3D打印、計(jì)算機(jī)建模和人工智能在結(jié)構(gòu)性心臟病中的應(yīng)用展望

來源： 馬克醫(yī)療  

結(jié)構(gòu)性心臟�。╯tructural heart disease，SHD）是近年來心血管領(lǐng)域發(fā)展最快、成果最多的方向之一。傳統(tǒng)影像檢查多用于疾病診斷，在SHD治療方面的作用略顯不足。SHD的治療，特別是介入治療，需要影像學(xué)數(shù)據(jù)在手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)模擬以及術(shù)中預(yù)測方面提供更多的輔助和支持。相較于SHD外科手術(shù)，介入治療沒有外科開放術(shù)野和直接觸覺反饋。因此，基于圍術(shù)期中對影像學(xué)的需要，手術(shù)操作方式、視野概念和圍術(shù)期規(guī)劃技術(shù)得以迅猛發(fā)展，不斷拓展了臨床器械設(shè)備的開發(fā)，提高了醫(yī)生培訓(xùn)的教學(xué)工作質(zhì)量，與患者之間的溝通更加順暢。3D打印在臨床管理和圍術(shù)期規(guī)劃中的應(yīng)用明顯縮短了初學(xué)者學(xué)習(xí)曲線，3D打印結(jié)合計(jì)算機(jī)建模，加速了設(shè)備測試中對流體力學(xué)的研發(fā)和理解，3D打印、計(jì)算機(jī)建模和人工智能的有效整合正在逐步改變醫(yī)生培訓(xùn)模式和以患者為中心的醫(yī)療服務(wù)模式。

本文亮點(diǎn)：
1）結(jié)構(gòu)性心臟病治療需要醫(yī)師深入理解心臟的病理生理學(xué)
2）3D打印技術(shù)可以明顯縮短新技術(shù)新業(yè)務(wù)的學(xué)習(xí)曲線；
3）計(jì)算建模有助于模擬心臟病理生理狀態(tài)下的物理生理特性；
4）AI技術(shù)有助于構(gòu)建患者特異性解剖結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)手術(shù)模擬培訓(xùn)。

3D打印技術(shù)概述
3D打印技術(shù)即增材制造技術(shù)，或稱快速成型技術(shù)，該技術(shù)通過將以數(shù)字定義的幾何圖形上沉積多層材料，從而將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D實(shí)物模型。心血管領(lǐng)域目前常用3D打印技術(shù)主要包括光固化快速成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、噴墨式3D打�。↖nkjet）、光聚合物噴射（Polyjet）等，它們的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍見表1[1]。

表1  3D打印技術(shù)種類

心血管疾病3D打印建模具體流程如下：

1）從計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、心臟磁共振（CMR）或三維經(jīng)食管超聲心動圖（3D-TEE）等多模態(tài)影像中獲取原始數(shù)據(jù)，存儲為DICOM圖像；
2）將DICOM圖像導(dǎo)出，用于分割、繪制和生成STL文件；
3）STL文件導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中，用于進(jìn)一步的打磨、鏤空、修剪、顏色編碼和切割；
4）調(diào)整后，將STL文件導(dǎo)出用于3D打�。▓D1）。

獲得合適的影像學(xué)數(shù)據(jù)是進(jìn)行3D模型打印的第一個(gè)環(huán)節(jié)，圖像質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到3D打印模型的質(zhì)量。目前心血管3D打印的影像學(xué)數(shù)據(jù)主要來源于計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影（CTA）、心臟磁共振（CMR）以及三維經(jīng)食管超聲心動圖（3D-TEE）。CTA是目前臨床上最常用的3D打印數(shù)據(jù)資源，具有采集速度快、空間分辨力出色、組織特征鑒別力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。與CTA相比，CMR雖然空間分辨率低、采集時(shí)間長，但避免了電離輻射，3D自由呼吸CMR廣泛應(yīng)用于兒童和年輕患者心血管3D打印[3,4]。3D-TEE具有方便易操作、可在床邊進(jìn)行、時(shí)間分辨率高等優(yōu)勢，但信噪比較低，圖像后處理和三維建模較為麻煩，通常不適合于全心臟模型的3D打印[5-7]。

圖1  心血管3D打印流程

3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)性心臟病中的應(yīng)用
3D打印在經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)（TAVR）中的應(yīng)用
患者1:1心臟3D打印模型在TAVR術(shù)前規(guī)劃、選擇合適的TAVR瓣膜、評估瓣周漏風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)判傳導(dǎo)阻滯發(fā)生、預(yù)判急性及遲發(fā)性冠脈阻塞有重要作用[8]。西京醫(yī)院2016年至今，已完成3D打印輔助下TAVR手術(shù)700余例，將3D打印技術(shù)普遍應(yīng)用于術(shù)前影像評估和手術(shù)規(guī)劃，大大提高了手術(shù)安全性和成功率（圖2）。3D打印的主動脈模型能有效模擬患者的血流動力學(xué)條件，對于體外模擬植入TAVR也有重要作用。

圖2  西京醫(yī)院3D打印心血管模型體外TAVR手術(shù)模擬

3D打印在經(jīng)皮二尖瓣修復(fù)術(shù)中的應(yīng)用
經(jīng)皮二尖瓣修復(fù)術(shù)的迅猛發(fā)展不斷催生二尖瓣領(lǐng)域3D打印技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新。在國內(nèi)外學(xué)者的不懈努力下，很多公司已經(jīng)可以用3D打印技術(shù)打印出正�；虿∽兌�尖瓣的瓣環(huán)和瓣葉結(jié)構(gòu)[9,10]。然而，二尖瓣復(fù)合體（包括瓣環(huán)、瓣葉、腱索和乳頭肌）完整結(jié)構(gòu)和功能的3D打印模型相較于簡單的瓣環(huán)瓣葉打印模型更為重要，更有助于器械研發(fā)測試以及患者個(gè)體化手術(shù)規(guī)劃。Vukicevic等[11]利用多種材料打印了二尖瓣復(fù)合體3D模型，用于MitraClip手術(shù)模擬和手術(shù)方案的制定（圖3）。西京醫(yī)院心外科團(tuán)隊(duì)利用3D打印二尖瓣模型進(jìn)行手術(shù)模擬，可以讓臨床醫(yī)生在短期內(nèi)快速熟悉器械操作和手術(shù)流程，縮短學(xué)習(xí)曲線（圖4）。

圖3  二尖瓣復(fù)合體3D打印模型及MitraClip植入模擬

圖4  西京醫(yī)院3D打印二尖瓣模型體外進(jìn)行經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣修復(fù)手術(shù)模擬

3D打印及虛擬模擬在經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣置換術(shù)中的應(yīng)用
TMVR瓣膜置入后易引起左室流出道（LVOT）梗阻，可導(dǎo)致心律失常、充血性心力衰竭甚至死亡，特別是二尖瓣瓣膜鈣化嚴(yán)重的老年患者，其發(fā)生率更高[12]。經(jīng)食道超聲及術(shù)前CTA對于LVOT梗阻的預(yù)測能力十分有限，而3D打印技術(shù)則表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。通過加工處理獲得患者特異性的3D打印模型，打印出重要解剖結(jié)構(gòu)，包括二尖瓣復(fù)合體、左室流出道及心房面，通過計(jì)算機(jī)CAD模擬植入支架瓣膜假體，能動態(tài)地分析TMVR術(shù)后支架瓣膜對LVOT的影響，進(jìn)一步通過調(diào)整植入假體的內(nèi)徑和長短，觀測對LVOT的動態(tài)影響（圖5）[13]。也有助于反饋給介入瓣膜的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，從而不斷改進(jìn)和完善介入瓣膜。由于二尖瓣病變造成患者左房、左室、室間隔厚度的變化，每個(gè)患者的左室流出道及繼環(huán)平面角度都不同，針對目前市面存在的介入二尖瓣，研究團(tuán)隊(duì)通過建立患者特異性的左心3D模型，通過將介入瓣模型植入，能更加真實(shí)地反映出患者特性的LVOT梗阻風(fēng)險(xiǎn)。

圖5  二尖瓣3D打印模型模擬瓣膜植入以及LVOT梗阻風(fēng)險(xiǎn)評估

3D打印在左心耳封堵術(shù)中的應(yīng)用
左心耳（LAA）封堵早期臨床試驗(yàn)和可行性研究中，3D打印技術(shù)的作用并不突出；然而在LAA封堵器械在各大醫(yī)院推廣應(yīng)用后，大家很快發(fā)現(xiàn)，未開展3D打印技術(shù)的醫(yī)院，初學(xué)者在確定器械尺寸和植入操作技巧方面存在明顯學(xué)習(xí)曲線[14]。3D打印左心耳模型使得術(shù)者對左心耳的大小、成角、受力區(qū)域及其周邊組織的結(jié)構(gòu)情況理解更透徹。此外，3D打印技術(shù)應(yīng)用于LAA封堵術(shù)圍術(shù)期規(guī)劃能夠幫忙醫(yī)生確定各種型號器械在不同左心耳解剖結(jié)構(gòu)中的錨定部位，選擇最佳的器械、尺寸以及導(dǎo)管（圖6）。

圖6  左心耳3D打印模型

3D打印在經(jīng)導(dǎo)管三尖瓣修復(fù)/置換術(shù)中的應(yīng)用
經(jīng)導(dǎo)管三尖瓣介入治療是SHD介入領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向之一[15]。由于三尖瓣復(fù)合體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瓣環(huán)、瓣葉、腱索、乳頭肌等結(jié)構(gòu)因人而異，傳統(tǒng)影像學(xué)方法在評估右心解剖和三尖瓣復(fù)合體方面略顯不足，而3D打印能很好地解決這一難題。Muraru等[16]證實(shí)3D TEE可作為正常/異常的三尖瓣瓣葉、瓣環(huán)結(jié)構(gòu)的3D打印數(shù)據(jù)來源，用于手術(shù)策略的規(guī)劃。Harb等[17]利用多模態(tài)影像數(shù)據(jù)（CT、3D TEE和CT結(jié)合、MRI和CT結(jié)合數(shù)據(jù)等）構(gòu)建了一系列3D打印右心模型，對三尖瓣解剖形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)評估，重點(diǎn)關(guān)注三尖瓣與周圍組織結(jié)構(gòu)的相互作用，優(yōu)化手術(shù)規(guī)劃（圖7）。Cabasa等[18]使用3D打印的右心模型，體外模擬Sapien XT瓣膜植入三尖瓣。

圖7  三尖瓣和右心的3D重建結(jié)構(gòu)模型

對患者的教育指導(dǎo)
在圍術(shù)期期間，3D打印的實(shí)用價(jià)值不僅僅局限于術(shù)前規(guī)劃。通過3D打印模型可增強(qiáng)醫(yī)生與患者之間對治療方式選擇的討論質(zhì)量、提升患者參與度和滿意度。傳統(tǒng)的術(shù)前知情同意需要患者對醫(yī)生所描述的2D圖像進(jìn)行理解，而在患者教育中早期使用3D模型則大大提高了患者對手術(shù)的理解和反饋。

目前3D打印的局限性
理想情況下，心血管3D打印模型應(yīng)能夠同時(shí)展現(xiàn)活體器官的解剖特征和生物特性。對于體外測試和/或手術(shù)模擬，3D打印模型最好能模擬心臟在整個(gè)心動周期中的動態(tài)變化；然而，目前材料尚無法滿足模擬心臟的非線性和各向異性表現(xiàn)。為了能夠使3D打印更好地模擬器官的形態(tài)和生物特性，必須對3D打印材料做進(jìn)一步深入研究。

計(jì)算機(jī)建模概述

靜態(tài)的3D打印模型能夠大大縮短研發(fā)部門從介入治療理念提出到臨床應(yīng)用的周期。此外，最新的靜態(tài)3D打印技術(shù)可以在模擬患者自身血流動力學(xué)條件下，對介入瓣膜及其輸送系統(tǒng)進(jìn)行體外測試（圖8）。然而，3D打印模型無法模擬心臟的生物力學(xué)特性、組織形態(tài)變化、血流動力學(xué)以及它們之間的交互作用。

圖8  3D打印模型在介入瓣膜體外模擬中的應(yīng)用

注：A-1：CT獲取原始數(shù)據(jù)；A-2：在3D打印的主動脈根部模型釋放TAVR瓣膜；A-3：測量瓣環(huán)各處徑向受力情況；A-4：預(yù)測術(shù)后瓣周漏情況；B-1：將3D模型連接到搏動血流模擬器上；B-2，3：核磁和超聲檢測血流狀態(tài)以及瓣葉活動度。

圖9  計(jì)算機(jī)建模及心臟血流動力學(xué)情況展示

計(jì)算機(jī)建模通�？梢酝ㄟ^有限元分析（FEA）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等數(shù)值分析方法進(jìn)行心臟形態(tài)和壓力的量化分析，從而展示心臟血流動力學(xué)情況（圖9）[19]。但計(jì)算機(jī)建模非常耗時(shí)，一般需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，費(fèi)用較高，而且對建模簡化過程中所采用簡化方法和假設(shè)十分敏感。有些研究將左室心內(nèi)膜假設(shè)為光滑的表面，而這種假設(shè)會導(dǎo)致心室內(nèi)血流動力學(xué)評估出現(xiàn)偏差。Kulp等[20]通過對3D打印的心內(nèi)膜表面補(bǔ)充分析肌小梁的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步完善了心室內(nèi)血流的CFD模擬。結(jié)果顯示，心內(nèi)膜肌小梁結(jié)構(gòu)對左室血流動力學(xué)有重要影響，心衰時(shí)會引起血流停滯。目前，能夠用于臨床的計(jì)算機(jī)建模工具（如FEA、CFD）較少，而且該技術(shù)的實(shí)施需要特殊的編程/工程技術(shù)，因此多在科研機(jī)構(gòu)中使用。在臨床工作中，已實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)建模心臟解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行介入瓣膜的模擬植入，確定最佳瓣膜尺寸和植入深度（圖10）[12,13]。在TMVR術(shù)前也可以對neo-LVOT進(jìn)行評估，TMVR術(shù)后的LVOT阻塞不僅取決于neo-LVOT的解剖結(jié)構(gòu)，也取決于左室血流動力學(xué)狀態(tài)（圖11）。

圖10  計(jì)算機(jī)模擬植入介入瓣膜

圖11  運(yùn)用CFD評估TMVR術(shù)后的LVOT梗阻

人工智能在結(jié)構(gòu)性心臟病中的作用
人工智能（AI）技術(shù)，或稱機(jī)器學(xué)習(xí)，能夠從大量的臨床數(shù)據(jù)中解讀出極為復(fù)雜的內(nèi)在規(guī)律，在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。如前文所述，SHD領(lǐng)域涉及大量臨床數(shù)據(jù)參數(shù)（包括正在使用、未使用以及尚未測量的數(shù)據(jù)），3D結(jié)構(gòu)可視化未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，4D生理機(jī)能在不同年齡、性別、種族的患者間存在顯著差異。而人工智能（AI）技術(shù)可以有效解決上述問題，在提高患者醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低醫(yī)療費(fèi)用。

AI技術(shù)助力SHD介入治療
AI與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可以打印出個(gè)體化解剖模型，進(jìn)而促進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)療。Engelhardt等通過使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從腔鏡視野中學(xué)習(xí)術(shù)中關(guān)鍵操作和步驟，展示了AI強(qiáng)大的微創(chuàng)手術(shù)培訓(xùn)能力。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可從腔鏡二尖瓣修復(fù)手術(shù)中獲取其關(guān)鍵特征（包括紋理不均的組織結(jié)構(gòu)、血流情況、器械以及縫線使用等），從手術(shù)模擬中獲取其顯著特征（如瓣膜復(fù)制品的硅膠表面、器械以及縫線使用等）。AI訓(xùn)練的目的就是通過學(xué)習(xí)實(shí)際手術(shù)和模擬手術(shù)兩者之間的映射聯(lián)系，使得模擬手術(shù)的操作視野更接近于實(shí)際操作視野。該方法被稱為“超現(xiàn)實(shí)主義”，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一種形式，即通過產(chǎn)生原始圖像中本不存在細(xì)節(jié)的模擬現(xiàn)實(shí)，來實(shí)現(xiàn)比真實(shí)手術(shù)更為真實(shí)的渲染效果，進(jìn)而達(dá)到提升手術(shù)訓(xùn)練質(zhì)量的目的[58]。圖12展示了使用二尖瓣人工硅膠瓣膜進(jìn)行介入手術(shù)訓(xùn)練的超現(xiàn)實(shí)主義。

圖12  AI技術(shù)將模擬的術(shù)中影像優(yōu)化得更加逼真

AI技術(shù)在介入醫(yī)生和介入影像醫(yī)生培訓(xùn)中的應(yīng)用
基于超現(xiàn)實(shí)主義和AI模擬在醫(yī)療器械培訓(xùn)中展現(xiàn)出的潛在適應(yīng)性，使得未來它們可能成為新技術(shù)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)。通過在手術(shù)模擬中集成完整的心臟瓣膜模型，AI技術(shù)能明顯提升術(shù)者對手術(shù)器械操作和術(shù)中技術(shù)應(yīng)用的信心[21,22]。在深度學(xué)習(xí)框架中，將AI應(yīng)用于術(shù)中TEE處理，允許計(jì)算機(jī)對自動客觀獲得的TEE圖像進(jìn)行質(zhì)量評估和反饋。例如，在TAVR培訓(xùn)的過程中，計(jì)算機(jī)通過對于術(shù)者手術(shù)操作和器械操作的自動化評估已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某些客觀指標(biāo)（如新手和專家在操作時(shí)間、速度、加速度等方面的差異）是可被計(jì)算機(jī)復(fù)制的[22]。未來，實(shí)時(shí)3D-TEE數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)和AI的結(jié)合，將有助于提供更客觀有效的介入影像醫(yī)師和術(shù)者培訓(xùn)模式。

AI技術(shù)的其他應(yīng)用
AI可用于上傳、共享和檢索全球眾多外科醫(yī)生和介入醫(yī)生手術(shù)視頻、術(shù)中影像和電子病歷[23]，創(chuàng)建出一個(gè)旨在提升醫(yī)師實(shí)踐技術(shù)水平的綜合數(shù)據(jù)庫。推進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)和AI技術(shù)的潛在好處是能夠優(yōu)化并生成更多的來源于實(shí)時(shí)3D TEE成像的瓣膜模型（圖13）。而且AI可以幫助識別罕見的解剖結(jié)構(gòu)并整合圍術(shù)期各種臨床數(shù)據(jù)（圖14）。

圖13  對3D打印進(jìn)行實(shí)時(shí)色彩渲染

注：A：實(shí)時(shí)3D TEE影像；B和C：AI通過對3D TEE影像進(jìn)行色彩渲染，可清晰顯示二尖瓣收縮期和舒張期P2區(qū)域腱索斷裂和瓣葉脫垂；D：該病例的術(shù)中影像。

圖14  現(xiàn)代化醫(yī)療模式

注：將3D打印技術(shù)、手術(shù)模擬、流體建模和AI整合，是將來臨床培訓(xùn)、器械研發(fā)和精準(zhǔn)醫(yī)療的重要發(fā)展方向。

需要解決和克服的技術(shù)挑戰(zhàn)
當(dāng)前，AI在實(shí)際應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)是大量非結(jié)構(gòu)化臨床數(shù)據(jù)的存在。數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)是合適的源圖像、服務(wù)器之間文件轉(zhuǎn)換的兼容性，以及直接上傳到“學(xué)習(xí)云”的效率。一旦上傳的數(shù)據(jù)被整合到“學(xué)習(xí)云”中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)集中，AI算法將被激活和改進(jìn)，新數(shù)據(jù)將被用來組成更精簡的流程。隨著新數(shù)據(jù)集被添加到其訓(xùn)練集中，AI 算法也將變得更加準(zhǔn)確和高效。

結(jié)論
在SHD介入治療中，3D打印、計(jì)算機(jī)建模和人工智能均有重要作用。早期應(yīng)用這些技術(shù)可以明顯縮短新器械、新技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。未來的計(jì)算機(jī)建模和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用將需要將患者術(shù)中情況和患者數(shù)據(jù)安全地整合到患者病歷和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集和共享平臺中。未來的多模態(tài)心血管成像需要將心血管臨床知識與生物醫(yī)學(xué)工程以及計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的各類知識不斷結(jié)合，這將不再僅僅是一個(gè)臨床醫(yī)生就能夠完成的。
致謝：感謝西安馬克醫(yī)療科技有限公司提供影像學(xué)素材及技術(shù)支持！