心臓領域における超音波データに基づく3Dプリント技術の応用の進歩

3Dプリンティング技術は、3次元デジタル画像を使用して材料（プラスチック、樹脂、金属）を重ねて3次元オブジェクトを作成する新しい最先端技術です。ラピッドプロトタイピング技術または積層製造技術とも呼ばれます。医療用画像の急速な発展と材料加工産業の段階的な成熟に伴い、3Dプリント技術は徐々に医療産業に応用されてきました。現在、整形外科、歯科、形成外科、バイオエンジニアリングの基礎研究に主に使用されています。しかし、心血管疾患の特殊性のため、心臓分野での臨床応用はまだ初期段階にあります。
3D 印刷技術には、主に画像の取得、モデリング、物理的な印刷という 3 つのステップが含まれます。 3D プリント技術を使用して画像を取得する重要な手段の 1 つとして、心エコー検査は心臓の構造と機能の評価において重要な利点を持っています。超音波データに基づく 3D プリント技術は、心臓病モデルを構築して術前評価、医療機器設計、血行動態シミュレーション、医療教育を実現し、臨床医により正確で直感的な情報を提供することができます。この記事では、心臓分野における超音波データに基づく 3D プリント技術の応用の進歩についてレビューします。

1. 3Dプリント技術と3次元心エコー検査
3D プリントで最も重要なステップはモデルを構築することです。現在、研究用途で使用される画像データは、主に CT または MRI を通じて作成されています。しかし、CT 検査は放射線を伴い、費用がかかり、患者によっては造影剤にアレルギーがある場合もあります。また、MRI 検査は時間がかかり、患者の選択性も高くなります。したがって、心臓領域における CT または MRI に基づく 3D プリント技術の臨床応用には、一定の制限があります。 3次元心エコー検査は新しい超音波画像診断法で、その測定値はCTやMRIの測定値と高い相関性があり、心臓機能や弁の動きを画像化する上でCTよりも多くの利点があります。

近年、3次元心エコー検査は、心臓介入手術中のリアルタイムモニタリングや術後評価において大きな価値を持っています。 3D心エコー検査と3Dプリント技術を組み合わせることで、実際の3次元構造を構築でき、心臓の構造を直感的に観察するのに役立ちます。 Mahmoodらは、3次元経食道心エコー検査のデータセットを初めて使用し、僧帽弁輪の印刷に成功し、CTやMRIと比較して、3次元超音波が心臓疾患の日常的な臨床診断と治療に使用できることを証明しました。超音波データに基づく 3D プリントモデルは、心臓の 3 次元解剖学的構造を提示できるだけでなく、介入医師や心臓外科医に体外手術を練習し、リスク評価を行う機会も提供します。

2.超音波データに基づく3Dプリント技術のステップ
1) 画像取得:経胸壁または経食道 3D ボリュームプローブを使用して、2D グレースケールデータを鮮明に取得します。次に、「4DZOOM」機能を使用して、関心領域の 3D DICOM 生データを取得し、ワークステーションで DICOM 形式に変換します。

2) モデリング: Matlab ソフトウェアを使用して障害情報を取得した後、Mimics Innovation Suite 17.0 を使用して、グレースケール反転、しきい値セグメンテーション、3D マスク (関心領域の輪郭マスク) の編集、インタラクティブセグメンテーション、手動ノイズ除去、3 次元モデルの計算などのデータの後処理を実行し、データを STL 形式で保存しました。

3) 物理的な印刷: STL 形式の画像をプリンターにインポートして、対象領域の 3D モデルを取得します。

3. 超音波データに基づく3Dプリント技術の心臓領域における臨床応用

1) 左心耳閉塞症<br /> 胎児期の左心房は主に原始肺静脈とその枝の融合によって形成されます。左心耳は胎児期の左心房の名残で、心臓血栓症がよく発生する部位です。経食道心エコー検査では、非弁膜症性心房細動患者の血栓の90％以上が左心耳にあることがわかりました。左心耳閉塞は、心房細動に伴う脳梗塞を予防する治療法の1つです。左心耳の空間的解剖学的構造は非常に多様で、単葉、二葉、三葉、四葉の左心耳がそれぞれ全体の 20%、54%、23%、3% を占めています。CT と MRI では、左心耳の形態は、チキンウィング型 (48%)、サボテン型 (30%)、風見鶏型 (19%)、カリフラワー型 (3%) に分けられます。したがって、LAA の形態、サイズ、および周囲の組織構造との関係の変動性を正確に理解することは、LAA 閉塞の臨床的意思決定において非常に重要です。

Gadan らは、超音波と CT で再構成した左心耳 3D モデルのデータを比較することで、左心耳の大きさと形態を評価する上で超音波が CT と非常に一致していることを発見し、3 次元超音波が左心耳の 3D プリント用のデータセットを提供できることを確認しました。 Song らによる研究では、超音波データに基づく 3D 印刷技術は左心耳モデルの印刷に正確かつ実現可能であり、そのモデルは左心耳の形態、分類、CT 結果において高い一貫性があることが示されました。超音波データに基づいて3Dプリントされた左心耳モデルは、データの取得が容易、後処理が正確、シミュレーション操作が簡単などの利点があり、左心耳閉塞症の個別診断と治療計画を提供することが期待されています。 Pellegrino らによる研究では、血管造影と経食道心エコー検査に基づいて印刷された左心耳の 3D モデルが、左心耳閉塞手術中に閉塞ディスクのサイズと配置を選択する際に役立つことが確認されました。
Liu らの研究によると、超音波データに基づく 3D プリントモデルにより、介入医師は術前シミュレーションを通じて閉塞解除に影響する要因 (左心耳の内径、深さ、葉の数、櫛状筋の厚さなど) を十分に考慮できることがわかりました。これらは、初期段階での手術の難しさや合併症の予測において、単純な 2 次元超音波画像よりも優れています。3D モデルは、介入医師の手術計画と決定を迅速に評価できます。 Fan らは、超音波データに基づく 3D プリントモデルが、介入医師による二葉性左心耳閉塞計画の策定を成功裏にガイドした事例を報告しました。患者の左心耳は二葉性の解剖学的構造を持ち、後葉が主葉、前葉が補助葉でした。閉塞ディスクを使用して両方の葉を同時に閉塞することは困難でした。経食道心エコー検査により左心耳の動態画像データを取得し、3D プリント技術を使用してモデルをプリントアウトし、適切な閉塞位置を見つけるためのシミュレーション手術を実施しました。手術後、閉塞ディスクの位置が術前のシミュレーション位置と完全に一致していることが確認され、特に複雑な解剖学的構造を持つ左心耳の場合、左心耳閉塞手術のガイドにおける 3D プリントモデルの利点が確認されました。

宋宏寧らは超音波データに基づく3Dプリント技術を用いて左心耳閉塞シミュレーションシステムを構築し、体外で閉塞材の選択と解放をシミュレーションし、マイクロ水ポンプを通して左心耳の血行動態状態をシミュレーションして閉塞材解放後の残留漏出の有無を評価し、左心耳閉塞の術前評価とリハーサルの有効性を高めた。

2) 心臓弁膜症<br /> 心臓弁は心臓内の血流の方向を制御できる繊細な構造を持ち、重要な生理機能を持っています。心臓弁疾患の主な原因は、先天性と後天性の 2 つです。後天性には、リウマチ性、感染性、変性性の弁疾患も含まれます。医学の発達と高齢化社会の進展に伴い、変性疾患による心臓弁膜症の患者数は年々増加しています。

弁膜症の現在の治療法には、外科的治療だけでなく、経カテーテル大動脈弁移植などの介入法も含まれます。手術の成功率を確実にするためには、正確な術前画像評価が重要です。弁膜症の患者は心臓の血行動態が損なわれています。従来の開胸手術では、体外循環中および心停止中に心臓弁を直接目視で評価する必要があります。低侵襲手術や介入手術では、弁の限られた部分または直接露出していない部分しか観察できず、弁の形態が弁機能に与える影響のみを評価することはできません。しかし、3D 技術を使用して印刷された心臓弁モデルは、in vitro 血行動態シミュレーションを提供できます。

経食道心エコー検査は、弁の動画像を取得する従来の方法です。3 次元画像の空間的および時間的解像度が高いため、生成される動的な 3 次元画像は、従来の外科的心停止時の弁画像よりも優れていると考えられています。そのため、3 次元超音波画像は、3D プリントのデータソースとして使用できます。 Mahmood らによる研究では、超音波データを使用して正常および病的な僧帽弁輪モデルを 3D プリントすると、超音波画像よりも詳細な臨床情報を伝えることができ、臨床医が弁輪の病理学的変化や修復後の変化を評価するのに役立つことが示されました。

Owais らは、超音波データに基づく 3D 印刷技術を使用して患者固有の僧帽弁リングを印刷し、術前の僧帽弁リングの形状、大きさ、および形をより適切に評価しました。 Mahmood らは、経食道心エコー検査に基づいて僧帽弁の動態画像データを取得し、3D 印刷技術を使用して収縮期および拡張期の僧帽弁のソリッドモデルを印刷し、超音波画像を弁の 3D 印刷のデータソースとして使用できること、および正常、虚血性、粘液腫関連の僧帽弁に対して 3D 印刷が実行可能であることを確認しました。
Muraru らは、3 次元超音波データに基づいて個別の三尖弁を印刷できることも実証しました。 Witscheyらは、超音波データに基づく3Dプリント技術を使用して僧帽弁モデルを印刷し、僧帽弁形成術の術前手術リハーサルを実現し、合理的な手術計画を策定できると提案しました。超音波データに基づく 3D プリント技術は、弁手術の術前リハーサルや手術計画の策定に役立つだけでなく、術後の合併症の発生や重症度を予測する上でも利点があります。 Olivieri らは、超音波データに基づく 3D 印刷技術を使用して大動脈弁の弁周囲漏出のモデルを印刷し、次の診断と治療計画を選択するための参考資料を提供しました。

3) 先天性心疾患先天性心疾患には、主に単純型と複雑型の2種類があります。単純な先天性心疾患（心房中隔欠損症、心室中隔欠損症、動脈管開存症など）の場合、その多くは従来の外科的治療から介入治療へと移行しています。しかし、不規則な形態を伴う多重欠損の場合、適切な閉塞計画を選択することが難しく、より詳細で直感的な画像評価が必要です。複雑な先天性心疾患（ファロー四徴症、大血管転位症、右室両大動脈起始症など）の場合、その複雑な空間構造のため、複数の画像検査を組み合わせても、依然として診断の見逃しや誤診が発生する場合があります。超音波ベースの 3D プリントモデルは、外科医が適切なデバイスと手術経路を選択するのに役立つだけでなく、手術の効率を向上させ、放射線被ばくと手術合併症の発生を減らし、それによって外科治療の結果を改善します。臨床的には、超音波データに基づいて3Dプリントされた先天性心疾患モデルは安全かつ効果的であるだけでなく、データの個別化も実現できることが証明されています。

Mei Dan'e らは、超音波データに基づいて 3D プリントされた心房中隔欠損モデルが術中閉塞モデルと高い相関関係にあることを発見し、経食道心エコー検査が 3D プリントのデータソースとして使用できることを確認しました。 Olivieri らは、経胸壁心エコー検査を使用して心室中隔欠損症の患者 8 名の超音波画像を取得し、分析とモデリングを実施して、超音波データに基づく 3D プリントモデルが心室中隔欠損症の解剖学的構造を正確に反映できることを実証しました。 Zhu らは、経胸壁心エコーデータを使用して、心内膜床欠損 2 例、心房中隔欠損 2 例、ファロー四徴症 1 例、心室中隔欠損 1 例の 3D モデルを印刷することに成功しました。このモデルは心臓病理の構造を明確に表示でき、手術中に観察されたものと一致しています。

複数の不規則な欠陥と複雑な解剖学的構造を伴う先天性心疾患の場合、単一モダリティの超音波画像診断では適切な視覚化情報を提供するのに不十分です。CT、MRIなどと組み合わせたマルチモダリティ画像診断により、病理学的構造を再構築する可能性が高まり、3Dモデルの品質と精度が向上します。 Gosnell et alは、患者が複雑な心臓の形態を定期的に追跡し、great骨骨骨の矯正された移植を含む複数の奇形を選択しました。 1.7 cm心房中隔欠欠問題。術後の合併症と、融合3D印刷のための弁逆流の程度を評価するために、患者の3次元超音波画像を評価しました。外科計画の選択に対する融合3D印刷の影響を評価するには、依然として対照試験が必要です。

Qiu Xu氏らは、多発性心房中隔欠損症の患者21人のCT画像と3次元超音波画像、3Dプリント心臓モデルを組み合わせ、模擬閉塞テストを実施して閉塞計画を決定した。患者全員が閉塞治療に成功し、術後1か月の追跡調査で明らかな合併症は見られなかった。

4. 超音波データに基づく3Dプリント技術の医師と患者のコミュニケーションと教育への応用<br /> 超音波データに基づく 3D プリントモデルは、臨床医が手術をシミュレーションして手術計画を最適化するのに役立つだけでなく、医師と患者のコミュニケーションを支援し、医学教育においても重要な役割を果たします。 3D プリントモデルの登場により、病気や手術計画を患者とその家族に、より鮮明かつ立体的な方法で示すことができるようになり、患者とその家族が手術のプロセスや起こりうる合併症を理解するのに役立ちます。医学教育では、3D プリントされたモデルにより、医学生の心臓の正常および異常な解剖学的構造に対する理解が深まり、空間配置能力が向上します。

Loke らは、3D 印刷技術を使用してファロー四徴症のモデルを印刷し、18 人の医学生に教えました。彼らは、このモデルを 2 次元画像のみで学習した 17 人の医学生と比較し、3D モデルを通じて学習した学生は指導に対する満足度が大幅に向上したことを発見しました。さらに、解剖用の死体を入手することがますます困難になる中、3D プリントモデルは倫理的な問題を伴わないため、解剖学の教育に使用できる大きな可能性を秘めています。

5. 心臓病分野における超音波データに基づく 3D プリント技術の欠点と展望<br /> 3次元超音波の開発はまだ浅く、3Dプリント技術の心血管分野への応用も比較的稀です。超音波データに基づく3Dプリント技術は、心血管分野で巨大な応用空間を持っており、開発が必要です。生物学的に活性な組織や構造を印刷し、それを人体に直接適用することが、将来の開発方向です。心臓の構造と機能は複雑なため、現時点ではいくつかの単純な構造の印刷に限られています。現在、超音波ベースの3Dプリント技術には、以下の制限が残っています。①心臓のより微細な構造を映し出すためには、3次元超音波の解像度をさらに向上させる必要があります。②心臓とその内部構造は動的ですが、現在プリントされているモデルは静的です。③心臓のプリントに現在使用されている材料のほとんどは硬い材料であり、心筋組織の柔らかさを正確に反映できません。④臨床的有用性と安全性を証明するための国内外での大規模な臨床試験が不足しています。
まとめると、3次元超音波は、左心耳、心臓弁、先天性心疾患の3Dプリントのためのデータソースを提供することができます。超音波データに基づく3Dプリントモデルは、シミュレーション治療を実現するだけでなく、医師と患者のコミュニケーションや医学教育にも役立ちます。心臓血管分野でのさらなる応用可能性はまだ開発されていません。

出典: Zhou Yanxiang、Hu Wei、Guo Ruiqiang。Journal of Clinical Ultrasound Medicine、2018、20(08): 547-550。

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