心臓病の診断と治療における超音波画像に基づく3Dプリント技術の応用の現状と進歩

3Dプリント技術は、画像と実物をつなぐ技術として、高度なシミュレーション能力と微細構造の複製能力を備えており、心臓病の術前診断、個別手術計画の策定、術中モニタリング、術後評価において重要な役割を果たすことができます。 3Dプリントのデータソースは、CT、MRI、超音波などのさまざまな画像化方法で取得した画像です。超音波画像の解像度の向上とハードウェアおよびソフトウェア機器の継続的な更新により、超音波画像をデータソースとして使用する3Dプリント技術は徐々に発展してきました。この記事では、3 次元超音波画像をデータソースとして使用して、心臓病の診断と治療における 3D プリント技術の現状と展望について説明します。

1. 3Dプリントの概要
3D 印刷技術は、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、1990 年代初頭に登場しました。これは、デジタルモデルファイルに基づく技術であり、粉末金属やプラスチックなどの成形可能な材料を使用して、層ごとに積み重ねることで物理モデルを構築します。印刷精度が高く、個別化された製造を実現できます。医療用3Dプリントは、整形外科、臓器移植、形成外科などの専門分野から始まりました。パーソナライズされた心臓介入治療の発展と3Dプリント技術の継続的な改善により、近年では心臓血管分野でも一定の応用展望を示しています。個別化心臓介入手術をより安全かつ効果的にするために、Lazkaniらは心筋梗塞後の心室中隔欠損患者の心臓の3Dモデルを印刷しました。このモデルは、左心室と右心室の表面から心室中隔欠損の形態、大きさ、数、周囲の構造（肺弁や大動脈弁など）を包括的かつ直感的に表示できます。臨床医はモデルに基づいて事前に閉塞モデルを選択し、術前ドリルを実施し、手術方法とアプローチを分析し、最終的に手術は成功しました。

Dankowskらは、機能性僧帽弁逆流症患者の心臓モデルを印刷しました。この3Dモデルは、心臓の解剖学的構造（左心房、左心室、僧帽弁尖、弁輪、乳頭筋など）を複数の角度から明確に表示でき、経皮的僧帽弁輪形成術の介入治療の術前シミュレーションに使用されます。このモデルでガイドワイヤーとガイドワイヤのモデル、最適な配置位置、手術アプローチを決定することで、構造的心疾患の介入手術における3D印刷技術の臨床的価値が確認されました。

2. 心臓病の診断と治療における超音波画像ベースの3Dプリント技術の利点と具体的なプロセス
（１）心臓病の診断と治療における超音波画像ベースの３Dプリント技術の利点<br /> 心エコー検査は心臓組織を直接画像化し、心拍周期中の関心領域の変化をリアルタイムかつ動的に監視できるため、心臓病の診断と治療に広く使用されています。パーソナライズされた介入治療の発展に伴い、新興の3Dプリント技術が心臓病の診断と治療の分野に参入しました。より包括的で直感的な視覚体験を提供し、心臓病の診断精度を向上させるだけでなく、触覚も提供できるため、外科医は手術中に外圧によって引き起こされる組織の変位と変形をより現実的に理解し、術前計画と術中ナビゲーションを実施し、手術の成功率を向上させることができます。現在、多くの研究では、CT と MRI を 3D プリントのデータソースとして使用しています。CT や MRI と比較して、超音波画像は解像度が高く、心臓内の軟部組織や膜状構造を表示する上で独自の利点があります。操作は簡単で、放射線や薬物の使用を必要としません。そのため、超音波画像ベースの 3D プリント技術は、心臓病の診断と治療において高い応用価値を持っています。

（２）超音波画像に基づく３Dプリント技術の具体的なプロセス
1) 3D超音波体積デジタル画像通信医療（DICOM）画像の取得。超音波画像ベースの 3D プリント技術の第一条件は、関心領域の 3D DICOM 生データを取得することです。3D 超音波ボリューム画像はそのようなデータです。最適なパラメータを設定することで、後続の処理のために高精度で高解像度の画像を取得できます。超音波技術の継続的な発展により、3 次元心エコー検査は 3D 印刷の信頼できるデータソースであることが証明されています。既存の研究では、超音波 3 次元体積画像をデータソースとして使用し、心房中隔欠損、僧帽弁、左心耳の 3D モデルを印刷することに成功しています。

2) 3D 画像を後処理して、標準テッセレーション言語 (STL) 形式のファイルを取得します。画像セグメンテーションは、画像を固有の特性を持ついくつかの特定の領域に分割し、関心領域を抽出するプロセスです。一般的に使用される後処理ソフトウェアには、Mimics、Materialise、OsriX、MeshLab などがあります。閾値セグメンテーションは、医療分野で最も一般的に使用されている画像セグメンテーション方法です。異なる特徴閾値を設定することで、画像ピクセルはいくつかのカテゴリに分割され、画像内の特徴閾値範囲内の情報が保持されます。閾値セグメンテーションで完全に分離できない領域については、インタラクティブセグメンテーションなどの手法でさらに処理を行い、干渉画像コンテンツやノイズ信号を除去します。以上の処理後の最終的なROIデータはSTL形式のファイルに保存され、3Dプリンターに出力されます。

3) STL形式のファイルを3Dプリンターに出力してモデルを取得します。 3D モデルの構築は、2D の薄層積層を 3D エンティティに変換する技術に依存しています。つまり、3D モデル全体を水平面に沿って一定数の 2 次元スライスに切断し、層状処理と重ね合わせ成形によって層ごとに材料を追加して、対応する空間物理モデルを生成します。現在、医療分野で一般的に使用されている印刷方法は、主に選択的レーザー焼結法、熱溶解積層法、ステレオリソグラフィー、ポリマー射出成形、生体材料印刷です。印刷方法によって、成形特性や選択される印刷材料が異なります。実際のニーズに応じて、さまざまな印刷材料と印刷方法を選択し、満足のいく 3D モデルを作成できます。

3. 心臓病の診断と治療における超音波画像に基づく3Dプリント技術の現在の応用状況<br /> 心臓病には多くの種類があり、それぞれの病気に伴う心臓の構造的変化は複雑かつ多様で、治療法や難易度も大きく異なります。 3Dプリント技術は、標準化されたモデリングとパーソナライズされた製造の利点を備えており、先天性心疾患、心臓弁膜症、不整脈などの疾患の診断と治療においてますます重要な役割を果たしています。

（１）先天性心疾患における３Dプリント技術の応用
1) 単純な先天性心疾患。主に心房中隔欠損症、心室中隔欠損症、動脈管開存症などが含まれます。 3Dプリント技術は超音波画像に基づいて物理モデルを印刷し、心臓の解剖学的構造をより直感的、正確かつ包括的に再現し、病変部位とその周囲の状態を360°で表示し、臨床医にさらに多くの診断情報を提供します。 Samuelらは、心房中隔欠損の3D超音波ボリューム画像をセグメント化して再構成することで3Dモデルを作成しました。このモデルは、心房中隔欠損患者の心臓内構造を正確かつ包括的に表示し、超音波画像をデータソースとして使用する3Dプリントの実現可能性とその臨床応用価値を確認しました。 Faganello らは、超音波画像に基づいて二次心房中隔欠損モデルを印刷しました。3D モデルのサイズは 10 cm × 6 cm と測定され、これは元の超音波画像で測定されたサイズと同じでした。

Olivieriらは、心室中隔欠損症患者8名の3D心エコー画像を収集し、1:1の比率で3Dモデルを印刷し、心室中隔欠損症の形態学的パラメータを測定し、2次元心エコー検査の対応するデータと比較しました。その結果、3D印刷モデルの精度が高く、誤差は1 mm未満であることが示されました。上記の研究により、3Dプリントモデルは心室中隔欠損の形状、大きさ、数、周囲の構造を正確に表示でき、先天性心疾患の診断精度を効果的に向上できることが確認されました。 3D プリント技術は、診断情報の提供に加えて、単純な先天性心疾患に対する個別介入治療計画の立案と意思決定においても重要な役割を果たします。邱旭らの研究者らは、後処理ソフトウェアを使用して、3次元心エコー図とCTから得られた画像データを3次元ステッチングして再構成し、シリコンで心臓モデルを印刷した。彼らは3Dモデルで体外心房中隔欠損閉塞テストを実施し、閉塞器モデルと閉塞位置を選択した。手術中に、選択した閉塞器モデルと挿入位置が適切であり、患者の予後が良好であることが確認された。これにより、多発性心房中隔欠損の介入閉塞治療における閉塞器挿入の難しさと高い残留シャント率の問題が解決され、重要な臨床応用価値を持つ。

2) 複雑な先天性心疾患。これらには主にファロー四徴症と大血管転位症が含まれます。これらの疾患は複雑であるため、包括的な画像検査を実施しても、重要な診断情報が失われ、診断の見逃しや誤診につながる可能性があります。 Loke らは、ファロー四徴症の小児の経食道 3 次元心エコー図をデータソースとして使用して 3D モデルを印刷し、アンケートを使用して、画像と 3D モデルによるファロー四徴症の理解を比較しました。結果は、臨床医が 3D 印刷モデルを通じてファロー四徴症をより深く包括的に理解していることを示しました。ファロー四徴症の3Dプリントモデルは、関心領域の構造を複数の角度から明確に表示できます。モデルに基づいて、右室流出路狭窄の程度と子供の臨床症状の関係を推測できます。3Dプリントモデルを通じて、複雑な先天性心疾患の診断精度が向上することが期待されます。

さらに、複雑な先天性心疾患の場合、単一の画像技術をデータソースとして使用する 3D プリントでは、病理構造を完全かつ正確に表示できない可能性があります。3D プリントに 2 つ以上のデータソースを使用すると、さまざまな画像化方法の利点を効果的に活用し、病変構造の視覚化を高めることができます。 Gosnellらは、大血管転位症、心室中隔欠損症、肺動脈閉鎖症を矯正した患者の心臓CT画像と超音波画像を収集し、画像のスティッチングとセグメンテーションを通じて画像データを物理モデルに変換しました。このモデルは精度が高く、患者の病理構造を直感的かつ精細に再現します。さらに、3Dプリントモデルは手術の視点をあらゆる方向から表示し、外科医に術前リハーサルの場を提供するため、手術の成功率が向上します。つまり、3D プリント技術により、臨床医は病変部位の 3 次元空間関係を深く理解した上で、より合理的かつ正確な診断を下すことができ、複雑な先天性心疾患の治療に役立てることができます。

（２）心臓弁疾患における３Dプリント技術の応用

弁膜症は、さまざまな理由により心臓弁の構造や機能が変化した状態であり、通常は血行動態の異常を伴います。さまざまな画像化方法の中でも、超音波は心臓弁の表示において独自の利点を持っています。個別介入治療の発展に伴い、超音波画像ベースの 3D 印刷技術は心臓弁疾患の診断と治療にますます広く使用されています。

1) 弁の解剖学的構造と生理学的機能を正確に評価します。心臓弁は精巧な解剖学的構造と重要な生理学的機能を有しており、その形態や構造の正確な表示や血行動態に関する研究が注目されています。 3Dプリント技術は心臓弁を正確に構築できます。さらに、体外血行動態評価システムを確立することで、3Dプリントされた心臓弁を使用して生体内の弁の血行動態状態をシミュレートし、弁の解剖学的および動的特性をより深く理解することもできます。 Mahmood らは、正常な僧帽弁、虚血性僧帽弁、粘液腫性僧帽弁の、後処理された動的な 3 次元心エコー容積画像を使用し、ステレオリソグラフィーを適用して、異なる形態の 3 つの僧帽弁モデルを印刷しました。プロセス全体にかかった時間はわずか 90 分でした。印刷された弁は、元の超音波画像情報を高度に保持して複製し、正常および疾患のある僧帽弁の解剖学的構造を包括的に理解するための直感的なモデルを提供しました。

Muraruらは、三尖弁超音波体積画像を後処理して3Dモデルを作成し、3Dモデル上でその形態パラメータ（ドームの高さと体積、左右の直径、前後の直径、弁輪の円周と面積など）を測定し、3次元心エコー検査で得られた対応するパラメータと比較しました。3Dプリントモデルと3次元心エコー検査の三尖弁形態パラメータの測定値の差は統計的に有意ではなく、相関性が高く、3Dプリント三尖弁モデルの精度を検証し、その形態構造の包括的な理解と個別介入治療のための良好な基礎を築きました。 3D プリントモデルは、形態を復元するだけでなく、弁の機能もシミュレートできます。マシャリらは超音波画像に基づいて、シリコーンを材料として個別化された僧帽弁モデルを印刷し、それをin vitro血行動態シミュレーションシステムに配置し、僧帽弁の圧力-時間曲線、弁間圧勾配、弁口血流スペクトルを取得し、血流スペクトルを介して圧力半減時間と僧帽弁口面積を測定し、患者の実際の超音波パラメータと比較しました。結果は、3Dプリント僧帽弁モデルと生体僧帽弁の生理学的パラメータに違いがないことを示し、3Dプリントモデルは解剖学的特徴の面で固体弁構造を高度に再現できるだけでなく、生体弁の血流状態を機能的にシミュレートできることが確認されました。

2) 心臓弁膜症の個別介入治療への応用。医療基準の向上に伴い、経カテーテル大動脈弁留置術（TAVI）や経カテーテル僧帽弁形成術（TMVP）などの個別化弁介入手術が臨床現場で広く使用されるようになりました。 3D プリントモデルは、術前計画、術中ナビゲーション、術後有効性評価において一定の臨床的価値を持っています。

個別化された心臓弁膜症の治療においては、正確で合理的な手術計画が手術の有効性を判断するための重要な前提条件となります。ヴキセビッチ氏らはCT画像と超音波画像を融合し、硬度や弾性が異なる材料を使用して正常および石灰化した僧帽弁を印刷し、腱索や乳頭筋を含む完全な左心室と僧帽弁装置を構築した。僧帽弁の締め付けと僧帽弁穿孔の閉鎖のシミュレーションを成功裏に完了し、術前手術中に遭遇した問題に基づいて手術計画を最適化し、治療を成功させ、手術時間を短縮した。

僧帽弁形成術では、適切な僧帽弁デバイスを選択することが重要です。人工弁輪のサイズと種類の臨床選択は、主に画像データと外科医の経験的判断に依存します。僧帽弁形成術をより効果的にするために、Owais らは術前リハーサル用の超音波ボリューム画像に基づいて、プラスチックで僧帽弁輪の 3D モデルを印刷し、手術中に最適な僧帽弁デバイスを選択するための正確で実行可能な方法を提供しました。国内の学者らは、大動脈弁のCT画像と3D超音波画像を収集し、完全な心臓と大動脈弁モデルを構築し、重度の大動脈弁狭窄と逆流症を患う77歳の患者に対してTAVI手術の計画とナビゲーションを成功裏に実施した。手術はわずか1時間で、術中のX線露出時間は以前の手術に比べて大幅に短縮された。

弁手術は合併症を起こしやすく、その中でも弁周囲漏出の残存は比較的よく見られます。弁周囲漏出の程度を正確に評価することで、その後の手術が決まります。3D プリント技術は、弁手術後の有効性と合併症の評価において一定の利点があります。 Olivieriらは、心室中隔欠損症と大動脈弁周囲漏出症の8症例の3Dモデルを作成し、3Dモデルと2次元心エコー検査で収集した画像上で弁周囲漏出症の直径を測定した。その結果、3Dプリントモデルは精度が高く、弁周囲漏出症と周囲の構造の大きさを正確に評価でき、その後の治療に高い基準値を提供できることが示された。

（３）不整脈における３Dプリント技術の応用現在、研究では不整脈の治療に3Dプリント技術を応用したという報告があります。心房細動は最も一般的な不整脈の一つであり、脳梗塞を引き起こしやすい病気です。経カテーテル左心耳閉塞術は、心血管および脳血管のイベントを減らす効果的な手段です。左心耳の解剖学的構造を深く理解し、閉塞器具を正確に選択することが、閉塞手術の成功の鍵となります。新しい 3D プリント技術は、左心耳閉塞手術において高い応用価値を示しています。 Obasareらは超音波画像に基づいて左心耳モデルを印刷し、3Dモデル上で術前シミュレーション用の21mm閉塞具を選択し、選択した閉塞具を使用して左心耳閉塞を成功裏に実施しました。手術時間は大幅に短縮され、手術後の関連する合併症はありませんでした。

Fanらは、二葉性左心耳の3次元画像を収集し、シリコンで3Dモデルを印刷し、術前のシミュレーション手術に使用しました。閉塞計画を2回調整した後、最終的に適切なモデルの閉塞体を選択し、左心耳の2つの葉をうまく閉塞しました。研究では超音波画像に基づいて、10個の左心耳壁と心腔モデルを印刷し、心腔モデル上で左心耳の形態と構造を観察し、心壁モデル上で解剖学的直径を測定し、術前ドリルを実施した。これに基づいて、左心耳閉塞の術前シミュレーションシステムを構築し、評価した。結果は、3Dプリントモデルが左心耳の解剖学的詳細を正確かつ直感的に表示できること、および3Dプリントモデルの方が閉塞材の配置効果が優れていることを示し、外科医に参考資料を提供できることを示した。経食道三次元心エコー検査と3Dプリント技術に基づく左心耳閉塞の術前シミュレーションシステムは、左心耳閉塞の術前ドリルと評価を実現し、左心耳閉塞の術前準備の重要な補足となる。

4. 超音波画像に基づく 3D 印刷技術の限界<br /> 超音波画像に基づく 3D 印刷技術は、心臓病の診断と治療において重要な役割を果たしていますが、依然として一定の限界があります。①超音波は心臓内の薄膜構造を表示する上で利点がありますが、心臓外の解剖学的構造を明瞭に表示する上で限界があります。心臓腫瘍では、腫瘍の境界と縦隔転移を完全に表示することは不可能です。そのため、臨床診断と手術ガイダンスのために心臓腫瘍の 3D モデルを取得するには、CT 画像の後処理がほとんどです。②3D 印刷の複数の後処理中に微妙な解剖学的構造が除去される場合があり、最終モデルと元のデータの間にわずかな違いが生じます。Mathur らが印刷した大動脈根の 3D モデルは、複数の後処理により一部の情報が失われ、構築されたモデルには多くのギャップがありました。③3D 印刷技術では静的モデルを使用して動的エンティティをシミュレートするため、心臓の動的特性を直感的かつ便利に評価することはできません。

5. 超音波画像に基づく3Dプリント技術の展望<br /> 超音波技術の継続的な発展により、元の画像の品質がさらに最適化され、超音波画像をデータソースとする3Dプリント技術の精度もそれに応じて向上します。さらに、3Dプリント材料のブレークスルーにより、硬度や弾性などの心臓組織の物理的パラメータと非常に一致する材料を見つけて印刷できるようになり、より現実的なモデルを製造できるようになり、心臓病の臨床診断、術前計画、術中モニタリング、術後評価における役割がさらに強化されます。

要約すると、3D プリント技術は、画像データと物理的な物体の間の架け橋として、先天性心疾患、弁膜症、不整脈などの心臓疾患においてますます広く使用され、臨床診断と治療に重要な情報を提供することができます。

著者: Mei Dan'e、Chen Jinling。
出典：心臓病の診断と治療における超音波画像に基づく3Dプリント技術の応用状況と進歩[J]。Journal of Clinical Ultrasound Medicine、2018(05):332-335。

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