基于CT增强3D打印技术在腹主动脉瘤和B型主动脉夹层中的应用(附2例报道)

张文卿，杨航，夏洪涛，吴思颖，杨扬，杨素萍，王家平

3D打印技术也称为快速成型(rapid prototyping，RP)技术，近年来在医学上得到了越来越广泛的应用[1-2]。与计算机生成的3D重建图像相比，3D打印模型使临床医师有机会对复杂的心血管细节和异常结构进行更直观的理解。3D打印技术在医学领域的应用包括协助临床诊断、选择最佳手术策略、提前预测术中的挑战、对初级医生进行教育和培训、以及生成适合患者的个性化假体和植入物[2-7]。但是，目前对于3D打印模型的可行性和准确性的研究还较少。

本研究通过总结2例主动脉瘤(artery aneurysm，AA)和主动脉夹层(aortic dissection，AD)患者的对比增强CT扫描数据来制作3D打印模型的初步经验，并评估这些疾病的复杂解剖改变是否能在物理模型上得以准确的再现。

材料与方法

1.模型重建

选取2017年本院PACS系统内对比增强CT检查效果较好的2例患者的CTA数据，其中1例为腹主动脉瘤，1例为Stanford B型主动脉夹层(累及主动脉弓)。

将患者DICOM格式的主动脉对比增强CT图像导入MImics19.0软件中进行图像后处理。采用自动和人工编辑的方法，将只包含胸主动脉、主动脉瘤以及头臂干、左颈总动脉和左锁骨下动脉近段的掩模进行表面三维可视化。将三维表面可视化模型转换成标准镶嵌语言(standard tessellation language，STL)格式，从而得到主动脉腔的三维三角网格模型(图1)[8]。

将从Mimics中导出的STL文件导入到3-Matic中，分别对模型的升主动脉、降主动脉、头臂干、左颈总动脉和左锁骨下动脉末端进行切除处理，使每个模型的内部可见[9]。根据患者CT图像上主动脉壁的厚度近似于2.5 mm，以及熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)3D打印机喷头直径为0.4 mm的限制，对STL模型设置3.5 mm的最大非均匀外壁厚度，使主动脉壁任何一点的厚度d应满足：0.4 mm≤d≤3.5 mm(图2)。应用平滑滤过技术对STL模型血管外壁进行多次迭代平滑处理[8-9]。对于standford B型主动脉夹层患者，通过后处理得到包含内膜片和真假腔在内的血管壁模型。

2.3D打印

将经Mimics和3-Matic编辑而得到的STL模型导入到Materialise Magics 21.0进行RP分层、设计支撑物并设置打印方向后，将模型数据导入Guider II(Flashforge Corporation)FDM 3D打印机进行打印，打印材料选择聚乳酸(polylactic acid，PLA)，最终打印出坚固的塑料模型(图3～4)[10]。

3.模型扫描

物理模型生成后，将模型浸在装满稀释碘帕醇溶液(浓度为4%)的塑料容器中，对每一个3D打印的物理模型行胸主动脉CT血管成像，使用Philips iCT 256层CT扫描仪，扫描参数与原始CTA检查相同：80 kA，200 mAs，层厚1.5 mm，层距0.75 mm，矩阵512×512。模型成型过程各个阶段均保持比例为1∶1。

4.数据测量

对模型生成过程中的3个阶段的图像(原始CTA图像、用于3D打印的STL格式模型、3D打印物理模型的CTA图像)进行测量，所有测量均由同一位观察者进行。分别测量各阶段模型5个解剖位置(主动脉瘤：瘤颈、瘤体、腹主动脉分叉和左、右髂总动脉；主动脉夹层：升主动脉、降主动脉膈肌水平、头臂干、左颈总动脉和左锁骨下动脉)在横轴面图像上的左右径(LR)和前后径(AP)，并每个相同部位三个阶段测量值之间的差值(取绝对值)，以及此差值的均值和标准差。在AD模型生成的三个阶段，分别在主动脉峡部及膈肌水平测量真腔和假腔的尺寸，并计算两者差值的均值。

对三个阶段的测量结果进行数据分析，判定根据患者初始CTA扫描数据是否可以在STL模型和3D打印模型中准确地再现(图5)。

结 果

1.主动脉管腔大小

对模型生成过程中3个阶段的图像上测量的不同水平主动脉管腔内径的差异见表1～2。主动脉夹层模型和主动脉瘤的3D打印模型与患者原始CTA图像上主动脉管腔内径的差值均为0.5～2.5 mm，均值分别为(1.1±0.5)和(1.3±0.5) mm。

2.夹层内膜片

对模型生成过程中3个阶段的CT图像上分别测量2个位置降主动脉真、假腔的直径并进行比较，结果见表2。患者原始CTA和3D打印模型对比增强CT图像(图5)上降主动脉真、假腔的平均管径差异为0.7 mm，STL模型与患者原始CTA图像上真、假腔平均管径差异仅为0.4 mm，3D打印模型与STL模型的真、假腔平均管径差异为0.6 mm。

图4 3D打印模型。a) FDM 3D打印机打印夹层模型；b～d) B型主动脉夹层模型，图c～d显示主动脉夹层真假腔、内膜片、小的第二突破口，模型很好的显示了夹层内膜片走行改变及LCC和LSA受累的情况，头臂干起源于真腔；e) 腹主动脉瘤模型背侧面观，展示了多发瘤体及累及范围，其中根最大动脉AKA起源于瘤体，为手术方案的制定提供重要信息。LCC：左颈总动脉，LSA：左锁骨下动脉，TL：真腔，FL：假腔，RCI：右骼总动脉。

图5 AD病例。a) 在Mimics中测量患者原始DICOM横轴面图像上升主动脉的左右径(箭)； b) 在Mimics中测量3D打印模型对比增强CT扫描图像上相应位置的升主动脉左右径(箭)。

表1 模型生成3个阶段主动脉管腔内径差值的绝对值 (mm)

表2 AD模型生成3个阶段两个测量点真假腔内径的差异 (mm)

注：阶段1：原始对比增强CT图像。阶段2：STL格式的计算机化模型。阶段3：3D打印物理模型的对比增强CT图像。测量点1：主动脉弓降部主动脉峡部，测量点2：胸主动脉膈肌水平。

讨 论

1.3D打印的准确性

从本研究结果来看，与3D打印使用的原始CTA图像相比，3D打印模型可以准确地复制主动脉瘤和主动脉夹层的解剖细节，包括主动脉夹层的真、假腔和内膜片(图4)。在主动脉夹层的打印模型中，血管真、假腔直径的平均差异为0.7 mm。有研究表明，通过在模型上模拟手术以预测术中可能出现的问题，心脏3D打印模型可以降低围手术期并发症的发生率[11]，并且可以通过提高术者对解剖的理解及术中定位的准确性，从而提高手术效率及安全性[12]。主动脉瘤和主动脉夹层的3D打印模型在模拟血管腔内支架植入等手术过程中具有潜在的价值，可以帮助外科及介入医师制订更精确的手术计划。同时，这些模型也可用于教学，帮助医学生、实习生、初级或没有相关经验的外科医师更好地了解复杂的主动脉解剖。此外，在医患沟通中，这些模型可以帮助患者及其家人更切实准确地了解病情及临床医师的手术策略。

本研究的重点是患者CTA与3D打印模型对比增强CT图像上血管直径测量结果的比较。3D打印模型高精度的解剖再现是其临床应用的基础，如果没有高度的准确性，临床医师就可能无法应用模型进行准确的术前计划。但是，由于每帧CT图像的像素矩阵为512×512，限制了细节显示，使得患者初始CT图像与3D打印模型的CT图像上主动脉管径差异的理想值仅约为1 mm。

2.影响3D打印准确性的原因

虽然测量到的一些血管直径的差异≤1 mm，但也存在高达2.5mm的差异，表现为测量结果存在较大的极差。在模型生成的3个阶段观察到的血管直径差异的变化有可能归结为以下3个主要原因：

首先，虽然本研究努力确保每次的测量点都一致，但对多个阶段的模型进行测量时，测量点可能存在选择误差。这是因为测量的是不同类型的对象(分别为患者、计算机化模型和物理模型的CT图像)，相互之间的肉眼比较可能并不是最佳的。对此，在以后的研究中，应该尝试通过Mimics将患者的CTA数据和3D打印模型的CT数据相结合起来进行自动化比较。

其次，这些模型在3个阶段中的测量使用了不同的软件，物理打印模型CT图像和患者的原始CTA图像上血管直径的测量使用的是Mimics，而STL模型的测量使用的是3-matic。理想情况下，所有的测量都应该应用同一个软件，但是Mimics不支持STL格式文件。

最后，无论是在STL模型生成过程还是3D打印阶段，假腔及瘤腔内血栓化程度不同都可能影响到对真正血管腔的生成和勾画，这种误差将在以后的3D打印阶段被放大，从而影响打印的精度及准确性。在主动脉夹层破口附近、解剖结构急剧变化处以及主动脉瘤瘤腔内和重要动脉分支处，通常会存在不同程度的血栓化，这似乎可以解释相对于病变的平滑部分，为什么在这些部位的测量值差异更加明显。

3.误差分析

虽然STL模型和3D打印模型CT扫描的结果是评价原始数据被准确复制、再现的指标，但它并不一定能完整反映出3D打印模型的准确性。首先，在5个设置的解剖点只对每个模型进行了一次测量，在今后的研究中，应该对同一点进行重复测量以减小测量误差。此外，血管壁厚度的测量值存在较大差异(0.7～3.5 mm)，而模型显示的血管壁厚度的改变似乎可以反映局部管腔的血栓化程度，这对临床医师进行术前计划时是否可以产生积极的意义，这将是以后研究的重点。

在AD模型内膜片的复制方面，本组测量结果表明，逐层编辑的方法可以如实地再现内膜片。然而，在3D打印模型中，由于假腔血栓化及强化程度的影响，内膜片的全长并不能完全准确地复制。其次，采用的512×512像素矩阵可能提供不了分离出连续内膜片这样精细解剖细节的有效分辨率，因此，为获得更连续的内膜片，运用更高分辨率CT及更大的扫描矩阵可能会有所帮助。在未来的研究中，在精准医疗的大环境下，随着相应软件的不断升级和使用更高分辨率的医学成像技术，生成更具精细解剖学代表性的主动脉夹层模型将只是时间问题[13]。

本研究表明，主动脉瘤和主动脉夹层的3D打印模型可以准确再现患者的对比增强CT扫描数据，此模型在手术模拟、临床教学和医患沟通中具有很高的应用价值。对主动脉夹层撕裂内膜片的重建方面，3D打印模型也能取得较好的效果。但与原始CTA数据相比，3D打印模型的血管内径仍存在较大的标准差(尤其是主动脉夹层模型)，对于如何更精确地评估和再现主动脉病变的解剖细节，还需要进一步的研究。