心臟介入影像一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)的研究

朱國(guó)忠，孔春勝，孫勇

1.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院心臟中心，浙江 杭州 310009；2.浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027

心臟介入影像一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)的研究

朱國(guó)忠1，孔春勝2，孫勇1

1.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院心臟中心，浙江 杭州 310009；2.浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027

心血管介入手術(shù)中，數(shù)字減影（DSA）影像和血管內(nèi)超聲（IVUS）影像之間無(wú)法進(jìn)行精確對(duì)照，給介入手術(shù)造成了很大的影響。鑒于此，本研究開(kāi)發(fā)了一種集成DSA影像和IVUS影像的一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、DSA影像模塊、IVUS影像模塊、血管三維成像模塊、DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)模塊、影像報(bào)告模塊和傳輸模塊組成。該系統(tǒng)結(jié)合DSA影像和IVUS影像，可多方位對(duì)血管進(jìn)行分析處理。臨床實(shí)踐結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠很好地將DSA影像與IVUS影像進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，且聯(lián)動(dòng)誤差≤1.5 mm，在臨床上可以接受；同時(shí)該系統(tǒng)也能夠很好地實(shí)現(xiàn)DSA影像和IVUS影像的血管的分割重建、測(cè)量和三維重建等。術(shù)者應(yīng)用該系統(tǒng)可判斷是否要對(duì)病變血管行介入治療以及行介入治療的血管段位置，并能夠精確選擇支架的大小和對(duì)支架進(jìn)行定位。

數(shù)字減影；血管內(nèi)超聲；血管測(cè)量；影像聯(lián)動(dòng)

冠狀動(dòng)脈造影是診斷冠狀動(dòng)脈疾病的“金標(biāo)準(zhǔn)”，可以給絕大多數(shù)有心臟病危險(xiǎn)因素和不典型心絞痛癥狀的患者提供明確的診斷信息[1]。但在臨床應(yīng)用中，冠狀動(dòng)脈造影也顯示出諸多不足，如不能顯示管壁和斑塊的具體信息，有可能使術(shù)者低估冠脈狹窄的程度等；加之冠脈血管重構(gòu)概念的提出，使得人們不得不重新評(píng)價(jià)冠脈造影在冠心病診療中的可靠性[2]。

血管內(nèi)超聲（Intravascular Ultrasound，IVUS）[3-4]是一種利用導(dǎo)管將高頻微型超聲探頭導(dǎo)入血管腔內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，再經(jīng)電子成像系統(tǒng)來(lái)顯示心血管組織結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)的微細(xì)解剖信息的技術(shù)，不僅可以準(zhǔn)確測(cè)量管腔及斑塊的大小，還可提供管壁和斑塊的組織信息，能夠彌補(bǔ)冠脈造影的不足。

在對(duì)彌漫性血管病變和血管開(kāi)口病變等復(fù)雜或危險(xiǎn)因素高的病變進(jìn)行介入治療時(shí)，往往需要IVUS的指導(dǎo)。然而，受肉眼觀察的局限性、術(shù)者和技師溝通的盲點(diǎn)等因素影響，人為很難精確地將IVUS影像與DSA（數(shù)字減影）影像結(jié)合在一起進(jìn)行分析，這會(huì)影響介入手術(shù)質(zhì)量的提高。因此，開(kāi)發(fā)一種能結(jié)合DSA影像和IVUS影像，實(shí)現(xiàn)血管點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分析的影像處理系統(tǒng)，將有力推動(dòng)心血管介入手術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量的提高，而此類(lèi)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有具體的研究報(bào)告。鑒于此，本研究開(kāi)發(fā)了一種DSA影像和IVUS影像聯(lián)動(dòng)的心臟介入影像一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，報(bào)道如下。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

心臟介入影像一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)與外圍設(shè)備的關(guān)系架構(gòu)圖，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)主要通過(guò)其數(shù)據(jù)采集模塊分別獲取DSA影像和IVUS影像，經(jīng)系列處理后，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，將影像和測(cè)量報(bào)告?zhèn)魉椭林付ǖ挠跋窦芍醒胝尽?/p>

圖1 心臟介入影像一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)與外圍設(shè)備的關(guān)系架構(gòu)圖

系統(tǒng)內(nèi)部主要包括7個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、DSA影像模塊、IVUS影像模塊、血管三維成像模塊、DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)模塊、影像報(bào)告模塊以及傳輸模塊。模塊之間的關(guān)系架構(gòu)圖，見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的關(guān)系架構(gòu)圖

1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊利用C#實(shí)現(xiàn)對(duì)DSA影像和IVUS影像的實(shí)時(shí)讀取、保存和傳輸。為了提高系統(tǒng)可更新性，該模塊通過(guò)獲取無(wú)損不壓縮的原始影像數(shù)據(jù)，來(lái)保證后期數(shù)據(jù)處理的便捷性和高質(zhì)量性[5]。

1.2.2 DSA影像模塊

該模塊用于對(duì)采集的DSA影像進(jìn)行血管走形重建，以實(shí)現(xiàn)血管的分割重建和測(cè)量。

“水來(lái)了！”10月的獲澤河注水口，奔涌而出的清澈水流匯入獲澤河，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)補(bǔ)水修復(fù)“水生態(tài)”，有力提高了水體修復(fù)自凈能力，對(duì)改善水質(zhì)、抑制水藻暴發(fā)、修復(fù)河流生態(tài)有獨(dú)特的作用。提升了縣城生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量，河道周邊生態(tài)環(huán)境也得到進(jìn)一步修復(fù)，再現(xiàn)綠水穿城的美麗畫(huà)卷。

DSA影像與其他靜態(tài)的醫(yī)學(xué)影像相比，由于心臟的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，DSA影像對(duì)于心臟血管的分割重建有一定的特殊性：① 分辨率低，圖像分辨率以512像素×512像素為主，因此圖像模糊，不能實(shí)現(xiàn)血管邊界的連續(xù)提取；② 心臟血管成像是運(yùn)動(dòng)的，因此通過(guò)一些依靠常規(guī)配準(zhǔn)的方法很難實(shí)現(xiàn)其血管的分割重建；③ 心臟血管成像靠造影劑顯影，由于心臟的收縮和舒張，血流更新快，外加每位介入醫(yī)生的手法不同，導(dǎo)致造影劑濃度對(duì)于血管分割具有很大影響；④ 心臟成像的背景亮度不均勻，并且由于心臟的運(yùn)動(dòng)，極難通過(guò)建模來(lái)消除背景的影響，因此導(dǎo)致大量穩(wěn)定有效、準(zhǔn)確率高而快速的方法無(wú)法應(yīng)用于其血管的分割重建。

鑒于此，該模塊在采用匹配濾波的方法實(shí)現(xiàn)不相交和較粗血管的交互式提取的基礎(chǔ)上，對(duì)模糊的、細(xì)小的和交叉的血管使用多尺度分析和模型建模的方法，以實(shí)現(xiàn)更好的分割重建效果[6-7]。此外，在血管分割重建的基礎(chǔ)上，該模塊以造影導(dǎo)管尺寸做參照，以實(shí)現(xiàn)對(duì)興趣血管段的管腔直徑、長(zhǎng)度等的測(cè)量。

1.2.3 IVUS影像模塊

該模塊用于對(duì)采集的IVUS影像進(jìn)行全自動(dòng)或人機(jī)互動(dòng)式分析。

該模塊通過(guò)圖搜索方法實(shí)現(xiàn)對(duì)IVUS影像的圖像重建分析，即以動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想為基礎(chǔ)，構(gòu)造一個(gè)含有圖像灰度信息和邊緣信息的累積代價(jià)矩陣，通過(guò)搜索該矩陣，獲得待檢測(cè)目標(biāo)的邊緣[8-9]。為提高搜索速度和適應(yīng)不同的病例圖像，該模塊搜索方法中還加入了相關(guān)啟發(fā)信息以及人為交互項(xiàng)。

此外，在圖像重建分析的基礎(chǔ)上，該模塊通過(guò)以IVUS導(dǎo)管的自身尺寸做參照，來(lái)對(duì)IVUS影像上的興趣圖像進(jìn)行全自動(dòng)或人機(jī)互動(dòng)式的測(cè)量。其中，全自動(dòng)測(cè)量是指計(jì)算機(jī)根據(jù)血管橫截面上的自身管腔和殘余管腔的邊界灰度值等特征值的不同，自動(dòng)獲取自身管腔和殘余管腔的邊界，并獲取測(cè)量結(jié)果；而人機(jī)互動(dòng)式測(cè)量是指在計(jì)算機(jī)對(duì)興趣圖像進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，提供修改界面，進(jìn)而修改血管橫截面上自身管腔和殘余管腔的邊界，根據(jù)新勾勒的管腔邊界再進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。測(cè)量的內(nèi)容主要包括：血管橫截面上的自身管腔與殘余管腔的管腔面積、直徑和斑塊負(fù)荷以及縱截面上的血管長(zhǎng)度。

1.2.4 血管三維成像模塊

該模塊用于對(duì)感興趣的血管進(jìn)行三維成像，即根據(jù)IVUS影像的血管橫截面和縱截面影像以及DSA影像分割重建后的血管走形，生成直觀的血管三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)獲取相應(yīng)的血管容積。

1.2.5 DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)，即根據(jù)重建后的DSA影像血管，勾勒興趣血管的中心線，根據(jù)中心線上的起始點(diǎn)和終末點(diǎn)，確定IVUS影像上相應(yīng)的起始幀和結(jié)束幀圖像，并計(jì)算出IVUS影像上起始幀和結(jié)束幀之間的圖像幀數(shù)N，進(jìn)而自動(dòng)將中心線上的起始點(diǎn)和終末點(diǎn)之間的血管分割成N個(gè)等距離的點(diǎn)，使得每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于IVUS影像上的一幀圖像。再通過(guò)對(duì)DSA影像模塊所獲得的影像結(jié)果和IVUS影像模塊所獲得的血管測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，輔助術(shù)者判斷是否要對(duì)病變血管行介入治療以及行介入治療的血管段位置，進(jìn)而確定治療方案，精確選擇支架大小和對(duì)支架進(jìn)行定位。DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)模塊界面圖，見(jiàn)圖3。

圖3 DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)模塊界面圖

1.2.6 影像報(bào)告模塊

該模塊用于在介入手術(shù)完成后分析相關(guān)結(jié)果，生成報(bào)告。

1.2.7 傳輸模塊

該模塊用于將系統(tǒng)所生成的影像和報(bào)告?zhèn)鬏斨林付ǖ挠跋窦芍醒胝尽?/p>

2 臨床應(yīng)用

2.1 操作方法

該系統(tǒng)的具體操作方法如下：

（1）通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)獲取術(shù)中DSA影像和IVUS影像。

（2）通過(guò)DSA影像和IVUS影像的對(duì)照，找到感興趣的病變血管，用DSA影像模塊重建血管走形，勾勒中心線，并自動(dòng)生成垂直于中心線的可移動(dòng)線，在中心線上標(biāo)注興趣血管的起始點(diǎn)和終末點(diǎn)。

（3）根據(jù)興趣血管的起始點(diǎn)和終末點(diǎn)，確定IVUS影像上相應(yīng)的起始幀和結(jié)束幀圖像，實(shí)現(xiàn)DSA影像上的興趣血管的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)IVUS影像上相應(yīng)的幀圖像。

（4）選擇聯(lián)動(dòng)操作后，在興趣血管上的N個(gè)點(diǎn)上移動(dòng)可移動(dòng)線時(shí)，IVUS影像上的幀圖像會(huì)相應(yīng)地移動(dòng)；反之，在IVUS影像上的開(kāi)始幀與結(jié)束幀之間移動(dòng)圖像時(shí)，DSA影像上的可移動(dòng)線也會(huì)相應(yīng)地移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)DSA影像和IVUS影像的聯(lián)動(dòng)，確?？梢苿?dòng)線所處的血管點(diǎn)與IVUS影像的當(dāng)前幀圖像相吻合，輔助術(shù)者對(duì)DSA影像和IVUS影像進(jìn)行對(duì)照分析；并通過(guò)血管管腔的測(cè)量結(jié)果，輔助術(shù)者在DSA影像上判斷是否要對(duì)病變血管行介入治療以及行介入治療的具體位置，進(jìn)而確定治療方案，精確選擇支架大小和對(duì)支架進(jìn)行定位。

（5）生成報(bào)告并隨測(cè)量后的影像一同上傳至指定的影像集成中央站。

此外，如果有血管三維成像的需求，則可以用血管三維成像模塊生成直觀的血管三維結(jié)構(gòu)。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

臨床應(yīng)用結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠很好地將DSA影像與IVUS影像進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，雖然兩者聯(lián)動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，即便對(duì)于很長(zhǎng)的病變血管（＞80 mm）和很扭曲的病變血管（血管角度＞70°），其誤差也在1.5 mm之內(nèi)，在臨床使用上可以接受。同時(shí)該系統(tǒng)也能夠很順利地實(shí)現(xiàn)DSA影像和IVUS 影像的血管分割重建、測(cè)量和三維重建等，且具有以下效果：① 可直觀獲取血管的真實(shí)長(zhǎng)度、血管管腔直徑、血管管腔面積和容積以及斑塊負(fù)荷；② 可獲取直觀的血管三維結(jié)構(gòu)；③ 可通過(guò)對(duì)DSA影像模塊所獲得的影像結(jié)果和IVUS影像模塊所獲得的血管測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，更精確地分析病變血管，輔助術(shù)者進(jìn)行手術(shù)。

3 討論

在心臟血管的介入手術(shù)中，通過(guò)IVUS獲取血管橫截面的結(jié)構(gòu)是非常重要的，血管的殘余管腔面積和斑塊負(fù)荷是術(shù)者決定是否需要對(duì)患者行介入治療的關(guān)鍵性指標(biāo)[10]：當(dāng)血管的殘余管腔面積小于一定程度或斑塊負(fù)荷大于一定程度時(shí)，都需要對(duì)心臟血管行介入治療。而血管的管腔直徑和長(zhǎng)度對(duì)于介入治療時(shí)支架和球囊尺寸的選擇至關(guān)重要，通過(guò)測(cè)量IVUS影像獲取的病變近端和遠(yuǎn)端的血管直徑以及兩者之間的長(zhǎng)度，可以更好地幫助術(shù)者選擇支架和球囊的尺寸。而對(duì)支架的定位需要在DSA影像上進(jìn)行，所以術(shù)者需要將DSA影像和IVUS影像進(jìn)行結(jié)合，以明確IVUS影像上病變最重處、病變近端和遠(yuǎn)端以及其他感興趣的病變各自對(duì)應(yīng)的DSA影像上的血管的具體位置。

本研究開(kāi)發(fā)的心臟介入影像一體化在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)能夠很好地將DSA影像與IVUS影像進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，可為心臟介入醫(yī)生提供很大的幫助，可為患者帶來(lái)直接的利益，具有一定的臨床實(shí)用價(jià)值。

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Research on the Integrated Online Real-Time Analysis System of Cardiovascular Interventional Images

ZHU Guo-zhong1, KONG Chun-sheng2, SUN Yong1
1.Heart Center, Second Affiliated Hospital, Zhejiang University College of Medicine, Hangzhou Zhejiang 310009, China; 2.Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China

Failure to make accurate comparisons between digital subtraction (DSA) images and intravascular ultrasound (IVUS) images had big in fl uence on cardiovascular interventional operations. In view of this, an integrated online real-time analysis system was developed, which integrated DSA images and IVUS images and mainly consisted of the data acquisition module, DSA image module, IVUS image module, three-dimensional vascular imaging module, DSA-and-IVUS-image linkage module, image reporting module and image transmission module. In combination with DSA images and IVUS images, the system could make blood vessels analyzed and processed in an all-round way. According to the results of clinical practices, the system realized excellent linkage between DSA images and IVUS images with errors ≤ 1.5 mm, which was acceptable clinically. Meanwhile, it also could realize segmented reconstruction, measurement and three dimensional reconstruction of DSA images and IVUS images. With utilization of the system, interventional heart doctors could identify whether interventional treatment was necessary for pigmented blood vessels as well as the position of interventional treatment. Moreover, it could help interventional heart doctors to select the accurate stent size and position the stent.

digital subtraction; intravascular ultrasound; vascular measurement; image linkage

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.06.008

1674-1633(2015)06-0039-03

2014-11-28

浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生一般研究計(jì)劃項(xiàng)目支持（2013KYA084）；浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生平臺(tái)骨干人才計(jì)劃項(xiàng)目支持（2013RCA019）。

孫勇，主任醫(yī)師。

作者郵箱：braveheart0730@qq．com