文献分享 | 3D 打印技术在先天性心脏病诊疗中的应用
【序】
聚焦先天性心脏病（CHD）诊疗创新，3D 打印技术凭借其对复杂解剖结构的精准呈现优势，成为优化手术修复与干预方案的新兴力量。国内在该领域的探索持续推进，而国际上也正逐步重视其临床转化价值，本文围绕 3D 打印技术在 CHD 中的应用展开系统梳理与分析。
出处：Battieux C, Haidar MA, Bonnet D. 3D-Printed Models for Surgical Planning in Complex Congenital Heart Diseases: A Systematic Review. Front Pediatr, 2019, 7:23.
【摘要】
背景：3D 打印技术支持是先天性心脏病（CHD）领域的一项新兴技术。3D打印模型的主要目标是更好地分析复杂的解剖结构，从而优化手术修复或干预方案的制定。
方法：我们进行了一项系统评价，以预估CHD 建模和3D 打印的准确性和可靠性，以及3D 打印在规划干预措施方面的益处的概念验证。
结果：相关性研究显示，该技术与解剖测量结果吻合良好。因此，在操作者对缺陷进行建模的主观性限制下，该技术可被认为是可靠的。病例系列研究表明，3D 打印技术在描述血管解剖结构和指导手术入路方面具有优势。对于复杂的心脏解剖结构，3D 打印模型已被证明有助于制定心脏修复方案。然而，由于难以设计具有全面且临床意义明确的终点的前瞻性研究，目前仍缺乏循证医学证据来证明3D 打印模型在先天性心脏病（CHD）手术或介入治疗后改善预后的有效性。
结论：3D 打印技术可用于增进对复杂先天性心脏病解剖结构的理解，并指导手术策略。
【介绍】
3D 打印技术在提高先天性心脏病（CHD）解剖诊断精度方面的优势日益受到关注。然而，迄今为止，3D 打印技术在优化外科手术或导管介入治疗方面的应用价值仍有待探索。目前，在三级外科中心建立3D 打印实验室已成为可能，并可实现从处理医学数字成像和通信（DICOM）文件到最终获得3D 打印模型的全流程本地化管理。
【方法】
本研究聚焦3D 打印技术在复杂先天性心脏病手术规划中的应用价值，通过系统检索并分析相关文献，完成技术准确性、可靠性及临床应用潜力的概念验证。检索数据库包括PubMed 和 Google Scholar，检索词组合规则为至少包含“3D打印、3D打印模型、复杂先天性心脏病、手术”中的三个，可根据研究需求选择性添加“手术计划、测量相关性”。文献筛选由这两位先天性心脏病专家独立完成，严格排除仅涉及CHD医学理解或单纯使用3D打印模型进行患者信息沟通的文献，纳入所有描述CHD手术策略制定或解剖测量相关性的文章进行深入分析。
【结果】
先天性心脏病3D打印模型的准确性和可靠性
验证3D打印技术的首要步骤是通过测量精度研究，确认3D打印模型与原始解剖结构的可重复性。分析3D打印模型的完整制作流程，对于理解分割和打印过程中可能出现的测量偏差至关重要，同时需谨慎评估最终3D打印模型与原始解剖结构存在差异的潜在风险。
预分割和分割过程
创建3D打印心脏模型的第一步，是对来自心胸计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、经胸超声心动图（TEE）等不同成像方式的原始数据进行分割。分割是将DICOM图像从一系列切片处理为三维场景的核心环节，需将场景中的每个结构（如血池、心肌、大动脉、冠状动脉等）单独分离并在三维空间中呈现。
预分割阶段通过算法处理像素以分离选定结构，常用方法包括阈值分割、边缘吸引、聚类和分类；随后的分割过程则是将分离出的结构填充至三维空间，将像素切片转换为具有准确W、Y、Z坐标的三维模型。目前分割过程多采用半自动模式，可修改预分割参数，由操作员明确需分割的结构后，交由算法完成后续流程。
不同的分割软件和打印方式
当前临床应用的分割软件种类较多，多数需人工干预才能获得最终3D打印模型，这不可避免地会引入不确定性。3D打印模型的全部坐标信息以玩个形式呈现，最常用的保存格式为标准镶嵌语言（STL），该格式也适用于最终打印环节。
打印的最后一步同样可能导致原始素材与成品存在差异，这种差异与打印机类型及打印方式密切相关，常见打印方式包括熔融沉积成型（FDM）、立体光刻、选择性激光烧结（SLS）、PolyJet等。最终3D打印模型的可靠性取决于多步骤流程，几乎每个阶段都可能产生累积误差或近似值。
分割软件的选择
分割软件的选择取决于用户需求及对3D分割、建模的熟悉程度，目前3D建模人员主要分为两类：
第一类为普通使用者，倾向于选择预定义且自动分割的“交钥匙”产品，这类软件整合了全流程功能，可在单一平台生成最终3D打印模型（如Materialize 公司的 Mimics），具有操作便捷、效率高的优势，但存在许可费用高昂（每年超过1万美元）、用户在建模、后处理及打印前准备阶段缺乏自主性的局限。
第二类为自学型用户，主要使用开源软件（如 ITK-snap、Slicer），通过手动调整DICOM对比度或阈值控制分割每个步骤，可灵活管理分割结果的传播与后处理流程。此类软件免费且定期更新，但存在一定学习曲线，且建模过程中可能出现主观偏差。
利用3D打印模型进行手术规划的病例系列：当前研究进展
已有三项系列研究尝试证实3D打印模型在先天性心脏病手术方案规划中的优势：
一项前瞻性单中心研究分析35例法洛四联症病例，将3D打印模型与术中发现进行对比，证实3D打印模型能可靠预测术中情况，但该研究对象为手术决策共识度较高的缺损类型，结果适用性有限。
一项多中心前瞻性研究采用病例交叉设计，针对右室双出口、复杂大动脉转位、交叉心脏、单心室等复杂CHD，由多学科团队分别基于传统影像学和3D打印模型评估手术指征，最终与手术结果对比。研究发现3D打印模型有助于优化50%病例的手术方案，但未明确影响决策的关键解剖结构，且涵盖多种解剖类型，难以预测其应用前景。
一项前瞻性比较研究评估25例右室双出口患者应用3D打印模型的效果，结果显示使用3D打印模型的患者组呼吸机使用时间和ICU住院时间均显著缩短，提示3D打印模型可能优化手术策略或缩短操作时间，但该研究在病例选择和随机分组描述方面存在不足。
【结论】
3D建模和3D打印技术具有良好的可靠性，适用于先天性心脏病的解剖分析与手术规划。但截至目前，该技术仍存在局限性与潜在偏差，主要与CHD建模过程中的主观性相关，当前仅能作为复杂先天性心脏病临床决策的辅助工具。
未来需重点优化3D打印模型在日常临床实践中的获取与操作流程，降低使用门槛。最终目标是将3D打印模型打造为特定患者的诊断总结载体，成为治疗方案制定的可靠工具，而这一目标的实现，需要通过更多具有明确临床意义终点的研究积累循证医学证据。
