庄建专访|医疗3D建模打印在新血管临床领域的实际应用

广东省人民医院心血管人工智能与三维技术实验室 庄建教授

人物小传

庄建，医学博士，主任医师，教授，博士生导师，国家百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家。现任WHO心血管病研究与培训合作中心主任，广东省心血管中心主任，广东省人民医院心外科首席专家，广东省华南结构性心脏病重点实验室主任，广东省人民医院心血管人工智能与三维技术实验室主任。曾任华南理工大学医学院院长，广东省人民医院院长，中华医学会胸心血管外科学分会前任主任委员，广东省医师协会心血管外科医师分会主任委员，亚洲心血管和胸外科学会理事，美国《The Annals of Thoracic Surgery》杂志编委，《中华胸心血管外科杂志》副总编辑。

长期从事重症复杂先心病的外科治疗和系统防治研究，在国内率先开展多项新术式并成功应用于复杂先心病的外科治疗，率先将3D打印、虚拟现实和混合现实等三维技术综合应用于先心病外科辅助诊疗中，负责建立国内首个省级先心病综合防治网络，领导临床和科研团队将广东省人民医院广东省心血管病研究所复杂先心病外科矫治水平提高到国际先进行列。

2018年获广东省科技进步一等奖1项，2019年获第十一届宋庆龄儿科医学奖1项，近10年主持包括“十一五”、“十二五”等10项国家和省部级科技攻关课题，共发表论文300余篇，其中以通讯或第一作者身份发表SCI论文60余篇，发表期刊包括《European Heart Journal》、《Circulation》等学科高水平期刊，获得专利10余项，牵头制定了我国首个胎儿心脏起声检查和先心病产前咨询规范。

复杂性先天性心脏病(先心病)具有非常强的异质性，诊治难度非常大。复杂先心病的病种数量繁多，每个大类可以分为若干个小类，而每个小类的同一个结构的形状走行以及不同结构之间的位置关系也可以完全不同，这就导致了其解剖结构、病理生理以及血流动力学变化等比简单先心病更为复杂。

在外科临床诊疗过程中，常用的辅助诊疗的检查手段包括心脏超声、电子计算机断层扫描(Computed tomography，CT)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、造影、胸片、心电图和心导管等，它们可以显示的信息包括直接的二维影像资料、部分重建的三维影像资料和部分直接或间接测量的血流动力学参数等，术者需要通过一定的想象力和过往的经验在自己的脑海里对其解剖结构进行重建，再进一步去理解其病理生理和血流动力学变化情况，目前这些手段用于个体差异性极大的复杂先心病诊治时，一方面极度考验术者的空间想象能力、力学知识掌握能力和记忆力等，另一方面则是增加了诊治过程中的主观因素，从而增加了诊治策略和效果的不确切性，也不利于定量评估分析诊治策略与效果之间的关系。

广东省人民医院小儿心脏外科的发展起步于上个世纪八十年代，在那时，我国的先天性心脏病(先心病)治疗也才正式起步。为了攻克手术难关，庄建教授做了许多尝试一一他率先在国内将多项新术式应用于复杂先天性心脏病外科治疗，例如首创了“大动脉调转室间隔留孔修补手术” 等手术方式，让很多以前只能在漫漫等待中死去的孩子获得新生。

经过以庄建医生为代表的小儿先心病外科医生的多年努力，中国在小儿先心病外科治疗领域也逐步与国际接轨，甚至达到国际领先水平。

然而，纵观全球的先心病外科发展现状与趋势，可以发现，虽然传统的检查手段和手术方式的熟练运用使得复杂先心病的治疗效果获得了较大提升，但是对于很多复杂病种的复杂手术，依然存在着明显的诊治难题。第一是手术难度大，很多手术只有国内外的少数顶级专家才能够较好地完成，面临着难以推广、年轻医生学习曲线长、手术代价惨重等普遍问题。第二是治疗效果仍有较大的进步空间，很多复杂手术虽然能够顺利完成，但是依然不同程度地存在手术时间长、切口多或大、术后并发症多等问题。如何针对复杂先心病的强异质性进行个体化诊疗，进一步提高手术效果，降低手术难度，增加手术可推广性，成了当今时代先心病外科的追求目标。

医工结合，寻求突破

根据多年的临床经验，庄建教授意识到，新型的影像辅助诊疗手段，是实现上述目标的关键。于是，2014年，庄建团队与西安电子科技大学合作申报了国家自然重点项目

《基于多模态影像融合与可视化的复杂先心病手术辅助关键技术研究》并获得了资助，开始进行虚拟现实(Virtual reality，VR)的临床应用研究。最终，该项目研发出多项新成果，包括可用于术前诊断和规划的笫一代虚拟现实显示系统；发明了一项心脏多模态影像融合的技术，获得了相关专利《基于瓣膜对齐及概率图的心脏CT-TEE配准方法》；研究了部分病种的血流动力学预测新方法，获得了相关专利《由CT影像确定主动脉缩窄处压力差的装置与方法》。

2017年初，通过资料的进一步调研，庄建教授把目光投向了3D打印技术，并马上联系了国内第一的自主品牌全彩多材料3D打印公司(珠海赛纳科技)进行技术沟通和合作，开始积极探索3D打印技术在先天性心脏病中的应用。

经过反复调研和沟通后，庄建教授决定从最复杂的几种先心病开始探索，包括肺动脉闭锁合并室间隔缺损和粗大主肺侧支血管(PA/VSD/MAPCAs)、大动脉转位和右室双出口等。拿到了部分病例的打印模型后，庄建教授直观地感受到了，相比于传统的影像手段，这种打印模型具有可以直观显示的天然优势，在手术规划、医师培训、医患沟通等方面有很大的发展潜力，这可能可以有效地帮助我们更好地面对复杂先心病的强异质性的问题，以PA/VSD/MAPCAs为例，3D打印模型可以直观地显示大血管、侧支血管、气管等关键部位的相互空间结构，使得主刀医师在开胸前就通过3D打印心脏模型探查清楚各种心血管结构，对手术规划、术中导航和医师培训都有着积极作用。

但是，庄建教授也发现，想要全面且有效地实现3D打印的临床应用，面临着不少问题。第一，国内外缺乏临床应用规范和指南，哪些病种要用，每个病种应该怎么用等等，还需要摸索；第二，影像三维重建的时间太长，而且过于依赖经验丰富的影像医生，缺乏临床应用的高效性；第三，材料的仿真程度远远不够，难以满足手术模拟和医师培训的要求。其他的还有，医疗系统中缺乏现行的收费标准，欠缺既懂医学又了解工科知识的复合型人才，等等。

搭建平台，落地临床

为了更好地进行临床转化，逐步解决前述临床应用障碍，在庄建教授的主导下，2017年10月，广东省人民医院联合珠海赛纳数字医疗成立了“心血管医学3D打印联合实验室”，这是国内首家医、研、企合作成立的3D打印实验室，目的是作为工科技术与临床需求沟通、结合与交流的实验室。

实验室建在广东省人民医院内部，非常便于双方人员进行交流，置入了珠海赛纳两台最新的国产彩色多材料3D打印机，常驻人员包括多名工程师，相互提供专业的技术服务，也包括多名医师和医学生，进行医工结合研究和临床应用对接。

而且在实验室成立不久，庄建教授还积极引进了混合现实(Mixed reality，MR)技术，至此，加上不断迭代升级的结构性心脏病虚拟现实辅助诊疗系统，实验室具备了3D打印、虚拟现实和混合现实技术研究与服务能力。经过快速而周密的技术整合，在2018年3月，作为一个辅助诊疗系统，正式全面地推向临床应用。在2018年底，庄建团队联合成功申报了“广东省重点研发计划”并获得了支持，重点研究内容是改进打印技术和材料，大力推动3D打印的临床应用。

落地临床后，三维技术为临床诊疗带来了很多益处，同时，临床应用规范也在逐步形成。第一，在实验室搭建后的一周内，这三种三维技术同时应用在了10例复杂先心病、心脏肿瘤的诊治环节中。这些病例包括了冠状动脉瘘、儿童左心室肿瘤等等，取得了较好的治疗效果，其中最典型的病种是PA/VSDMAPCAs，针对这种病的单源化手术，在三维技术的辅助下，手术切口从过去的“正中+侧胸切口”减少为单一正中切口，且手术时间得到了有效缩短。随后，庄建团队在很多复杂先心病上都应用了三维技术，同时，逐步扩大应用病例，除了先心病外，还应用于肥厚型心肌病、心脏大血管病变、瓣膜病变等结构性心脏病中。

赛纳FLX920系列超柔软材料3D打印肥厚型心肌病例

截至2021年年底，心外科三维技术临床应用案例已经超过2000例。第二，积累了一定的病例应用经验后，通过严谨的成本核算，制定了适用于广东省的三项心脏三维技术应用医疗收费标准，为临床应用的合规性扫清了障碍，也为技术的可持续应用打下了现实基础。第三，通过不断的经验积累，逐步形成了对于多个病种的三维技术重建与应用基本规范，总体规范包括不同部位的颜色标准、适用的病种范围、3D打印/虚拟混合现实技术的应用选择等，针对每个病种的规范包括图像数据要求、重建的部位选择、打印部位的选择与分割、不同部位打印材料选择等。以PA/VSD/MAPCAs为例，除了形成了重建要求外，还形成了选择性打印方案，即只打印肺动脉/侧支血管、主动脉和气管/支气管，这同时满足了临床实用性和时效性，还节省了打印成本。第四，经过长时间、多病例的临床应用，培养了很多医工结合领域的复合型人才，包括更懂三维技术的外科医师，以及更懂临床需求的工程师，推动医、工领域的共同发展。

拓展研究，推广应用

为了有效提升三维重建的时效性，自2018年起，庄建教授跟人工智能（AI）医学图像专家团队开始展开深度合作，并在2019年全职引进了AI技术的青年博后人才，形成更为庞大的医工结合研究团队，将实验室整合升级为“心血管人工智能与三维技术实验室”，并相应扩大了研究范围。

其中，实验室的重点研究工作一一先心病CT图像的智能建模和诊断，一方面推动了AI在降噪和图像识别的技术升级，在降低图像噪点的同时，缩小了图像体积，更有利于后续图像分割。截至目前，可以基本实现了17种常见先心病的智能建模和诊断，其中，图像分割的平均DICE系数达到73%，诊断正确率大约达到86%，达到了可以媲美青年心血管影像医师水平。另一个方面，基于AI的三维技术也在对传统诊疗模式进行改良与创新。例如，庄建团队在2018年进行了一次基于AI+5G技术的胸腔镜下房间隔缺损手术远程指导。术前先应用降噪和重建技术对患者的CT图像进行精准的三维重建，再利用虚拟现实技术，录制了详细的手术规划视频，包括胸腔镜开孔位置明确，同时打印出实体模型用于实时的手术指导，最终手术圆满成功。

庄建教授5G远程指导手术实施

庄建团队目前正在部署相关的AI算法到建模软件中，代替部分人工建模，从而提升建模效率，同时也在研究如何进一步提升AI建模和诊断的准确性，为以后大规模临床应用及推广做准备，同时，庄建团队还利用AI技术，建立了基于CT原始图像和临床参数的完全性肺静脉异位引流术后肺静脉梗阻的预测模型，其预测效能明显高于普通预测模型，这是结构性心脏病数据挖掘的全新尝试。

AI和三维技术的可及性，是临床应用的重要条件，也是医工结企研究走向良性和可持续发展的重要支撑。建立了实验室以来，AI和三维技术对于广东省人民医院所有专科的可及性大大增加了，因此，除了心外科之外，肺科、骨科、肝胆外科、整形科等其他学科的医师也纷纷通过实验室获得了技术支持，积极地开展了创新性的临床应用研究。

例如，肺科基于三维技术的更直观的肺结节定位新方法，包括基于三维重建的流域分析定位法、基于3D打印的骨导板以及基于混合现实的透视定位，可以帮助楔形切除术精确到到亚肺段，同时减少患者术前接受的辐射量。一方面，他们同样也在一定程度上解决了应用规范、复合型人才培养和收费标准制订等问题，推动了新技术落地临床，造福了更多的患者；另一方面，技术的有效应用和及时且充分的临床反馈，也推动了技术的不断发展，据了解，目前肺血管的智能重建准确率已经达到了非常高的水平。这充分证明了新技术与临床应用之间，是可以相互推动，良性发展的。

三维技术，从工科领域走进临床，有效帮助医师“重建”患者的心脏健康，其中的转化工作是医疗和技术工作者通力合作的结果。未来，希望工科和医学领域中都有越来越多的人才投身到医工结合研究中，带动更多的新技术切切实实地走进临床，解决临床问题，为实现医疗同质化以及进一步提升治疗效果做出创新性甚至是革命性的改变，为中国和全球的健康事业做出更大的贡献。

致谢：专访原文来自增材制造医疗器械专委会