小型猪冠状动脉的三维建模与3D打印研究

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(1.肇庆医学高等专科学校基础医学部，广东 肇庆 526020;2.肇庆市中医院影像科，广东 肇庆 526020)

近年来，随着数字医学和3D打印技术的快速发展，不仅为临床患者提供了个性化手术设计和精准实施安全保障，也为与人类相近似的实验动物研究开辟了新技术途径。猪作为常用的实验动物，其心脏冠状动脉的分布、走行及血供等形态学研究对临床心肌缺血疾病研究提供重要的动物模型[1-3]。目前，对猪冠状动脉的研究多为大体解剖学观察，而有关猪的冠状动脉三维建模研究报道甚少[4-5]。鉴于此，本研究应用血管重建技术和3D打印技术构建离体猪心脏冠状动脉数字化三维模型，并研究其血管网的解剖学形态结构，旨在为人类心脏基础研究和心脏异种移植提供血管三维形态学依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物

采用普通级健康广西巴马小型猪1只，雄性，体质量20 kg，7月龄，由肇庆医学高等专科学校动物实验中心提供[SCXK(粤)2016-0041]。饲养环境符合中华人民共和国卫生部动物实验管理条例(No.55，2001)和肇庆医学高等专科学校动物实验管理条例。温度(20.35±2.85)℃，湿度(47.56±14.79)%，单笼饲养。动物实验符合伦理要求，实验程序通过了肇庆医学高等专科学校动物实验委员会批准(批号：2016-9-25-101)，实物动物处理严格遵循肇庆医学高等专科学校动物实验委员会与伦理委员会相关指南要求。

1.2 实验材料及设备软件

1.2.1 铸型填充剂 E-51型环氧树脂、三(二甲胺基甲基)苯酚DMP-30、环氧树脂高性能增韧改性剂RF-400、改性脂环胺环氧树脂固化剂ZY-1618、氧化铅、马利牌油画颜料(红色)。

1.2.2 三维重建设备软件 64排128层螺旋CT(西门子公司)，计算机硬件:Intel Core i7 3.6 GHz、32G内存、4T硬盘、4G独立显卡显存、27寸液晶显示器。三维重建软件：Materialise公司的交互式的医学影像控制系统Mimics 19.0。3D打印软件设备：cura 15.06切片软件，极光尔沃603S桌面3D打印机。

1.3 实验方法

1.3.1 铸型标本制作 从小型猪耳缘静脉穿刺注射丙泊酚2.0 mg/kg，待呼吸频率下降至20～30 次/分钟，肢体活动逐渐停止，持续泵入空气以栓塞死亡。用清水将小型猪标本表面冲洗干净，然后沿胸部前正中线打开胸腔，切开心包找到升主动脉，在升主动脉根部上方1 cm处离断并向近心端插管固定[6]。按照E-51型环氧树脂10 mL、环氧树脂高性能增韧改性剂RF-400 1.5 mL、三(二甲胺基甲基)苯酚DMP-30 0.5 mL、改性脂环胺环氧树脂固化剂ZY-1618 5 mL、氧化铅11.3 g比例配制铸型填充剂[7-8]，并加入适量红色油画颜料充分搅拌5～8 min即可灌注，在灌注过程中注意观察冠状动脉表面充盈情况，注意控制注射器推注压力。待填充剂凝固后拔出插管并放入37%浓盐酸溶液中进行腐蚀，3～4 d后用自来水缓慢冲洗,即成小型猪冠状动脉铸型标本。

1.3.2 CT扫描与三维建模 采用西门子SOMATOM Definition AS 128层螺旋CT对小型猪冠状动脉铸型标本进行薄层扫描。扫描参数：管电压120 kV，管电流250 mA，旋转时间为每圈0.5 s，准直宽度64×0.625 mm，重建层厚0.6 mm，重建层距0.35 mm，螺距0.973 mm，视野350 mm，矩阵512×512，扫描所获得DICOM格式数据集导入Mimics 19.0软件进行三维图像处理。首先利用软件Thresholding功能设定阈值范围为-290～3 071 HU，并通过调整阈值范围分割显示血管分支，然后使用Calculate 3D工具对不同蒙板进行计算，分割构建小型猪冠状动脉的数字化三维模型。

1.3.3 3D打印模型构建 将Mimics建立好的小型猪冠状动脉三维模型导出ASCⅡSTL格式文件，然后将STL文件导入cura 15.06切片软件进行Lay flat、scale、填充密度等模型打印前设置。最后生成和发送gcode格式打印文件至3D打印机，打印小型猪冠状动脉3D模型，打印完后再对3D模型进行局部修饰。

2 结果

2.1 小型猪冠状动脉铸型观察

小型猪冠状动脉铸型标本形态充盈饱满、粗细分明、稀疏有度，能清晰地观察到左、右冠状动脉主干及其分支(右旋支、左缘支、对角支及右室前支等)的走行分布情况。且分支血管毗邻关系明确，由粗至细逐级分支至6～7级，立体感强(图1)。

a:前面观；b:背面观 1:右冠状动脉；2:右旋支；3:右室前支(右冠状动脉)；4:左室后支(右冠状动脉)；5:左冠状动脉；6:旋支；7:左缘支；8:对角支；9:前室间支

图1小型猪左、右冠状动脉铸型标本

2.2 小型猪冠状动脉三维模型分割显示

将CT扫描采集的DICOM数据导入Mimics 19.0软件成功构建出小型猪冠状动脉三维模型(图2a)，并通过调整阈值范围分割显示左、右冠状动脉及其分支。当阈值范围调整为-290～3 071 HU时，构建三维模型形态逼真、立体感强，能清晰地观察到左、右冠状动脉3～4级分支(图2b)；当阈值范围调整为646～3 071 HU时，构建三维模型中左、右冠状动脉3级分支明显减少，4级分支基本消失，而1～2级主干分布及走行明显(图2c)；当阈值范围调整为1 924～3 071 HU时，构建三维模型左、右冠状动脉主干越来越明显，3级分支大部分消失(图2d)；当阈值范围调整为2 945～3 071 HU时，该模型只能左冠状动脉起始段主干，而右冠状动脉及其分支显示完全消失(图2e)。

2.3 小型猪冠状动脉的3D打印模型显示

采用3D打印机成功打印出清晰逼真、立体感强的小型猪冠状动脉的实体模型(1∶1.5比例)，该模型清楚地显示小型猪冠状动脉1～4级分支分布及走行，与原始铸型标本、数字化三维模型相一致(图3)。

a: Mimics构建出小型猪冠状动脉三维可视化模型；b: Mimics阈值范围-290～3 071 HU 的三维可视化模型；c: Mimics阈值范围646～3 071 HU 的三维可视化模型；d: Mimics阈值范围1 924～3 071 HU 的三维可视化模型；e: Mimics阈值范围2 945～3 071 HU 的三维可视化模型 1:右冠状动脉；2:右旋支；3:右室前支(右冠状动脉)；4:左室后支(右冠状动脉)；5:左冠状动脉；6:旋支；7:左缘支；8:对角支；9:前室间支

图2小型猪左、右冠状动脉三维可视化分割模型

a:3D打印模型(未修剪)；b:3D打印模型(已修剪) 1:右冠状动脉；2:右旋支；3:右室前支(右冠状动脉)；4:左室后支(右冠状动脉)；5:左冠状动脉；6:旋支；7:左缘支；8:对角支；9:前室间支

图3小型猪左、右冠状动脉3D打印模型

3 讨论

3.1 基于铸型标本的三维建模

血管铸型技术是一种较好显示动物器官内部血管分布的好方法,能够直观显示各级血管分支的走行及分布情况[9-10]。目前，传统猪冠状动脉的解剖形态学研究大多通过灌注血管填充剂以制作铸型标本观测，常规采用过氯乙烯-乙酸乙酯填充剂从家猪左、右冠状动脉窦口插管进行灌注，制作血管铸型标本[11-14]，铸型结果可清楚显示家猪的左、右冠状动脉的走行及其分支分布情况，能直接获取冠状动脉浅层动脉血管信息，但由于其小分支动脉及其末梢丰富且分布广，导致被覆盖部分或深层动脉血管信息无法显示，这也是铸型标本最大的不足之处。

血管三维可视化模型是借助计算机三维重建软件对动物血管造影重建模型，可以直观、立体地观察器官血管主干与分支的走行及分布情况，实现了图像由二维变三维、由平面变立体、由静态变动态的虚拟模型，对了解动物血管内部的三维结构具有巨大的优势[15-17]。万雷等[18]通过对离体猪心脏冠状动脉灌注水溶性对比剂后进行MSCT扫描获取三维图像，这种方式与临床心脏介入方式类似，但由于造影剂依赖灌注时人工推力，灌注离体猪心脏冠状动脉缺乏持续稳定血流动力作用，很难保证造影剂在血管内分布均匀，进而导致CT重建图像清晰度不均匀和(或)可能出现血管不连续现象，且清晰度不理想。

鉴于上述情况，本研究则利用血管造影填充剂(氧化铅)灌注制作铸型标本后经CT扫描和Mimics软件构建得到的小型猪冠状动脉数字化三维模型，其特点包括：①插管位置选择。由于小型猪心脏比成年家猪小得多，其左、右冠状动脉窦口非常细小，用常规方式无法插管灌注。因此，本研究采用从升主动脉切口向近心端插管灌注方法，铸型结果显示心腔无填充剂进入，只清晰地显示小型猪左、右冠状动脉的分布及走行，效果较理想。因此，本研究的升主动脉向近心端插管灌注是一种简便有效的小型猪冠状动脉铸型制作方法。②金属造影剂应用。目前计算机图像处理原理是基于X射线穿透物质能力来区分不同密度的物质，造影剂密度越大,越难穿透，成像越清晰[19-20]。氧化铅是目前公认血管造影术密度最大的造影剂，成像效果最好。本研究在灌注前按比例加入氧化铅造影剂粉末并均匀融合于灌注填充剂中，待填充剂完全硬化后，氧化铅就会均匀固定，分散于各级血管分支，便于CT扫描时能够采集更清晰的二维断层图像数据集，图像清晰度高且血管连续性好，与原铸型标本的血管走行及分布相一致。③三维模型构建。MSCT成像多以VR、MIP形式重建三维图像，一般只限于CT工作站自带软件范围内应用。而本研究Mimics软件利用CT采集DICOM数据可以在任意一台个人计算机重建小型猪冠状动脉的三维模型，在计算机三维空间内可以以任意比例缩放及任意角度旋转等操作，有利于观察不同层次血管，弥补铸型标本的不足之处，这种优势是铸型所无法比拟的。④优势及不足。现有CT、MRI等影像设备或三维重建软件(Mimics 或 3d-Doctor)基于阈值原则来分割不同血管，与造影剂密度和含量有关[21-22]。由于冠状动脉铸型标本中的各级(1～6级)血管氧化铅含量不同，1级血管(主干)氧化铅含量最多，而6级末端氧化铅含量最少。随着Mimics阈值间距不断缩小，6～2级血管分支逐步消失，最后只保留1级主干成像，较大地满足临床应用的需求和基础研究的需要，这也是本研究的血管阈值分割的最大优势。同时三维重建技术也存在不足之处，主要受CT扫描层厚、扫描速度、灌注填充剂等因素影响，并不能重建和显示所有部位血管。因此，血管灌注铸型技术和三维重建技术各有优势，应将它们结合使用，各取所长。

3.2 小型猪冠状动脉3D打印模型的意义

3D打印技术以数字模型文件为基础，通过物理逐层叠加方式生产三维实体，是快速成形技术之一，在医疗领域发挥其独有优势[23-24]。目前，冠状动脉3D打印技术的应用可为心脏手术治疗方案确立、临床教学培训提供新的研究方法、新的技术手段。由于猪心脏冠状动脉的起始、行程及其分支与人较相似,各级分支的出现概率也较接近,常作为人理想的缺血再灌注动物模型[25]。因此，本研究通过对小型猪冠状动脉猪型的断层扫描，在三维重建的基础上利用适合的材料打印出高精度冠状动脉模型，其在临床科研和解剖教学具有重要意义：①手术预演。3D打印模型是对术前影像进行三维实物重现，仿真性高。主刀医师可以通过等比例3D实物实现术前个体化设计、手术模拟演练、精准手术过程等优点,能够真实全面地了解冠状动脉结构，临床应用价值较高。②解剖教学。由于二维图像的局限性，医学生无法对于接触到的医学知识有更深入的了解。而3D打印模型是通过树脂材料打印出的冠状动脉模型，使学生更加直观、深刻的认识冠状动脉的走行及分布情况，激发学生的好奇心和积极性。同时3D打印模型可实现批量生产，有效节省原始标本的消耗，提高教学效率。

综上所述，血管三维重建技术和3D打印技术可以直观显示虚拟和现实小型猪冠状动脉的三维状态，有效地辅助当前数字化、精准化医疗的发展方向，为先心手术和影像解剖学教学提供一个仿真平台和实践工具。