露的瓣膜，均不能單獨評估瓣膜形態對瓣膜功能的影響，但3D技術打印出的心臟瓣膜模型可以提供體外血流動力學仿真模擬。
經食管超聲心動圖是獲取瓣膜動態圖像的常規方法，由於其三維圖像空間和時間分辨率較高，生成的動態三維圖像被認為優於傳統外科手術心臟停搏時的瓣膜圖像，因此三維超聲圖像可以作為3D打印的數據源。Mahmood等研究表明，應用超聲數據進行3D打印正常及病理的二尖瓣環模型較超聲圖像可以更詳細地傳達臨床信息，有利於臨床醫師評估瓣環病理改變及修復術後的變化。
Owais等通過基於超聲數據的3D打印技術打印出患者個體化的二尖瓣環，更好地評估了術前二尖瓣環幾何構造、大小及形狀。Mahmood等根據經食管超聲心動圖獲取二尖瓣的動態影像學數據，通過3D打印技術打印出二尖瓣收縮期及舒張期的實體模型，證實超聲圖像可以作為瓣膜3D打印的數據源，應用3D打印正常、缺血性及附帶黏液瘤的二尖瓣均可行。
Muraru等研究也證明基於三維超聲的數據可以打印患者個體化三尖瓣。Witschey等提出基於超聲數據的3D打印技術打印出二尖瓣模型可以實現二尖瓣成形術術前操作演練，從而制定合理的手術方案。基於超聲數據的3D打印技術除有利於瓣膜手術術前演練、制定手術方案等方面，在術後併發症發生及嚴重度的預估方面也佔有優勢。Olivieri等應用基於超聲數據的3D打印技術打印出主動脈瓣瓣周漏的模型，為選擇下一步診療方案提供了參考。
3、先天性心臟病
先天性心臟病主要包括簡單型和複雜型兩種類型。對於簡單型先天性心臟病（如房間隔缺損、室間隔缺損及動脈導管未閉），目前大多由傳統的手術治療改為介入治療，但對於多發、形態不規則的缺損，在選擇合適的封堵方案上存在困難，需要更詳細直觀的影像學評估。對於複雜型先天性心臟病（如法洛四聯症、大動脈轉位及右室雙出口等），因其空間結構複雜，即便結合多種影像學檢查，仍存在漏、誤診等情況。而基於超聲的3D打印模型不僅可以幫助手術醫師選擇合適的裝置及手術路徑，還可以提高手術效率、降低輻射暴露及手術併發症的發生，進而改善手術治療效果。臨床證實基於超聲數據的3D打印先天性心臟病模型不僅安全、有效，還可以實現數據個體化。
梅丹娥等發現基於超聲數據進行3D打印的房間隔缺損模型與術中封堵器型號相關性高，證實基於經食管超聲心動圖可以作為3D打印的數據源。Olivieri等應用經胸超聲心動圖獲得8例室間隔缺損患者的超聲圖像並進行分析建模，展現了基於超聲數據的3D打印模型可以精準地反映室間隔缺損的解剖結構。Zhu等應用經胸超聲心動圖數據成功打印了心內膜墊缺損2例、房間隔缺損2例、法洛四聯症1例及室間隔缺損1例的3D模型，通過模型可以清晰顯示心臟病變結構，與術中所見一致。
對於多發且形態不規則的缺損和解剖結構複雜的先天性心臟病，超聲單模態成像不足以提供足夠的可視化信息，而結合CT、MRI等進行多模態成像可以增加重建病理結構的可能性，提高了3D模型的質量和準確性。Gosnell等選擇1例定期隨訪的55歲男性患者作為研究對象，該患者心臟形態複雜，合併矯正型大動脈轉位、室間隔缺損、肺動脈閉鎖多種畸形，於嬰兒期行B-T分流術，於16歲修復了左室到肺動脈的通道，在40歲時安裝永久起搏器，並封堵了1.7 cm的房間隔缺損，研究者結合該患者評估術後併發症的CT圖像及評估瓣膜反流程度的經食管三維超聲圖像進行融合3D打印，精確地反映了該病例心臟畸形結構，表明多模態成像進行3D打印可行，但因樣本量僅1例，在評價融合3D打印對選擇手術方案的影響方面，大樣本的臨床隨機對照試驗還有待研究。
邱旭等通過結合21例多髮型房間隔缺損患者的CT及三維超聲圖像，3D打印心臟模型並進行模擬封堵測試從而確定封堵方案，均成功行封堵治療，術後隨訪1個月無明顯併發症。
四、基於超聲數據的3D打印技術在醫患溝通與教育方面的應用
基於超聲數據的3D打印模型除可以幫助臨床醫師模擬手術進而優化手術方案，還可以輔助臨床醫師進行醫患溝通，同時也在醫學教育方面佔有重要的地位。3D打印模型的出現可以更生動立體地向患者及其家屬展示這種疾病及手術方案，有利於患者及家屬理解手術的過程及存在的併發症。在醫學教育方面，3D打印模型增加醫學生對心臟正常及異常解剖結構的理解，提高醫學生的空間定位能力。
Loke等通過3D打印技術打印出法洛四聯症模型對18例醫學生進行授課，並與17例僅學習了二維圖像的醫學生進行比較，發現通過3D模型進行學習的學生對教學滿意度明顯增加。此外，隨著獲取解剖屍體難度增加，因3D打印模型不涉及倫理問題，其在解剖教學方面的應用存在巨大潛能。
五、基於超聲數據的3D打印技術在心臟領域的不足與展望
三維超聲發展的時間尚短，3D打印技術在心血管領域的應用也較少，基於超聲數據的3D打印技術在心血管領域應用空間巨大，有待開發，打印具有生物活性的組織或結構直接應用於人體是未來的發展方向。由於心臟結構和功能的複雜性，目前只能侷限於打印一些簡單的結構。現階段基於超聲的3D打印技術仍存在以下侷限性：①三維超聲的分辨率仍有待提高，以便顯示心臟更細微的結構；②心臟及其內部結構是動態的，而目前打印出的模型都是靜態的；③目前打印心臟的材料大部分為硬質材料，不能精確地反映心肌組織的柔軟度；④國內外缺乏大樣本臨床試驗證明其臨床可用性及安全性。
綜上所述，三維超聲可以為3D打印左心耳、心臟瓣膜及先天性心臟病提供數據源，基於超聲數據的3D打印模型不僅可以實現模擬治療，還可以輔助醫患溝通和醫學教育，其在心血管領域的進一步應用潛能尚有待開發。
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