1.引言：
心脏是人体内重要器官组织，为血液循环提供原动力。国内外有许多关于心脏病的教学报道，而对于现在的心脏移植手术只有少部分人能承受得起这笔费用，同时器官的来源和匹配度也是一个很大的问题。因此研究人员希望通过三维重构技术和3D打印技术构建心脏模型，将其用于科研，甚至用于心脏的手术移植。
3D打印（3D printing） 技术，又称三维打印技术，又叫快速成型技术（Rapid Proto-typing，RP）或增材制造技术（Additive Manufacturing，AM），利用可黏合材料，通过逐层打印方式来构造物理模型的技术［1］。基于此技术能制造出一个很符合人们要求的模型，有人就尝试利用3D打印技术构建心脏的3D模型。而后在模型表面进行细胞培养，最后得到一个由活细胞堆积而成的器官。此器官的细胞完全可以根据需要而改变，而且器官大小非常合适、匹配度非常高。
而3D打印模型需要建立三维重构图像，三维重构就是将摄像机拍摄的二维信息用计算机辅助设计（CAD）系统输入计算机中，在计算机的三维重构软件中进行重构，最后得到物体的三维重构模型。
2.心脏及心脏移植的研究：
2.1心脏移植与3D打印器官的发展：
心脏位于胸腔内，膈肌的上方二肺之间。心脏是人体的重要器官，起作用不容代替。[39]
1967年12月，南非成功进行了人类历史上第一列心脏移植。1968年，美国进行了第一列心肺联合移植。随着生物医学的技术不断发展，设备的改进，其他器官的移植也取得了不同程度的成就。
我国最初器官移植始于60年代。1978年上海第一列心脏移植成功，病人存货109天。国内能移植的器官种类也越来越多，已在武汉建立可全国性器官移植登记处，成立了中华器官移植学会。来自卫生部的数据显示，国内每年有100万人需要进行肾脏移植、30万人需要做肝脏移植，但仅有大约1%的患者能够获得器官移植的机会。此外，每百万人中只有0.03人在其身故后自愿进行器官捐献。[40]．
近半个世纪以来器官移植学的进展包括：①发现组织相容性抗原系统，并明确组织相容性复合物（MHC）为移植治疗的基本障碍。②各器官移植的发展和完善设备、改进各种显微外科移植模型的建立和应用。③免疫抑制剂的开发和临床应用。
器官移植手术主要问题：（1）在解决移植器官供需矛盾；（2）对供、受体的免疫学选择和处理更为合理；（3）具备更加可靠的排斥反应监测手段和新的免疫抑制治疗方法。同时除了技术上的不成熟，免疫抑制剂药的实用外，还有人们到的理论观念的问题等。[41]
心脏移植受限于机体的免疫排斥反应，但随着免疫抑制剂治疗和移植物处置的进展使得心脏移植成为可能，并导致心肺移植的成功和不断发展。
也有人提出利用3D打印技术构建人体器官，尝试用于器官移植。
设想的提出需要经过大量的努力、实验，一步步发展。如2010年澳大利Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试利用活体细胞为“墨水”打印出所需要的器官。2013年，FaulknerJones 等利用人体胚胎干细胞作材料打印三维结构，并且打印后的胚胎干细胞仍保持着分化的潜能，为器官打印和移植提供了技术上的支持，这在医学领域里是具有重大意义的创新。而要完成这一想法，则需要了解，掌握三维重构技术和3D打印技术。
3.三维重构技术的研究进展：
3.1三维重构技术：
定义：三维重构技术就是利用计算机将摄像机拍摄的二维图像信息倒入计算机中，再利用计算机中三维重构软件对图片进行校对、叠加、最后重构出实物的模型。
方法：三维重建方法大致分为两个部分：一是基于结构光的；二是基于图片的。本课题用的是基于图片的三维重建方法，其又分为双目立体视觉；单目立体视觉。
双目立体视觉： 这种方法使用两台摄像机从两个(通常是左右平行对齐的，也可以是上下竖直对齐的)视点观测同一物体，获取在物体不同视角下的感知图像，通过三角测量的方法将匹配点的视差信息转换为深度，一般的双目视觉方法都是利用对极几何将问题变换到欧式几何条件下，然后再使用三角测量的方法估计深度信息这种方法可以大致分为图像获取、摄像机标定、特征提取与匹配、摄像机校正、立体匹配和三维建模六个步骤。双目立体视觉法的优点是方法成熟，能够稳定地获得较好的重建效果，实际应用情况优于其他基于视觉的三维重建方法，也逐渐出现在一部分商业化产品上;不足的是运算量仍然偏大，而且在基线距离较大的情况下重建效果明显降低。
基于单目视觉的三维重建方法: 单目视觉方法是指使用一台摄像机进行三维重建的方法所使用的图像可以是单视点的单幅或多幅图像，也可以是多视点的多幅图像前者主要通过图像的二维特征推导出深度信息，这些二维特征包括明暗度、纹理、焦点、轮廓等，因此也被统称为恢复形状法（shapefromX） 。
基于图像的三维重构基本步骤是：（1）图像获取：用摄像机获取物体的二维图像。（2）摄像机标定：通过摄像机标定来建立有效的成像模型，求解次出摄像机的内外参数，这样就可以结合图像的匹配结构得到空间的三维点坐标，从而达到进行三维重构的目的。（3）特征提取：包括特征点，特征线和区域。特征点的提取算法：基于方向导数的方法、基于图像亮度对比关系的方法、基于数字形学的方法。（4）立体匹配：根据提取的特征建立图像对之间的对应关系，也就是将同一物理空间点在两幅不同图像中的成像点一一对应起来。（5）三维重构.
而一般的计算机辅助设计（CAD）系统要把三维形体信息输入计算机的方法主要有两种：一种是实体造型法，即以一定手段获取真实物体的几何图像；另一种是三维重构方法，即通过人机互生成物体的三维几何模型。三维重构方法是识别、分析所获得的二维信息来构建该物体的三维模型。[20]伴随着三维重构技术的出现也出现了相应的技术设备，如3DMAX、Maya、Autocad、UG等。如今三维重构常用3D-Slicer 软件进行构建，它是易于使用的可视化和分析的医学图像处理软件，于1998年，由美国麻省理工学院的人工智能实验室和波士顿布里格姆妇女医院手术计划实验室发起。[43]
技术难点：①对三维重构问题，国内外学者用不同的方法，从不同监督出发在不断深入的研究，至今还未找到比较统一、通用、成熟的方法。目前三维重构的研究主要方向主要是以提高重构速度和实用性为重点。②要是三维形体信息在计算机内显示，必须做到两点:一是几何信息，即物体在空间中的位置，大小。另一点是记录形体数目及相互之间的关系，即拓扑信息。三维重构模型的好坏也很大程度取决于数据结构式设计。③三维重构是在计算机中输入二维信息最终建立三维模型，这就要求系统可以在不同层次之间相互转换。[21]
在图像质量得到保证的情况下，三维重构难点在于确定5个参数，空间取向和平面内平移。这严重依赖与数据收集的方式。目前主要的是提高硬件质量，从而提高数据质量，特别是检测器。现在最好的检测器是对电子计数，能够有效地提高信噪比。这是因为它的DQE在300KEV的情况下，比胶片还好。其次就是分子的移动，平面内，垂直方向，以及随机的运动。这些会造成重大的影响。主要是这两个问题，也是研究的方向。
3.2 三维重构的发展及应用：
近二十年来,数字医学正快速、蓬勃地发展，并从多个方面改变了现代医学的面貌，例如数字化三维重建技术、有创诊疗手段虚拟仿真、人工器官个性化制造、外科手术导航以及远程 医疗的实现等[12]。另一方面，数字医学在临床诊疗中的应用价值也日益突出， 在临床各个科室，特别是神经外科、肝胆科、普外科、妇产科以及整形外科的 应用范围也越来越广泛[13，42]。
国内在这项技术上也有不错的进展。如清华大学的杨光等人利用 3D Studio Max 软件对小鼠海马锥体神经元树突棘的连续超薄切片进行了三维重构。[17]季达峰等人则利用 3D-DOCTOR 软件对小鼠海马体的连续组织切片进行了三维重构，并通过3DMAX 软件实现了可视化。[8]
在妇产科领域最早使用数字化三维重建技术的是2008年Naguib等对盆腔 血管的研究[17]，该研究对49位妇女行盆腔血管核磁共振血管造影，并对双侧髂 内动脉及其分支进行三维重建，该结果显示核磁共振血管三维重建可使髂内动 脉可视化，可以观察到髂内动脉的大部分分支的情况，可以作为子宫动脉栓塞 术前盆腔血管网的映射工具。
医学上常用的CT，它所获得的是二维图像，人们还对利用对二维图像的理解在大脑中把它抽象为三维图像才能对其进行进一步的分析。基于CT扫描的二维数据集，利用Mimics重建软件成功地构建出胎儿心 脏的数字化三维模型。数字医学的发展，计算 机3D重建软件(Medical Image Three—Dimensional Visualization System MI一3DVS)解决了这个术前肝脏可视化问题。
3.2 3D打印技术的研究发展：
3.2.1 3D打印技术定义：
3D打印技术（Three-dimensional printing technology）也叫增材制造技术，是指将三维重组获得的图像模型传送到计算机辅助设计（computer- assisteddesign，CAD），利用3D打印机用可粘合材料（如激光、紫外光照射等），通过逐层打印的方式来构造物体的技术。[38] 3D打印是一门综合型技术，综合了数字建模、电子控制、等诸多种技术，3D打印操作简单，不需要大型机床，不需要太多人力就可以完成，为将来的科研带来了很大价值[23]。
3D打印机的工作原理与普通打印机工作原理类似，它们之间唯一的区别在于所用的打印原材料的种类及打印方式，同时在分层和对截面构建过程中以不同的方式创建部件。3D打印过程中所用的原材料通常是较易获得的材料，例如常用原材料有金属、陶瓷、塑料、砂等可黏合材料材料，而普通打印机只能是墨水和纸张。
3.2.2 3D打印技术常见技术有：[22，30，31]
自从1984年美国Charles Hull 发明了第一台3D打印机（SLA）以来各种3D打印技术也不断出现。根据加热方式的不同分别有应用激光、电子束等离子束等3D打印机。 几种主流的3D打印方式：SLA激光光固化(Stereolithography Apparatus )、FDM熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling)、SLS造择性激光粉末烧结( Se1ected Laser Sintering )、DED多层激光熔覆( Direct Metal Deposition ) 、LOM薄板层压成型( Layered Object Manufacturing )。
① SLA激光光固化(Stereolithography Apparatus )该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂连点扫描，便被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。美国3DSYSTEMS公司是最早推出这种工艺的公司。该项技术特点是精度和光洁度高，但是材料比较脆，运行成本太高，后处理复杂，对操作人员要求较高。适合验证装配设计过程中用。
②FDM熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling) FDM工艺，也叫挤出成型，关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(丝材直径般在1.5mm 以上)从啧头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，一层叠一层最后形成整个零件模型。美国3DSYSTEMS 公司的BFB系列和Rapman系列产品全部采用了FDM技术，其工艺特点是直接采用工程材料ABS、PC等材料进行制作，适合设计的不同阶段。缺点是表面光洁度较差。
③SLS造择性激光粉末烧结( Se1ected Laser Sintering )该法采用C02激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的(100μ-200μ) 粉未，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，工艺材料为尼龙粉及塑料粉，还有使用金属粉进行烧结的。德国EOS公司的P系列塑料成型机和M系列金属成型机产品，是全球最好的SLS技术设备。SLS技术既可以归入快速成型的范畴，也可以归入快速制造的范畴，因为使用SLS技术可以直接快速制造最终产品。
④DED多层激光熔覆( Direct Metal Deposition ) 相当于多层激光熔覆，利用激光或其它能源在材料从喷嘴输出时同步熔化材料，凝固后形成实体层，逐层叠加，最终形成三维实体零件。DED的成型精度较低，但是成型空间不受限制，因而常用于制作大型金属零件的毛坯。
⑤LOM薄板层压成型( Layered Object Manufacturing ) 基本原理：利用激光等工具逐层面切割、堆积薄板材料，最终形成三维实体。利用纸板、塑料板和金属板可分别制造出木纹状零件、塑料零件和金属零件。各层纸板或塑料板之间的结合常用粘接剂实现，而各层金属板直接的结合常用焊接(如热钎焊、熔化焊或超声焊接)和螺栓连接来实现。最大缺点：做不了太复杂的零件，材料范围很窄，每层厚度不可调整，精度有限。
课题中采用的是塑料型打印机，即 熔融沉积成型（FDM）.
3.3 3D打印技术国内外发展与现状：
3D打印技术实在上个世纪90年代开始在国内发展起来的一种新型的制造技术，在广大领域具有的发展前景广阔[33]。目前，3D打印技术也非常复合的环保、节约能源型经济等特点与我国“十三五发展的战略”的宗旨保持高度一致。
3.3.1科研机构的研究：
科技研究单位和高等学校对3D技术的研究较多，所取得的成果也很骄人，清华大学是国内最早对技术对3D技术开始研究的，在三维打印技术的科学研究不断发展进程中，最先以理论研究为契机，然后考虑原料的特点、工艺特点及三维打印技术的实际应用进行研究。清华大学的研究成果是用LOM工艺用纸，较理想的解决了FDM工艺用蜡和ABS丝材的材料有机结合，同时研发出了制造该材料的工艺设备[34]。华中理工大学，在20世纪90年代跟新加坡KIN
ERGY公司共同研发，研制出基于LOM快速成型技术的Zippy系列快速成形系统，同时，为该体系建立起了新的指标加工工艺[35]。
3.3.2应用方面：
3D打印技术的发展的市场广阔，国内许多相关产业公司之间已经合作共同研发，为3D产业的发展奠定了坚实的基础，同时也为三维设备的开发提供了雄厚的技术支持。依据对我国三维打印产业的具体调研可以分为三大类：第一类是主要以开发三维打印材料为主的研究公司，第二类是主要以研发三维打印设备和销售的公司，第三类主要以销售三维打印设备和服务的公司。
3.3.3 3D打印国外发展前景：
20世纪80年代，麻省理工学院荣获了3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司获得唯一授权并开发三维打印机。2005年，ZCorp公司发明第一台高分辨率多色三维打印机。2010年11月，世界上第一辆利用3D打印技术开发的汽车成功制造完成。同年，全球第一架3D打印的飞机问世。2012年3D打印机打印出人造肝脏组织。
3D打印技术是加工制造行业划时代的标志，大力发展3D打印技术，必将加快未来“全民设计”的步伐，带动工业、生活、经济的快速制造行业发展。3D打印机将呈现四个方面的发展趋势：（一）3D打印速度和效率将不断提升。随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，打印速度和效率有望获得更大提升；（二）3D打印材料更加多样化。随着先进材料的不断发展，智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等将成为3D打印材料；（三）3D打印机价格大幅下降。一些较小规模的3D 打印机制造商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着技术进步及推广应用，3D打印机的价格有望大幅下降。（四）3D打印机应用领域更加广泛。3D打印机诞生后，早期主要用于航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟，3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件、皮肤、骨骼等活体组织。专家预计，在不久的将来，从鞋、眼镜到厨房用具、汽车等各种产品都可以用3D打印机生产出来。[36]
3.3.4 3D打印的意义：
3D打印技术发展如此迅猛，它的主要意义体现在以下三个方面：（一）制造工艺的深刻变革。3D 打印的特点在于通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工。因此，这项工艺也被称作“堆积制造”或“添加制造”。这改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间，带来了制造工艺的深刻变革。（二）制造技术的重大飞跃。3D 打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了CAD/CAM 技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3D 打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。（三）制造模式的一次“革命”。3D打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3D 打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3D 打印将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人。
