3D打印、計算機建模和人工智能在結構性心臟病中的應用展望(2)
時間：2022-02-09 20:21 來源：馬克醫(yī)療 作者：admin 閱讀：次
3D打印在左心耳封堵術中的應用
左心耳（LAA）封堵早期臨床試驗和可行性研究中，3D打印技術的作用并不突出；然而在LAA封堵器械在各大醫(yī)院推廣應用后，大家很快發(fā)現(xiàn)，未開展3D打印技術的醫(yī)院，初學者在確定器械尺寸和植入操作技巧方面存在明顯學習曲線[14]。3D打印左心耳模型使得術者對左心耳的大小、成角、受力區(qū)域及其周邊組織的結構情況理解更透徹。此外，3D打印技術應用于LAA封堵術圍術期規(guī)劃能夠幫忙醫(yī)生確定各種型號器械在不同左心耳解剖結構中的錨定部位，選擇最佳的器械、尺寸以及導管（圖6）。
圖6 左心耳3D打印模型
3D打印在經導管三尖瓣修復/置換術中的應用經導管三尖瓣介入治療是SHD介入領域的熱點方向之一[15]。由于三尖瓣復合體結構復雜，瓣環(huán)、瓣葉、腱索、乳頭肌等結構因人而異，傳統(tǒng)影像學方法在評估右心解剖和三尖瓣復合體方面略顯不足，而3D打印能很好地解決這一難題。Muraru等[16]證實3D TEE可作為正常/異常的三尖瓣瓣葉、瓣環(huán)結構的3D打印數(shù)據(jù)來源，用于手術策略的規(guī)劃。Harb等[17]利用多模態(tài)影像數(shù)據(jù)（CT、3D TEE和CT結合、MRI和CT結合數(shù)據(jù)等）構建了一系列3D打印右心模型，對三尖瓣解剖形態(tài)進行了詳細評估，重點關注三尖瓣與周圍組織結構的相互作用，優(yōu)化手術規(guī)劃（圖7）。Cabasa等[18]使用3D打印的右心模型，體外模擬Sapien XT瓣膜植入三尖瓣。
圖7 三尖瓣和右心的3D重建結構模型
對患者的教育指導在圍術期期間，3D打印的實用價值不僅僅局限于術前規(guī)劃。通過3D打印模型可增強醫(yī)生與患者之間對治療方式選擇的討論質量、提升患者參與度和滿意度。傳統(tǒng)的術前知情同意需要患者對醫(yī)生所描述的2D圖像進行理解，而在患者教育中早期使用3D模型則大大提高了患者對手術的理解和反饋。
目前3D打印的局限性
理想情況下，心血管3D打印模型應能夠同時展現(xiàn)活體器官的解剖特征和生物特性。對于體外測試和/或手術模擬，3D打印模型最好能模擬心臟在整個心動周期中的動態(tài)變化；然而，目前材料尚無法滿足模擬心臟的非線性和各向異性表現(xiàn)。為了能夠使3D打印更好地模擬器官的形態(tài)和生物特性，必須對3D打印材料做進一步深入研究。
計算機建模概述
靜態(tài)的3D打印模型能夠大大縮短研發(fā)部門從介入治療理念提出到臨床應用的周期。此外，最新的靜態(tài)3D打印技術可以在模擬患者自身血流動力學條件下，對介入瓣膜及其輸送系統(tǒng)進行體外測試（圖8）。然而，3D打印模型無法模擬心臟的生物力學特性、組織形態(tài)變化、血流動力學以及它們之間的交互作用。
圖8 3D打印模型在介入瓣膜體外模擬中的應用
注：A-1：CT獲取原始數(shù)據(jù)；A-2：在3D打印的主動脈根部模型釋放TAVR瓣膜；A-3：測量瓣環(huán)各處徑向受力情況；A-4：預測術后瓣周漏情況；B-1：將3D模型連接到搏動血流模擬器上；B-2，3：核磁和超聲檢測血流狀態(tài)以及瓣葉活動度。
圖9 計算機建模及心臟血流動力學情況展示
計算機建模通常可以通過有限元分析（FEA）和計算流體力學（CFD）等數(shù)值分析方法進行心臟形態(tài)和壓力的量化分析，從而展示心臟血流動力學情況（圖9）[19]。但計算機建模非常耗時，一般需要數(shù)小時到數(shù)天，費用較高，而且對建模簡化過程中所采用簡化方法和假設十分敏感。有些研究將左室心內膜假設為光滑的表面，而這種假設會導致心室內血流動力學評估出現(xiàn)偏差。Kulp等[20]通過對3D打印的心內膜表面補充分析肌小梁的結構，進一步完善了心室內血流的CFD模擬。結果顯示，心內膜肌小梁結構對左室血流動力學有重要影響，心衰時會引起血流停滯。目前，能夠用于臨床的計算機建模工具（如FEA、CFD）較少，而且該技術的實施需要特殊的編程/工程技術，因此多在科研機構中使用。在臨床工作中，已實現(xiàn)在計算機建模心臟解剖結構的基礎上進行介入瓣膜的模擬植入，確定最佳瓣膜尺寸和植入深度（圖10）[12,13]。在TMVR術前也可以對neo-LVOT進行評估，TMVR術后的LVOT阻塞不僅取決于neo-LVOT的解剖結構，也取決于左室血流動力學狀態(tài)（圖11）。
圖10 計算機模擬植入介入瓣膜
圖11 運用CFD評估TMVR術后的LVOT梗阻
人工智能在結構性心臟病中的作用
人工智能（AI）技術，或稱機器學習，能夠從大量的臨床數(shù)據(jù)中解讀出極為復雜的內在規(guī)律，在醫(yī)療行業(yè)應用前景廣闊。如前文所述，SHD領域涉及大量臨床數(shù)據(jù)參數(shù)（包括正在使用、未使用以及尚未測量的數(shù)據(jù)），3D結構可視化未達標準，4D生理機能在不同年齡、性別、種族的患者間存在顯著差異。而人工智能（AI）技術可以有效解決上述問題，在提高患者醫(yī)療服務質量的同時降低醫(yī)療費用。
AI技術助力SHD介入治療
AI與3D打印技術相結合，可以打印出個體化解剖模型，進而促進精準醫(yī)療。Engelhardt等通過使用深度神經網絡從腔鏡視野中學習術中關鍵操作和步驟，展示了AI強大的微創(chuàng)手術培訓能力。計算機網絡可從腔鏡二尖瓣修復手術中獲取其關鍵特征（包括紋理不均的組織結構、血流情況、器械以及縫線使用等），從手術模擬中獲取其顯著特征（如瓣膜復制品的硅膠表面、器械以及縫線使用等）。AI訓練的目的就是通過學習實際手術和模擬手術兩者之間的映射聯(lián)系，使得模擬手術的操作視野更接近于實際操作視野。該方法被稱為“超現(xiàn)實主義”，是增強現(xiàn)實的一種形式，即通過產生原始圖像中本不存在細節(jié)的模擬現(xiàn)實，來實現(xiàn)比真實手術更為真實的渲染效果，進而達到提升手術訓練質量的目的[58]。圖12展示了使用二尖瓣人工硅膠瓣膜進行介入手術訓練的超現(xiàn)實主義。
圖12 AI技術將模擬的術中影像優(yōu)化得更加逼真
AI技術在介入醫(yī)生和介入影像醫(yī)生培訓中的應用基于超現(xiàn)實主義和AI模擬在醫(yī)療器械培訓中展現(xiàn)出的潛在適應性，使得未來它們可能成為新技術蓬勃發(fā)展的基礎。通過在手術模擬中集成完整的心臟瓣膜模型，AI技術能明顯提升術者對手術器械操作和術中技術應用的信心[21,22]。在深度學習框架中，將AI應用于術中TEE處理，允許計算機對自動客觀獲得的TEE圖像進行質量評估和反饋。例如，在TAVR培訓的過程中，計算機通過對于術者手術操作和器械操作的自動化評估已經發(fā)現(xiàn)了某些客觀指標（如新手和專家在操作時間、速度、加速度等方面的差異）是可被計算機復制的[22]。未來，實時3D-TEE數(shù)據(jù)與機器學習和AI的結合，將有助于提供更客觀有效的介入影像醫(yī)師和術者培訓模式。
AI技術的其他應用
AI可用于上傳、共享和檢索全球眾多外科醫(yī)生和介入醫(yī)生手術視頻、術中影像和電子病歷[23]，創(chuàng)建出一個旨在提升醫(yī)師實踐技術水平的綜合數(shù)據(jù)庫。推進機器學習和AI技術的潛在好處是能夠優(yōu)化并生成更多的來源于實時3D TEE成像的瓣膜模型（圖13）。而且AI可以幫助識別罕見的解剖結構并整合圍術期各種臨床數(shù)據(jù)（圖14）。
圖13 對3D打印進行實時色彩渲染
注：A：實時3D TEE影像；B和C：AI通過對3D TEE影像進行色彩渲染，可清晰顯示二尖瓣收縮期和舒張期P2區(qū)域腱索斷裂和瓣葉脫垂；D：該病例的術中影像。
圖14 現(xiàn)代化醫(yī)療模式
注：將3D打印技術、手術模擬、流體建模和AI整合，是將來臨床培訓、器械研發(fā)和精準醫(yī)療的重要發(fā)展方向。需要解決和克服的技術挑戰(zhàn)
當前，AI在實際應用中的主要挑戰(zhàn)是大量非結構化臨床數(shù)據(jù)的存在。數(shù)據(jù)收集的基礎是合適的源圖像、服務器之間文件轉換的兼容性，以及直接上傳到“學習云”的效率。一旦上傳的數(shù)據(jù)被整合到“學習云”中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)集中，AI算法將被激活和改進，新數(shù)據(jù)將被用來組成更精簡的流程。隨著新數(shù)據(jù)集被添加到其訓練集中，AI 算法也將變得更加準確和高效。
結論
在SHD介入治療中，3D打印、計算機建模和人工智能均有重要作用。早期應用這些技術可以明顯縮短新器械、新技術的學習曲線。未來的計算機建模和深度學習應用將需要將患者術中情況和患者數(shù)據(jù)安全地整合到患者病歷和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集和共享平臺中。未來的多模態(tài)心血管成像需要將心血管臨床知識與生物醫(yī)學工程以及計算機軟件開發(fā)的各類知識不斷結合，這將不再僅僅是一個臨床醫(yī)生就能夠完成的。
致謝：感謝西安馬克醫(yī)療科技有限公司提供影像學素材及技術支持！
(責任編輯：admin)
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