3D打印技术在先天性心脏病(CHD)的诊断和指导治疗方面已经取得了很好的效果。计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)被用做数据源，建立心脏立体模型，已经较成熟应用于临床。利用非侵入性的检查技术，如三维超声，获得数据源进行三维打印模型，可以为CHD的诊疗计划带来改变。现就以不同数据源的3D打印技术在CHD诊疗中的研究进展作一综述。
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在过去的十多年中，人们对3D打印技术领域的兴趣越来越浓厚，这些立体模型能够重现心脏和大血管的复杂异常结构。先天性心脏病(CHD)病理多种多样，患者个体之间具有高变异性，因其广泛的变异范围而具有挑战性，这就需要影像学提供解剖学结构异常，并制定个性化治疗方法。计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)、二维超声心动图和数字减影血管造影(DSA)等二维成像是目前诊断和评估病情的主要工具，3D立体心脏模型使得CHD解剖结构直观，可提高术前诊断准确率和治疗效率。目前3D打印数据源主要是CT和MRI，近几年随着超声机器及技术的发展，三维超声心动图(3DE)应用更加成熟，三维容积图数据处理软件不断改进，已经实现以3DE为数据源，进行打印心脏模型，3DE具有动态瓣膜清晰、价格相对较低、可以将机器推至床旁、无辐射、易重复等特点，因此逐渐被更多研究和应用[1]。现就3D打印技术在CHD中的研究进展进行综述，总结其在临床诊断和治疗中的应用，尤其是在术前评估和手术方案制定中的作用。
利用3D打印技术进行心脏模型打印，对CHD解剖畸形结构立体再现，促进医师对疾病有更加精准的立体化、可视化理解，从而进行更充分的术前准备，降低风险并减少手术时间。术前评估很关键，可在物理模型上模拟手术，减少不必要的麻烦，这对促进医疗发展有重要意义[2]。复杂CHD具有广泛的变异性，CT、MRI、超声心动图和DSA等二维成像难以展现真实的心血管结构，3D打印技术可根据心脏CT、MRI及3DE，打印立体心脏及血管系统模型，提高术前诊断的准确性[3]。以往主要运用CT、MRI获取数据，进行3D打印立体模型，随着超声成像技术发展和临床需要，在获取数据源上又取得了突破性进展，近些年越来越多的研究利用3DE数据，将获取的数据经相关软件处理后，进行三维重建物理模型，对CHD的诊治有很大帮助[3]。
Ngan等[4]通过将心脏CT图像处理后，3D打印6例有肺动脉狭窄、室间隔缺损(VSD)、主肺侧枝形成复杂CHD患儿的心脏模型，更准确提示主肺侧枝形成情况，利于介入或手术治疗方案的制定。Jacobs等[5]报道通过3D打印心脏模型用于模拟切除左心室室壁瘤及右心室肿瘤。手术证实3D打印心脏模型可准确定位肿瘤和心肌的关系，帮助制定手术方案，降低心功能受损，提高手术成功率，改善预后，提高患者术后生活质量。Hadeed等[6]以心脏CT图像为数据源，3D打印复杂CHD患儿的心脏模型4例，其中包括法洛四联征1例、右心室双出口(DORV)1例、永存动脉干1例和主动脉缩窄合并VSD 1例，通过应用3D打印技术，模型更准确提示心内畸形情况，利于手术治疗方案的制定。Aroney等[7]报道了1例右冠状动脉-左心室瘘患者，超声心动图提示右冠状动脉增粗，行CT提示右冠状动脉扩至20 mm，3D打印出心脏模型，立体模型准确清晰的显示瘘管复杂解剖结构，突出瘘管直径大小、走行路线和远端进入左心室位置。为疾病诊断和治疗方案制定提供更准确依据。Yim等[8]收集DORV的心脏CT数据，然后进行打印三维心脏模型，最后对3D打印技术在DORV的临床和外科治疗中的重要意义进行了探讨。Sahayaraj等[9]通过以心脏CT为数据源，3D打印先天性纠正型大动脉转位心脏模型，心脏模型的精确形态学特征和尺寸与实际长度、角度和空间方向相匹配，极大地帮助了外科规划，特别是对最复杂的心脏病变。Dankowski等[10]将心脏CT图像后处理后打印出3D心脏模型，用于模拟二尖瓣成形术，术中证实打印模型精确显示了瓣膜畸形结构，为探查节约时间，减少体外循环时间，并提高手术成功率。
在国内，3D打印技术起步较晚，花中东等[11]对DORV患儿模型数据分析并进行研究，打印3D心脏模型，在3D打印技术指导下，12例远离型DORV的患者经历治疗决策、手术模拟并最终完成外科手术矫治。杨帆等[12]团队较早开展相关研究，收集25例继发孔型房间隔缺损(ASD)患者，均行血管造影(CTA)检查。25例ASD模型均制作成功。对7例多孔型ASD采用ASD封堵器介入治疗成功，4例下腔型ASD采用动脉导管未闭(PDA)封堵器封堵成功，其余病例由于缺损直径过大或结构特殊未行介入治疗。对于较为复杂的ASD可通过术前模拟介入治疗以提高手术成功率。庞英等[13]对1例下腔型ASD患者应用3D打印技术制造出心脏模型，发现常规ASD封堵器无法起到封堵效果，最终选择尝试了PDA封堵器，为手术做好术前评估和预测，减少不必要的手术探查时间并提高手术成功率，3D打印给该患者带来了个性化最优治疗方案，也成为封堵史的一个突破。
国外有一些相关报道，Valverde等[14]对2例复杂CHD的患儿行MRI检查后，成功打印了3D模型。1例为1.5岁患有大动脉转位、VSD、肺动脉狭窄患儿在1月龄时行体-肺动脉分流术，为术前制定手术方案提供可视化立体模型，帮助制定手术方式，最后确定为Nikaidoh术，通过主动脉瓣下处切割面，观察VSD位置、形状、大小和确定心内补片位置。术后6个月随访，患儿无左侧流出道梗阻、心功能正常。另1例为15岁主动脉缩窄并弓发育不良患儿，以心脏MRI图像为数据源，使用相对柔性和硬质的材料，打印立体模型，利用3D打印模型模拟了主动脉弓发育不良的血管内支架放置，并通过MRI和血管摄影术获得了良好的一致性，并对手术前的设备选择进行了辅助。选用最佳手术方案和减少手术时间。Schievano等[15]以心脏MRI为数据源，打印了12例可能需行经皮肺动脉瓣植入术(PPVI)患者心脏模型，3D模型改善了PPVI术前准备，根据MRI图像或三维心脏模型，对患者的PPVI指征进行了正确的判断。2名研究者均正确地使用3D模型确定了5例患者的适用性，提高手术成功率。
在国内，胡立伟和钟玉敏[16]报道1例VSD合并肺动脉闭锁患儿，行1.5T MRI检查，3D打印出患儿心脏模型，可以更加直观地显示心内解剖结构，并用特定游尺测量VSD的大小、位置与大动脉的相互关系和距离以及肺动脉闭锁的立体显示，为最佳手术方案制定提供帮助。
在目前国内外的研究中，来源于超声的数据仍然很少，3DE的数据重建则应用时间较短并且逐渐成熟，3DE重建时间较短、效率高，近几年其成像角度及时间分辨率有了较大的提高，由于矩阵三维超声探头的研制进步，以及3DE采集后的后台提取和处理技术的提高，为以3DE为数据源的心脏打印提供精准度更高的医学数字影像和通信(DICOM)图像，部分三维快速打印公司对相关研究提供大力研究支持，其研究团队研发了相关软件，使打印的质量越来越高。
在国外，Olivieri等[17]报道了使用3DE数据打印心脏模型，打印出8例VSD和1例主动脉瓣瓣周漏患者的心脏模型，并将心脏模型的数据进行测量，帮助制定CHD手术制定。Samuel等[1]使用3DE图像打印出ASD心脏模型，该模型可精确显示ASD的大小、位置及其与其他结构的空间关系，在CHD手术和介入术前的评估和制定治疗方案中有重要优势。以TEE为数据源的3D打印的技术特点进行研究，特别对3DE图像的采集、去除伪影、旋转方向的选择及3D打印模型的后处理技术进行总结，对心脏房室瓣及心室的成像方法及与二维超声图像对比，提高临床诊断的准确性并提供精准治疗[18,19]。Muraru等[20]报道了通过收集经胸三维超声心动图(3D-TTE)数据打印出三尖瓣立体模型5例(正常三尖瓣1例，三尖瓣反流4例)，结论是3D-TTE数据的三尖瓣3D打印是可行的，具有高度保守的保真度。这种技术有可能迅速融入临床实践，以辅助决策、手术计划和教学。Scanlan等[3]以3D-TTE为数据源3D打印二尖瓣、三尖瓣和共同房室瓣，使用这种模型对儿童瓣膜修复的患者特异性模拟，对复杂CHD的外科训练和模拟有帮助。3D模型允许形态和定量分析瓣膜的几何形状。三维超声系统能够提取心脏结构的三维坐标，并将超声数据转换成3D可打印的文件格式，这将使3D打印在临床和研究上变得更容易和更快。
在国内，梅丹娥等[21]以经食道3D-TEE为数据源，3D打印ASD模型20例，3D打印模型中术前演练效果较好，3D-TEE图像可作为3D打印的数据源，基于超声技术3D打印ASD模型精准度较高，有望为3D打印技术的临床应用提供依据。Zhu等[22]以3D-TTE为数据源，3D打印44例模型，其中包括结构性心脏病患者12例，其中二尖瓣脱垂4例，心内膜垫缺损2例，风湿性二尖瓣狭窄2例，继发性ASD 2例，法洛四联症1例，VSD 1例，32例无结构性心脏病患者作为阴性对照，以3D-TTE为数据源的3D打印心脏模型为结构性心脏病患者术前评估和决策提供必要的信息。
Ryan等[23]通过心脏CT和MRI图像后处理后3D打印1例肺动脉狭窄、VSD、主肺侧枝形成复杂CHD患儿的心脏模型，指导介入方案的制定。Gosnell等[24]使用心脏CT和3DE对心腔血池和瓣膜分别成像，并通过软件后处理进行拼接处理，获得了心脏融合成像的模型，3D打印心脏的是1位55岁复杂先天性心脏病(大动脉转位VSD肺动脉闭锁)患者，术后多年并发多个房室瓣膜的病变，3D－TEE评估房室(主动脉瓣)瓣膜的形态和功能，三尖瓣轻度反流，主动脉瓣膜中－重度反流，以及二尖瓣重度反流，结合较高分辨率的CT，对心脏其他组织进行成像，最后相互结合完成心脏三维重建并打印出心脏模型。经过他们的探索，证明了这种创新技术的可行性，CT、MRI和3D－TEE的影像数据进行结合，有利于发挥不同影像检查的优势，打印出更精确的心脏模型。
邱旭等[25]采集21例多发ASD患者的CT和3DE，多数据源3D打印制作心脏模型。利用3D模型进行模拟封堵，确定最佳封堵方案，在经胸超声引导下行ASD经皮封堵术，为多发ASD的个体化介入治疗提供了新思路。
随着3D打印技术的快速进步，已经发明了许多3D打印机。在组织工程和再生医学的最新进展的启发下，3D打印已经成功地应用于组织生物制造。生物打印被定义为生物材料和活细胞的快速叠加成型，它允许在一个期望的结构中组织多种类型的细胞[26,27]。利用这种技术，可以创造出具有异质细胞植入和血管结构的组织结构，有希望通过对活细胞和生物材料的3D生物打印来制造临床应用的人工组织和器官，如骨骼、皮肤和软骨。Duan等[28]利用不同的生物材料打印出主动脉瓣，为瓣膜置换提供新的策略。尽管3D生物打印技术在组织工程领域得到了广泛的关注，但仍有一些重大的工程挑战需要克服，包括缺乏生物相容性和可打印性。Kim等[29]展示了一种由丝纤维蛋白制造的生物墨水可用3D生物打印的原料。这种生物墨水能够构建高度复杂的器官结构，包括心脏、血管、大脑、气管和耳朵，结构稳定性好，生物相容性可靠，可根据具体的生物要求应用于组织和器官工程。3D打印技术在医学领域的应用可加速人造人体器官的进展。2017年，瑞士联邦理工学院的研究人员使用3D打印技术，打印了一个几乎像真实心脏一样跳动的硅胶心脏，这个打印心脏持续了约3 000次搏动，30～45 min[30]。该研究项目表明，未来有望解决器官来源问题。
3D打印技术在国内仍属于新兴学科，还有很大发展空间，还存在很多问题，如技术、人员和费用方面。(1)3D打印技术目前还处于发展阶段，3D打印基于影像学的水平，先进的影像检查设备，可以提供更好的图像数据源，处理图像的软件及3D打印机都需不断改进，以提高打印的精准度。(2)人员方面，从事研究的人员理论知识还比较落后，不能很好的结合临床知识和手术操作程序，提供相关原始数据，未能满足打印精确的结构的需要，需要专业熟练的影像科医师和临床医师合作，专业人员水平也需提高。(3)费用问题也是限制3D打印技术在先天性心脏病诊疗中普遍应用的原因之一，目前打印一个心脏模型约3 000元，随着国产打印模型的普遍开展，比如需要更多的工作来实现图像分割过程的自动化和标准化，以降低人员成本，并允许可重复的结果，费用会进一步降低。(4)材料学问题，3D打印所需材料要求高，原材料有限，这是价格成本较高的原因之一，因此，材料学的研发进展也对3D打印材料选择产生很大影响。三维超声的数据质量仍主要依赖操作者的专业知识和经验，加之超声成像原理较CT和MRI有很大不同，分割软件和技术也较为不成熟，重建数据质量也有较大误差。食道超声离心脏较近，也被应用于3D打印技术，但经食道超声需要麻醉，费用较贵，而且患儿较小时，3D探头不易进入食道，同时患儿较小时，肋间隙较窄，探头超声不易通过，也会影响成像效果，影响三维影响数据采集，这也有赖于医疗器械的研究发展。
3D打印技术经过近十几年的快速发展，现逐渐成为构建医学辅助模型的重要技术手段，其在医学诊断、手术方案设计、临床医学教学[31,32,33,34]中都有广泛的应用，在生物组织器官打印方面也有很大进展。3D打印是很好的工具，其克服了传统的2D/3D成像方法的一些局限性，提供了一个有形的、物理的方法，最近的技术使不同年龄段的CHD模型都能得到高质量的三维打印。这些模型可用于外科手术或经皮介入的CHD治疗，取得了满意的效果。目前，在CHD中使用这些模型的经验仍然局限于案例报告或小型研究。对三维打印模型在血管介入和外科手术治疗中进行更多的研究是有必要的。同时不断发展的可视化软件解决方案可以生成全息3D模型，因此充当"虚拟"3D打印，这与3D打印有很大的互补性，低动态渲染和切割平面，以优化视角[35]。
所有作者均声明不存在利益冲突
