2026年9月7日，多伦多儿童医院发布的一项可行性研究表明，将心脏 CT、MRI 和 3D 超声心动图三种不同的医学影像技术融合到一个3D打印的心脏模型中，能够显著提升儿科心脏外科医生对复杂先天性心脏缺陷的理解，远胜于他们此前依赖的单一模式模型。
这项研究以题为“Feasibility of 3D echocardiography–CT/CMRfusion to create atrioventricular valve–integrated 3D printed heart models incomplex congenital heart disease: greater incremental benefit for surgeons thancardiac imagers”的论文发表在《3D医学打印》杂志上。本研究还得出了一个引人注目且略有反直觉的结论：这些集成瓣膜的模型的最大受益者是实际操作手术刀的外科医生，而非解读扫描图像的影像心脏病专家。
先天性心脏病（CHD）影响着全球大约每百名新生儿中的一名，其中最严重的类型涉及心脏腔室、大血管和瓣膜的复杂畸形。对这类心脏进行手术需要术前对解剖结构有详尽的了解，而解剖结构在不同患者之间可能存在巨大差异。过去十年，利用计算机断层扫描（CT）或心脏磁共振（CMR）扫描构建的3D打印心脏模型已成为越来越常见的术前规划工具，使外科医生能够在进入手术室之前就拥有患者心脏的实体模型。这些模型的临床益处已得到证实，并且具有可重复性。然而，在心脏瓣膜层面实现解剖结构的精确性仍然是一个难题——由于瓣膜会随着每次心跳而移动，因此传统的横断面成像技术很难捕捉到这些结构。
这项由多伦多儿童医院的Jose Carlos Villalobos-Lizardi和Israel Valverde领导，并由Shi-Joon Yoo、Luc Mertens以及一支心血管外科医生团队共同参与的新研究，旨在弥合这一差距。研究人员将来自三种互补成像方式——心脏CT、心脏磁共振成像和三维超声心动图——的数据集整合到统一的数字模型中，然后为10名患有复杂先天性心脏病的儿科患者进行3D打印。纳入三维超声心动图数据是这项研究的关键创新。虽然CT和心脏磁共振成像擅长描绘静态解剖结构，例如心腔大小、血管走向和周围结构，但超声心动图在可视化房室瓣（二尖瓣和三尖瓣）的运动装置以及瓣下结构（包括乳头肌和腱索，它们将瓣叶固定在心室内）方面具有独特的优势。
△图像融合的一般工作流程。首先对CT或CMR图像进行分割，以分离出心房、心肌和血管（左上图）。然后从三维超声心动图图像中分割出房室瓣（左下图）。利用计算机辅助设计（CAD）优化这些结构的几何形状。通过配准可识别的标志点，将两种模态的图像融合。最后，将融合后的数据发送到3D打印机。
融合过程需要复杂的图像处理技术。来自每种模态的数据集均被分割，这意味着感兴趣的结构被数字化分离并渲染成三维表面，然后彼此进行空间配准，从而可以将超声心动图获得的瓣膜信息精确地叠加到CT和CMR衍生的解剖结构上。最终得到一个复合数字模型，其中房室瓣叶、瓣环和瓣下支撑装置与心脏解剖结构的其余部分融为一体，可直接用于打印。研究人员报告称，他们已成功为研究中的所有十名患者生成了这些多模态融合模型，这表明这套工作流程在临床环境中具有技术可行性，而不仅仅是理论上的可行性。
为了确定新增的瓣膜细节是否真正转化为临床价值，研究团队组建了一个由十位专家组成的评审小组：七位在心脏影像学方面拥有丰富经验的儿科心脏病专家和三位儿科心胸外科医生。每位评审员使用基于李克特量表的结构化问卷对十个患者特异性模型进行评估。李克特量表是一种调查形式，受访者需在固定的数值范围内对模型的认同度或满意度进行评分。问卷主要考察两个方面：模型对解剖学理解的辅助作用，以及模型对术前手术计划的实用性。
结果显示，两组专业人员之间存在明显的差异。外科医生对瓣膜整合融合模型在解剖学理解方面的评分显著高于影像科医生，外科医生的评分中位数为 5 分（满分 5 分），而影像科医生的评分中位数为 4 分（满分 5 分）——作者指出，这一差异具有统计学意义（p 值为 0.002）。如此小的 p 值表明，仅凭偶然性观察到这种差异的可能性小于 1%，这为评估者的主观评价提供了统计学上的支持。外科医生对这些模型在手术计划方面的评价也更高。这种模式表明，瓣膜细节的增加（提供了传统单模态模型无法提供的信息）对于那些在手术室中需要观察瓣膜及其下方肌肉和肌腱精细结构的医生来说尤为重要。
为什么影像科医生对他们自己参与重建的结构却不那么热情呢？作者对这一发现的解读——即外科医生比心脏影像科医生从中获得的增量收益更大——指向了一个合理的解释，而这个解释就蕴含在两种职业的本质之中。影像心脏病专家每天都在使用动态超声心动图和横断面扫描；他们习惯于根据动态图像在脑海中重建瓣膜解剖结构，对他们来说，静态的打印模型可能只是一个小小的补充，而非全新的发现。相比之下，外科医生通常带着从多个二维图像来源拼凑而成的三维图像进入手术室。对于他们来说，一个能够以三维形式呈现瓣膜装置的物理模型——这在以前只能通过推断获得——提供了一种全新的术前体验，这种体验可以影响手术技术的选择、瓣膜修复策略的制定，以及对难以在平面屏幕上理解的空间关系的预判。
△横断面成像与三维超声心动图的图像配准。使用半自动工具对三维超声心动图（3D-Echocardiography）和CT血管造影图像进行对齐。沿XY轴（A）、XZ轴（B）和YZ轴（C）旋转以及比例匹配（D）以精细对齐房室瓣。MV，二尖瓣；TV，三尖瓣
这项研究的技术成就不容小觑。房室瓣是复杂的动态结构，瓣叶在每个心动周期中都会舒展和闭合。捕捉这些瓣膜需要心电门控三维超声心动图，能够采集与心脏运动同步的容积超声数据。将这种富含软组织的超声信息与CT的高空间分辨率以及CMR的组织表征优势融合，需要格外注意分割精度和配准对齐。任何模态间的错位都会导致模型出现偏差，甚至比没有模型更糟糕。研究团队为所有十名患者都生成了可用的、整合了瓣膜信息的模型，这表明其他具备必要成像和打印基础设施的中心可以复制这一融合流程。
这项研究成果的发表正值3D打印技术在医学领域从新兴技术向特定领域的标准治疗方案过渡之际。在复杂的先天性心脏病（CHD）治疗中，打印模型已被证实能够缩短手术时间、减少术中探查的需求，并改善手术团队成员与患者家属之间的沟通。多伦多大学的这项研究将研究重点从此类模型是否有效（目前已被视为确凿无疑）转移到如何使其更符合解剖学原理，体现了解剖领域日趋成熟的趋势，并正致力于精细化改进。对于那些房室瓣解剖结构决定手术方案的病变，例如房室间隔缺损、接受房室瓣修复的功能性单心室心脏以及复杂的先天性二尖瓣疾病，整合瓣膜的模型可能具有尤为重要的意义。
这项研究的设计本身存在一些局限性。作为一项可行性研究，它仅有十名患者和十名评估者，样本量较小，且七位影像医师和三位外科医生之间的人数比例失衡，使得组间统计比较变得复杂。此外，评估者的评价是基于对效用的主观感知，而非对诸如手术时间或手术并发症等后续结果的盲法测量。作者和外部观察者一致认为，未来的研究应该检验这些模型是否能在更大规模、理想情况下是多中心队列中转化为可衡量的术中和临床获益。
即便如此，这项研究的信息很可能在儿科心脏团队中引起广泛共鸣。多模态融合3D打印——曾经是一项雄心勃勃的工程尝试——如今似乎已成为现实，而站在开胸手术台前医护人员的感受尤为深刻。对于那些患有最复杂心脏缺陷的儿童来说，手术几乎没有任何意外，一个不仅能展现心脏形状，还能展现瓣膜结构的模型，可能意味着计划性修复和临时性修复之间的区别。这项以开放获取文章形式发表的研究表明，真正完整的3D打印心脏——包含使其跳动和密封的结构——的时代可能比该领域许多人预想的要近得多。
来源：南极熊
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