分支管状组织的高保真三维打印：定量几何验证与功能性冠状动脉灌注模拟

《MedComm – Biomaterials and Applications》：High-Fidelity 3D Printing of Branched Tubular Tissues: Quantitative Geometric Validation and Functional Coronary Perfusion Simulation

　　

管状组织，包括气管、肺动脉和冠状动脉，具有复杂的分支几何结构，这些结构对其生理功能至关重要。本研究建立了一个严格的定量框架，用于评估三维打印管状模型的几何精度。通过利用高分辨率计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）成像和计算重建，该框架为模拟冠状动脉血流提供了高保真基础。研究人员使用Mimics和3-matic软件，将解剖结构转换为三维立体光刻（Stereolithography, STL）文件。精度评估通过将这些文件与原始数字成像和通信医学（Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM）图像进行比较，随后通过多轴测量在相同解剖标志点沿X轴、Y轴和Z轴比较三维打印实体模型与数字STL对应物来实现。统计验证，包括线性回归、皮尔逊（Pearson）相关、组内相关系数（Intraclass Correlation Coefficient, ICC）和Bland-Altman图，显示出卓越的几何保真度（r² > 0.99，ICC = 0.98），且局部变形可忽略不计。此外，研究人员整合了正常和疾病状态下的冠状动脉血流-灌注模拟，以展示重建模型作为无创诊断和治疗规划工具的潜力。这些发现验证了高保真三维打印管状组织作为术前规划、个性化手术模拟和高级医学教育可靠工具的精度和可靠性。同时，该研究为改善复杂分支组织干预中的临床结局提供了稳健平台。

管状组织如气管、肺动脉和冠状动脉等，与实体器官不同，其具有复杂的解剖学分支结构，在营养吸收、氧气运输等关键生理功能中发挥重要作用。准确可视化这些组织的几何形态、表面形态和内部结构对于理解其功能动态至关重要。然而，这些管状组织 intricate、多变且患者特异性的特征给传统成像技术，包括计算机断层扫描（CT）、超声心动图（Ultrasound Cardiography, UCG）和磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI），带来了显著挑战。这些局限性往往阻碍了传统放射学方法对复杂管状结构的详细评估。

三维打印技术的出现为这些复杂解剖结构的复制和分析提供了新机遇。放射学三维成像技术的进步使得管状组织的检测、分割和建模更加精确，从而在医学应用中取得了显著进展。例如，Meng等人提出了从三维胸部X射线CT图像中提取气管区域的新方法；Choi等人展示了基于螺旋CT的三维重建在表征肺动脉方面的应用价值；Lee等人则利用三维打印模型进行无顶冠状窦病例的手术规划，以帮助减少潜在并发症。这些案例凸显了3D打印在医学教育、术前规划和医患沟通中日益增长的认可度。

尽管取得了这些进展，但在薄壁、分支管状组织的三维打印模型中实现高精度仍然具有挑战性。例如，Ho和Poterucha等人的研究开发了用于临床指导的患者特异性模型（气道和肺动脉），但依赖主观反馈或缺乏定量验证。Lee等人虽将三维打印模型与CT衍生的STL文件进行了比较，但与放射学数据的相关性未得到充分解决。此外，传统评估主要依赖表面-表面距离分析和体积比较，这往往无法捕捉复杂分支结构的内部管腔保真度。

为解决这些不足，研究人员开发了气管、肺动脉和冠状动脉的三维打印模型，将基于标志点的多轴测量方法整合到工作流程中，以在多个解剖尺度上提供局部、高精度的验证。通过定量比较原始CT图像、STL文件和打印结构，该系统性框架确保了冠状动脉血流-灌注模拟所需的结构精度。

冠状动脉血流-灌注模拟使用重建的冠状动脉模型进行。模拟的冠状动脉血流速度和压力、左心室心肌血流均处于生理范围内，证明了模型构建的准确性。研究人员进一步模拟了血栓对冠状动脉血流-灌注的影响，其预测与近期临床报告一致。这些结果展示了该模型作为无创诊断和治疗规划工具的潜力。

该研究在将三维打印技术与放射学整合方面迈出了重要一步，为评估三维打印解剖模型的精度提供了稳健框架。因此，它不仅增强了当前医学成像和基于模型的手术规划实践，还为三维打印在治疗干预、医学教育以及医学诊断和治疗中的更广泛应用铺平了道路。研究遵循以下逻辑进程：（1）高保真模型重建；（2）跨多个阶段（CT-STL-打印）的定量精度验证；（3）通过患者特异性模拟进行临床应用。

本研究成功实现了具有分支的管状组织的三维打印，从气管、肺动脉到冠状动脉，经历了从简单到更复杂结构的转变。通过比较CT原始图像与STL文件，以及切割STL文件与三维打印模型，对这些三维打印模型的几何精度进行了全面评估。统计分析，包括线性回归、皮尔逊相关（r = 0.99）、Bland-Altman分析和ICC分析（ICC = 0.98；p < 0.001），表明测量差异极小（< 0.5 mm），百分比差异范围为0.4%至0.9%。这些结果确认了三维打印管状组织模型的高精度和可靠性。该研究为三维打印技术的精度及其在放射医学和三维成像中的潜在应用提供了强有力的验证。

气管、肺动脉和冠状动脉三维打印的成功凸显了增材制造技术对复杂分支几何结构的适用性。研究人员通过系统性、基于标志点的评估方法，取代了以往主观或未量化的验证方式，推进了先前研究。除了形态保真度外，这些模型为精准医学和手术模拟提供了高保真基础。

在气管方面，气管在呼吸和发声中的作用对干预措施具有重要意义。尽管先前研究如Park等人通过生物打印成功制造了人工气管，但往往缺乏与患者特异性医学成像的整合。该研究的方法通过直接从CT数据推导模型弥补了这一差距。通过实现高定量精度，该工作流程支持了Hu等人展示的实践应用，即使用儿童特异性气道模型进行术前支气管插管练习。该研究生成的高保真STL文件为未来三维生物打印提供了可靠基础，潜在支持定制化、组织工程化支架用于气管重建。

在肺动脉方面，肺分支的复杂性要求精确的空间理解以避免术中并发症。Sun等人的先前研究利用三维CT重建在500多例病例中减少了出血并改善了结局。该研究与这些发现一致，证明三维打印肺模型可作为准确的解剖学参考。除了简单的可视化外，这些实体模型允许外科医生练习复杂操作和针对个体血管分区的定制干预，这对肺高压或先天性缺陷的治疗具有重要意义。

在冠状动脉方面，由于血管规模较小，冠状动脉脉管系统的准确建模要求较高。尽管Sun等人的先前工作使用三维打印模型进行支架模拟，但缺乏正式的精度评估。Lee等人强调了模型对冠状动脉异常的临床相关性，但未量化几何偏差。该研究通过提供严格的验证框架弥补了这一差距。通过多轴线性分析和Bland-Altman方法，研究人员证明了三维打印能够可靠地捕捉细小和远端分支。这种精度水平对手术规划和血流动力学模拟均至关重要。

三维打印管状组织的定量评估加速了三维打印与放射学成像的整合。这种精度评估方向不仅有助于通过三维重建分支结构来评估管状组织的精度，还能通过计算分支轨迹来揭示细小和不可见的分支。直接测量方法揭示了CT图像与三维打印模型之间的高度一致性和相关性。CT数据与STL文件之间的相关性很高（r² > 0.99；皮尔逊系数 > 0.99）。Bland-Altman分析显示误差极小（平均差异 < 0.5 mm），ICC值确认了高可靠性（ICC = 0.97–0.98）。

这些结果与Valverde等人的发现一致，他们报告了先天性心脏缺陷三维打印模型的精度；Lau等人发现先天性心脏病三维打印模型的平均误差为0.23 mm。类似地，Huang等人证明了三维打印心脏模型用于产前先天性心脏畸形评估的精度。然而，虽然三维打印心脏模型的精度评估相对成熟，但对管状组织的评估仍然有限。

患者特异性重建组织的主要应用之一是模拟临床指标，供医生做出诊断并提出个性化治疗方案。在该研究中，研究人员进一步展示了血流和灌注模拟的演示，以及使用重建冠状动脉预测血栓影响的附加功能。结果与先前研究和临床报告一致。近年来，许多心脏数字孪生模型已被开发，用于在真实患者数据上运行各种病理的模拟。这些使用计算流体动力学基于患者成像数据进行个性化血流模拟的模型，已被证明是风险评分的新兴无创方法。个性化血流模拟的准确性取决于成像和分割的质量。

冠状动脉血流模拟指标处于生理范围内，这也支持了重建冠状动脉系统的准确性。研究人员使用基于患者成像数据的重建冠状动脉系统的模拟工作流程，已展示了进行诊断和提出治疗方案的潜力。相同的框架可以为其他组织/器官设置，作为临床规划的无创工具。

该血流-灌注模型存在 several 局限性：模型采用简化的边界条件并假设刚性血管壁，可能无法捕捉患者特异性的微血管异质性或血管顺应性；其次，血栓表示未考虑形态或成分的动态变化；最后，当前工作流程需要大量的计算资源以及图像预处理和参数校准，限制了其即时的临床转化。

该研究为全面、详细、三维观察产前先天性心脏畸形提供了技术框架。然而，三维打印管状组织的精度评估仍然有限。虽然气管、肺动脉和冠状动脉等结构的三维打印模型已广泛用于规划和支持复杂手术，但系统、定量的精度研究却很少。大多数现有评估集中在小分支上，在评估更广泛的管状结构方面存在不足。

Parthasarathy等人评估了患者特异性三维打印模型在复制CT血管造影观察到的病理解剖特征方面的精度，特别是在冠状动脉主动脉起源异常的患儿中。这项工作主要强调了主动脉结构的精度。类似地，Yang等人证明了三维打印模型能够可靠地复制患者特异性左冠状动脉树与其虚拟三维对应物。这些发现共同验证了三维打印对管状组织的高精度，并支持其在放射学成像和医学中的潜在应用。该研究冠状动脉血流模拟的一个局限性是它未直接与患者数据进行比较。研究人员将收集患者指标并与临床合作者合作，应用其模拟框架来模拟和预测疾病进展和可能的治疗方案。

展望未来，未来研究应侧重于改进管状组织结构的评估，特别是在中空或复杂解剖区域。整合先进的成像技术，如更高分辨率的CT或MRI，以及改进三维打印工艺，可以帮助克服当前局限性。这些努力将提高三维打印模型的精度和功能可靠性，扩展其在诊断、手术规划和个性化治疗应用中的临床效用。

研究结论部分指出，该研究成功实现了分支管状组织的三维打印模型，并完成了模型精度评估。然而，研究在精度评估方法方面存在局限性，因其仅基于三个三维打印模型。此外，由于CT扫描的局限性，该过程无法准确表示个体模型中的中空结构，特别是较小、较薄和不可见的分支。尽管如此，这些发现有助于更好地理解三维打印模型如何帮助医生通过评估管状组织的外观和中空状态来估计其功能，从而实现对异常的早期预警。三维生物打印的最新进展集中在逐层创建具有分支的管状组织，如气管和动脉，但功能复制仍然是挑战。研究人员进一步使用重建的冠状动脉系统进行了冠状动脉血流-灌注的计算流体模拟。这证明了重建模型作为无创诊断和治疗规划工具的潜力。展望未来，三维生物打印与二维放射学成像的整合可能为个性化和定制化器官移植铺平道路，代表医学科学和个体化护理的重大突破。

为开展该研究，研究人员采用了以下主要关键技术方法：CT数据采集使用64排GE Revolution扫描仪（Optima CT660）获取气管（54岁男性）、肺动脉（24岁女性）和冠状动脉（63岁女性）的CT图像，均由四川省中西医结合医院医学影像科提供。图像分割与模型优化使用Mimics Medical 20.0进行手动分割和自动分割工具提取目标结构，随后导入3-matic 12.0进行平滑、中空和切割优化，最终导出STL文件。三维打印使用Kings 3D JS-800激光雕刻打印机（光敏树脂材料，打印时长3-6小时/模型）制作实体模型。精度评估采用基于标志点的直接测量法，在相同解剖标志点沿X、Y、Z轴进行多轴测量，比较CT图像、STL文件、切割STL文件和三维打印模型。统计分析包括线性回归、皮尔逊相关系数、Bland-Altman分析和ICC分析。血流模拟采用有限元方法，使用SimVascular求解冠状动脉血流（Navier-Stokes方程），使用FEinCS结合Darcy模型求解左心室心肌血流，血管壁采用Windkessel模型设定边界条件，模拟运行6秒。