近年來，三維技術在結構性心臟病（structural heart disease，SHD）輔助診療中獲得越來越廣泛的應用，同時也是人工智能等其他技術落地應用的重要基礎。然而，三維技術臨床應用也存在一些問題需要解決。本文將對三維技術在SHD領域的應用進展進行述評，同時對其未來發展做出合理展望。
引用本文： 莊建, 袁海云, 邱海龍. 三維技術在結構性心臟病領域的應用現狀與展望. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2023, 30(12): 1678-1682. doi: 10.7507/1007-4848.202307041 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國胸心血管外科臨床雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
結構性心臟病（structural heart disease，SHD）泛指任何與心臟及其毗鄰血管結構異常的心臟疾病，包括先天性疾病、瓣膜疾病、心肌病等[1]，具有解剖結構復雜、異質性強、個體差異大的特點，傳統醫學二維影像難以直觀地將解剖信息傳達給醫師，因此三維（three-dimensional，3D）模型這種更全面、直觀的顯示方式逐漸被應用[2]。基于3D超聲、計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等醫學影像數據進行3D重建，可得到3D數字模型，然后可以根據需要，通過3D打印得到實體模型，也可以轉換格式輸入不同設備實現虛擬現實（virtual reality，VR）和混合現實（mixed reality，MR）顯示（圖1）。這些不同的3D模型，可全面、直觀地顯示心臟大血管的形態、大小、位置、方向、關系等復雜的解剖結構細節，從而輔助臨床診療。本文將對3D技術在SHD領域的應用進展進行述評，同時對其未來發展做出合理展望。
圖1
心血管3D重建及3D模型生成流程及模型示意圖
VR：虛擬現實；MR：混合現實；3D：三維
1 三維技術在結構性心臟病的應用正在走向規模化和標準化
近年來，3D技術越來越廣泛地被應用在SHD的臨床輔助診療中。第一，應用單位廣泛，除了國外多個國家均有單位報道了相關應用之外，國內也有越來越多單位報道了相關應用，涵蓋但不限于國內多個大中心。第二，應用的病種范圍越來越廣泛，除了包括多種先天性心臟病（先心病），例如右室雙出口[3]、大動脈轉位[4]、單心室[5-6]、肺動脈閉鎖合并室間隔缺損合并粗大側支血管[7]、冠狀動脈瘺與冠狀動脈起源異常[8]、房/室間隔缺損介入封堵手術[9-10]等，還包括肥厚型梗阻性心肌病[11]、瓣膜介入手術評估[12-13]、心臟腫瘤[14]、主動脈夾層[15]等成人SHD。第三，應用貫穿整個診療流程，包括疾病診斷[16-17]、術前評估與手術規劃[18-20]、醫患溝通、術中導航[21-22]、教育培訓[23]等，且有研究24]表明，3D打印模型對部分復雜先心病的治療決策選擇有明顯影響。
隨著部分大中心的常規應用，應用病種的數量及總例數均在穩步上升，規模逐漸增大，應用流程也逐漸走向標準化。以廣東省人民醫院為例，即使是處于新冠疫情期間的2022年，臨床應用3D技術輔助診療的SHD例數超過250例，而在2017—2022年間，總應用例數已超過1 000例，涵蓋了SHD的多數病種。在規模增大的同時，軟/硬件、場地和人員等各類資源被逐漸整合，促使從確定重建到重建完成及交付應用的3D技術服務與應用流程也逐漸走向標準化（圖2）[25]，可穩定且高效地為臨床診療提供幫助。《2020年歐洲心臟病協會成人先天性心臟病指南》[26]也首次提及，基于心臟CT/MRI 3D重建的VR和3D打印模型可以用于模擬和規劃手術。在國內，得益于多個大中心的示范應用以及舉辦培訓班、學術會議和技術指導等推廣活動，其他心臟中心逐漸了解并接受常規應用3D技術輔助診療。從行業層面上看，醫學3D技術服務公司越來越多，規模越來越大，相關專業人員也在增多，包括建模工程師、硬件維護工程師、后處理工程師等，這有利于更多心臟中心獲得良好的3D技術服務支持，有助于SHD整體醫療水平的提升。
圖2
3D可視化外科診療流程（橙色線條）和傳統外科診療流程（藍色線條）對比
a：CT多平面重建分析心血管解剖結構；b：包含胸廓的容積再現；c：不包含胸廓的容積再現；d～f：術前應用VR模型的切片、旋轉和分體顯示等功能進行病情評估；g～h：應用VR和3D實體模型進行手術規劃；i：通過Hololens眼鏡上的虛擬心臟和真實心臟擬合確定主-肺側枝血管的位置；j：通過觀察放置在手術臺上的3D實體模型進行解剖復習；VR：虛擬現實；MR：混合現實；3D：三維
但是目前3D技術在SHD的應用仍然面臨著一些問題。第一，如何定量評估3D技術在SHD的臨床應用價值是長久以來的難題，很難設計前瞻性對照研究來進行評估，目前仍然是根據技術原理、專家意見等方面定性評估。第二，盡管目前3D技術服務費已較前明顯降低，但是對于患者而言仍然是一筆不菲的自費費用，相關單位需繼續梳理流程，進一步降低技術成本，逐步形成明確的應用病種范圍與應用條件，避免濫用。第三，目前3D打印模型與真實心血管組織的物理性能相差甚遠，材料研發需要大力推進，爭取早日打印出高仿真物理性能的心血管模型。第四，盡管在國內外均有單位將VR、MR等顯示設備投入SHD的臨床診療中[8,10,16,25,27]，但是這些設備比較笨重，使用不便，更難以長期在術中使用，不過隨著多個科技巨頭公司對于“元宇宙”相關的VR、MR軟/硬件的大力研發改進，在不久的未來即有可能解決這個問題。
2 三維技術是結構性心臟病診療實現智能化的重要基礎
3D技術是SHD診療實現智能化的重要基礎之一。面對SHD患者，目前的診療過程可以大致分為3步：（1）圖像建模和診斷，即通過影像（CT、MRI、超聲等）在大腦中形成3D重建，并與正常結構進行對比，并結合其他數據，進行分析和診斷；（2）疾病評估與決策，即結合指南以及過往經驗評估病情和治療風險，并做出治療決策；（3）實施治療，包括外科手術、藥物治療等。對于第1步，由于目前有基于二維圖像進行3D重建的智能算法，也有能識別3D模型的深度學習算法，因此未來有望真正實現智能建模和診斷。廣東省人民醫院團隊已經訓練得到了17種先心病的智能重建和診斷模型，準確率高于80%，目前已應用于部分臨床病例[28]，正在進行軟件部署和流程優化，近期將率先實現智能化程度較高的重建和診斷，并進行更大樣本量、多中心的臨床驗證。對于第2步，以往通過比較基礎的規則設定或者通過過往的統計分析結果，可以實現簡單的評估，目前有了精準的3D模型，結合可以同時分析多模態數據的深度學習算法，可實現更加類人化的智能評估。廣東省人民醫院團隊前期建立了完全性肺靜脈異位引流患者的影像加臨床機器學習預測模型，用于預測術后肺靜脈梗阻，敏感度、陽性預測值、受試者工作特征曲線下面積分別達0.828、0.864和0.943[29]。對于第3步，由于需要更高級且復雜的與真實世界交互的算法模型和硬件設備，暫時還很難實現智能治療，尤其是智能外科手術。
3D技術也是其他輔助診療技術臨床落地應用的重要基礎。第一，3D技術可以支撐真實病例進行精準的計算機血流動力學分析與模擬，輔助醫師選擇最優方案[30-31]。第二，3D打印實體模型已經可以供醫師在術前進行手術模擬，當材料性能足夠仿真時，還可以在體外模型進行血流動力學模擬，以預測或驗證手術效果，目前已有研究者[31]用于驗證二尖瓣術后的血流動力學，以預測左心室流出道梗阻。第三，未來的生物3D打印心血管組織或器官，也一定是基于真實病例個體化和精準化的心血管結構3D重建模型進行。
3 三維技術的未來發展與革新
未來，3D技術在SHD領域的應用載體，將逐漸走向多模態數據融合的四維心血管可視化模型。通過多種技術方法將心臟CT、MRI、超聲、心電圖、心導管等影像及非影像數據匹配融合，形成一個動態的四維心血管結構和功能可視化模型，相關參數既是定量的，也是直觀可視化的，從而更好地為醫師診治提供更全面且直觀的信息，做出更個體化和精準化的治療決策。同時，這種定量且可視化的載體形式也將更有利于人工智能模型進行訓練學習，有利于實現更高水平的SHD智能評估。
3D技術的革新在于心血管影像檢查設備的創新研發。由于空間和時間分辨率有限，目前心血管影像檢查無法完全顯示或分辨心血管組織的精細結構，例如瓣膜、腱索、纖維化心肌、冠狀動脈（冠脈）斑塊等。目前有研究[32]表明，新一代超高分辨率CT已經將空間分辨率提高至150～200 μm；光子計數CT的空間分辨率可達250 μm，且組織對比度更好，檢查輻射劑量也更低；而相位CT的分辨率更是遠超目前CT精度，可達10 μm，組織分辨率更好。這些新一代CT檢查理論上都可以清晰顯示瓣膜、多級腱索、冠脈斑塊等，更有望從組織病理學角度分辨纖維化心肌[33]、傳導束[34]等不同于普通心肌的組織結構。另外，超高分辨率MRI也有了進展，杜克大學團隊[35]利用超高場強（9.4 T）的MRI掃描儀結合超高性能計算機完整掃描出小鼠大腦，空間分辨率達15 μm，這種極致的分辨率，可供研究者觀察大腦細胞和神經。以上這些新型檢查設備尚在研發階段，如何將此類硬件設備研發到臨床可用水平，具備安全、有效、成本可控等特性，是目前正在攻克的難題。將來一旦這些新型設備投入臨床使用，通過更全面的3D模型顯示，將大大提升SHD的精準化和個體化診療水平，甚至改寫診療指南。
4 總結
由于3D技術的天然優勢，將其常規應用于SHD輔助診療中已是大趨勢，這也是人工智能、大數據等新技術應用于SHD輔助診療領域的趨勢。這些技術將在未來SHD的診療中發揮舉足輕重的作用，作為醫療一線人員，我們需要全面擁抱新技術，也要聯合研究機構、公司企業等多方進行技術整合和醫工結合研究，將更多新技術適配且落地于臨床，實現SHD整體醫療水平的跨越式提升。
利益沖突：無。
作者貢獻：莊建負責論文設計、撰寫和審核；袁海云負責部分文獻總結和論文內容修改；邱海龍負責插圖制作和論文內容修改。
結構性心臟病（structural heart disease，SHD）泛指任何與心臟及其毗鄰血管結構異常的心臟疾病，包括先天性疾病、瓣膜疾病、心肌病等[1]，具有解剖結構復雜、異質性強、個體差異大的特點，傳統醫學二維影像難以直觀地將解剖信息傳達給醫師，因此三維（three-dimensional，3D）模型這種更全面、直觀的顯示方式逐漸被應用[2]。基于3D超聲、計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等醫學影像數據進行3D重建，可得到3D數字模型，然后可以根據需要，通過3D打印得到實體模型，也可以轉換格式輸入不同設備實現虛擬現實（virtual reality，VR）和混合現實（mixed reality，MR）顯示（圖1）。這些不同的3D模型，可全面、直觀地顯示心臟大血管的形態、大小、位置、方向、關系等復雜的解剖結構細節，從而輔助臨床診療。本文將對3D技術在SHD領域的應用進展進行述評，同時對其未來發展做出合理展望。
圖1
心血管3D重建及3D模型生成流程及模型示意圖
VR：虛擬現實；MR：混合現實；3D：三維
1 三維技術在結構性心臟病的應用正在走向規模化和標準化
近年來，3D技術越來越廣泛地被應用在SHD的臨床輔助診療中。第一，應用單位廣泛，除了國外多個國家均有單位報道了相關應用之外，國內也有越來越多單位報道了相關應用，涵蓋但不限于國內多個大中心。第二，應用的病種范圍越來越廣泛，除了包括多種先天性心臟病（先心病），例如右室雙出口[3]、大動脈轉位[4]、單心室[5-6]、肺動脈閉鎖合并室間隔缺損合并粗大側支血管[7]、冠狀動脈瘺與冠狀動脈起源異常[8]、房/室間隔缺損介入封堵手術[9-10]等，還包括肥厚型梗阻性心肌病[11]、瓣膜介入手術評估[12-13]、心臟腫瘤[14]、主動脈夾層[15]等成人SHD。第三，應用貫穿整個診療流程，包括疾病診斷[16-17]、術前評估與手術規劃[18-20]、醫患溝通、術中導航[21-22]、教育培訓[23]等，且有研究24]表明，3D打印模型對部分復雜先心病的治療決策選擇有明顯影響。
隨著部分大中心的常規應用，應用病種的數量及總例數均在穩步上升，規模逐漸增大，應用流程也逐漸走向標準化。以廣東省人民醫院為例，即使是處于新冠疫情期間的2022年，臨床應用3D技術輔助診療的SHD例數超過250例，而在2017—2022年間，總應用例數已超過1 000例，涵蓋了SHD的多數病種。在規模增大的同時，軟/硬件、場地和人員等各類資源被逐漸整合，促使從確定重建到重建完成及交付應用的3D技術服務與應用流程也逐漸走向標準化（圖2）[25]，可穩定且高效地為臨床診療提供幫助。《2020年歐洲心臟病協會成人先天性心臟病指南》[26]也首次提及，基于心臟CT/MRI 3D重建的VR和3D打印模型可以用于模擬和規劃手術。在國內，得益于多個大中心的示范應用以及舉辦培訓班、學術會議和技術指導等推廣活動，其他心臟中心逐漸了解并接受常規應用3D技術輔助診療。從行業層面上看，醫學3D技術服務公司越來越多，規模越來越大，相關專業人員也在增多，包括建模工程師、硬件維護工程師、后處理工程師等，這有利于更多心臟中心獲得良好的3D技術服務支持，有助于SHD整體醫療水平的提升。
圖2
3D可視化外科診療流程（橙色線條）和傳統外科診療流程（藍色線條）對比
a：CT多平面重建分析心血管解剖結構；b：包含胸廓的容積再現；c：不包含胸廓的容積再現；d～f：術前應用VR模型的切片、旋轉和分體顯示等功能進行病情評估；g～h：應用VR和3D實體模型進行手術規劃；i：通過Hololens眼鏡上的虛擬心臟和真實心臟擬合確定主-肺側枝血管的位置；j：通過觀察放置在手術臺上的3D實體模型進行解剖復習；VR：虛擬現實；MR：混合現實；3D：三維
但是目前3D技術在SHD的應用仍然面臨著一些問題。第一，如何定量評估3D技術在SHD的臨床應用價值是長久以來的難題，很難設計前瞻性對照研究來進行評估，目前仍然是根據技術原理、專家意見等方面定性評估。第二，盡管目前3D技術服務費已較前明顯降低，但是對于患者而言仍然是一筆不菲的自費費用，相關單位需繼續梳理流程，進一步降低技術成本，逐步形成明確的應用病種范圍與應用條件，避免濫用。第三，目前3D打印模型與真實心血管組織的物理性能相差甚遠，材料研發需要大力推進，爭取早日打印出高仿真物理性能的心血管模型。第四，盡管在國內外均有單位將VR、MR等顯示設備投入SHD的臨床診療中[8,10,16,25,27]，但是這些設備比較笨重，使用不便，更難以長期在術中使用，不過隨著多個科技巨頭公司對于“元宇宙”相關的VR、MR軟/硬件的大力研發改進，在不久的未來即有可能解決這個問題。
2 三維技術是結構性心臟病診療實現智能化的重要基礎
3D技術是SHD診療實現智能化的重要基礎之一。面對SHD患者，目前的診療過程可以大致分為3步：（1）圖像建模和診斷，即通過影像（CT、MRI、超聲等）在大腦中形成3D重建，并與正常結構進行對比，并結合其他數據，進行分析和診斷；（2）疾病評估與決策，即結合指南以及過往經驗評估病情和治療風險，并做出治療決策；（3）實施治療，包括外科手術、藥物治療等。對于第1步，由于目前有基于二維圖像進行3D重建的智能算法，也有能識別3D模型的深度學習算法，因此未來有望真正實現智能建模和診斷。廣東省人民醫院團隊已經訓練得到了17種先心病的智能重建和診斷模型，準確率高于80%，目前已應用于部分臨床病例[28]，正在進行軟件部署和流程優化，近期將率先實現智能化程度較高的重建和診斷，并進行更大樣本量、多中心的臨床驗證。對于第2步，以往通過比較基礎的規則設定或者通過過往的統計分析結果，可以實現簡單的評估，目前有了精準的3D模型，結合可以同時分析多模態數據的深度學習算法，可實現更加類人化的智能評估。廣東省人民醫院團隊前期建立了完全性肺靜脈異位引流患者的影像加臨床機器學習預測模型，用于預測術后肺靜脈梗阻，敏感度、陽性預測值、受試者工作特征曲線下面積分別達0.828、0.864和0.943[29]。對于第3步，由于需要更高級且復雜的與真實世界交互的算法模型和硬件設備，暫時還很難實現智能治療，尤其是智能外科手術。
3D技術也是其他輔助診療技術臨床落地應用的重要基礎。第一，3D技術可以支撐真實病例進行精準的計算機血流動力學分析與模擬，輔助醫師選擇最優方案[30-31]。第二，3D打印實體模型已經可以供醫師在術前進行手術模擬，當材料性能足夠仿真時，還可以在體外模型進行血流動力學模擬，以預測或驗證手術效果，目前已有研究者[31]用于驗證二尖瓣術后的血流動力學，以預測左心室流出道梗阻。第三，未來的生物3D打印心血管組織或器官，也一定是基于真實病例個體化和精準化的心血管結構3D重建模型進行。
3 三維技術的未來發展與革新
未來，3D技術在SHD領域的應用載體，將逐漸走向多模態數據融合的四維心血管可視化模型。通過多種技術方法將心臟CT、MRI、超聲、心電圖、心導管等影像及非影像數據匹配融合，形成一個動態的四維心血管結構和功能可視化模型，相關參數既是定量的，也是直觀可視化的，從而更好地為醫師診治提供更全面且直觀的信息，做出更個體化和精準化的治療決策。同時，這種定量且可視化的載體形式也將更有利于人工智能模型進行訓練學習，有利于實現更高水平的SHD智能評估。
3D技術的革新在于心血管影像檢查設備的創新研發。由于空間和時間分辨率有限，目前心血管影像檢查無法完全顯示或分辨心血管組織的精細結構，例如瓣膜、腱索、纖維化心肌、冠狀動脈（冠脈）斑塊等。目前有研究[32]表明，新一代超高分辨率CT已經將空間分辨率提高至150～200 μm；光子計數CT的空間分辨率可達250 μm，且組織對比度更好，檢查輻射劑量也更低；而相位CT的分辨率更是遠超目前CT精度，可達10 μm，組織分辨率更好。這些新一代CT檢查理論上都可以清晰顯示瓣膜、多級腱索、冠脈斑塊等，更有望從組織病理學角度分辨纖維化心肌[33]、傳導束[34]等不同于普通心肌的組織結構。另外，超高分辨率MRI也有了進展，杜克大學團隊[35]利用超高場強（9.4 T）的MRI掃描儀結合超高性能計算機完整掃描出小鼠大腦，空間分辨率達15 μm，這種極致的分辨率，可供研究者觀察大腦細胞和神經。以上這些新型檢查設備尚在研發階段，如何將此類硬件設備研發到臨床可用水平，具備安全、有效、成本可控等特性，是目前正在攻克的難題。將來一旦這些新型設備投入臨床使用，通過更全面的3D模型顯示，將大大提升SHD的精準化和個體化診療水平，甚至改寫診療指南。
4 總結
由于3D技術的天然優勢，將其常規應用于SHD輔助診療中已是大趨勢，這也是人工智能、大數據等新技術應用于SHD輔助診療領域的趨勢。這些技術將在未來SHD的診療中發揮舉足輕重的作用，作為醫療一線人員，我們需要全面擁抱新技術，也要聯合研究機構、公司企業等多方進行技術整合和醫工結合研究，將更多新技術適配且落地于臨床，實現SHD整體醫療水平的跨越式提升。
利益沖突：無。
作者貢獻：莊建負責論文設計、撰寫和審核；袁海云負責部分文獻總結和論文內容修改；邱海龍負責插圖制作和論文內容修改。
