基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位法的超聲-CT/MR融合成像的可行性研究

曾慶勁，顏榮華，吳宇軒，龍穎琳，羅麗萍，李 凱，許爾蛟，鄭榮琴

（中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院1.超聲科，2.放射科，廣東廣州510630）

超聲融合成像技術(shù)是通過(guò)將超聲與不同影像學(xué)圖像進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)超聲與多種影像圖像的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)顯示，使得超聲與不同影像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，在病灶的定位及實(shí)時(shí)引導(dǎo)穿刺活檢及療效評(píng)估方面，均發(fā)揮著顯著的作用［1-5］。超聲-CT/MR圖像融合技術(shù)充分發(fā)揮了超聲影像簡(jiǎn)便實(shí)時(shí)無(wú)輻射、CT/MR病灶高分辨力無(wú)盲區(qū)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在肝臟局灶性病變定位診斷及治療中發(fā)揮著重要作用［6-13］，尤其適用于常規(guī)超聲下顯示不清的病灶，例如等回聲病灶、晚期肝硬化背景下病灶等。然而目前常用的融合成像對(duì)位方法為人工手動(dòng)對(duì)位，如內(nèi)定標(biāo)對(duì)位法等，其通過(guò)肝內(nèi)脈管結(jié)構(gòu)（如門靜脈、肝靜脈等）或病灶（如囊腫等）作為對(duì)位標(biāo)志物進(jìn)行平面匹配，從而實(shí)現(xiàn)三維容積的配準(zhǔn)融合［1-12］。常規(guī)手動(dòng)方法過(guò)程較為繁瑣費(fèi)時(shí)，需要具備相當(dāng)?shù)尼t(yī)學(xué)影像專業(yè)基礎(chǔ)及較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用培訓(xùn)，不同經(jīng)驗(yàn)的操作者手動(dòng)對(duì)位所需時(shí)間及對(duì)位精度存在不同程度差異，因此圖像融合過(guò)程成為影響該方法臨床應(yīng)用的技術(shù)瓶頸［6-7，10-14］?；诟伪砻嬷悄茏詣?dòng)對(duì)位超聲-CT/MR融合成像技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取分割超聲三維容積內(nèi)的肝表面輪廓特征，與CT/MR肝表面輪廓形態(tài)特征進(jìn)行全自動(dòng)智能配準(zhǔn)融合，實(shí)現(xiàn)整體肝臟的自動(dòng)對(duì)位，使得圖像融合對(duì)位過(guò)程更為簡(jiǎn)便高效，因此有可能解決圖像融合的技術(shù)瓶頸。本研究擬通過(guò)與常規(guī)內(nèi)定標(biāo)法比較，探討基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位法在肝臟局灶性病變定位的可行性及簡(jiǎn)便性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

2017年5月至2017年12月，符合以下入組標(biāo)準(zhǔn)的患者進(jìn)入本研究，納入研究的所有患者均簽署知情同意書(shū)。入組標(biāo)準(zhǔn)：①我院增強(qiáng)CT或MR檢查發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)局灶性病變，擬行超聲檢查評(píng)估病灶能否進(jìn)行超聲引導(dǎo)下消融治療；②肝內(nèi)病灶最大徑1～3 cm；③患者增強(qiáng)CT/MR的檢查時(shí)間在超聲檢查前1月內(nèi)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患者無(wú)法配合完成圖像融合操作（如：呼吸無(wú)法控制等）；②患者拒絕參加本研究；③病灶常規(guī)超聲不可見(jiàn)（如等回聲、肺氣腸氣遮擋等）。

1.2 儀器設(shè)備

采用Philips EPIQ7彩色多普勒超聲診斷儀，探頭型號(hào)為凸陣探頭C5-1（頻率：1～8 MHz）。超聲儀內(nèi)配置PercuNav融合成像系統(tǒng)，并配備了磁場(chǎng)發(fā)生器、磁場(chǎng)感應(yīng)器及患者示蹤器等。Percu-Nav圖像融合系統(tǒng)除了具有常規(guī)的人工內(nèi)定標(biāo)法進(jìn)行超聲-CT/MR圖像融合外，還具有基于肝表面的智能自動(dòng)對(duì)位超聲-CT/MR融合成像技術(shù)。

1.3 圖像融合方法

1.3.1 操作者要求和不同融合成像方法順序 由一位具有5年以上肝臟超聲融合成像檢查經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師對(duì)同一患者進(jìn)行兩種不同融合成像操作，在操作前由另一輔助人員通過(guò)抽簽隨機(jī)確定不同融合方法操作的先后順序，在融合對(duì)位前告知操作者融合方法順序。

1.3.2 圖像融合的兩種方法 首先在患者上方50 cm內(nèi)放置磁場(chǎng)發(fā)生器，并于前胸壁粘貼患者示蹤器，探頭貼附磁場(chǎng)感應(yīng)器，隨后將CT或MR的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入至超聲儀內(nèi)。盡量選擇能夠同時(shí)清晰顯示病灶及血管等解剖結(jié)構(gòu)的CT/MR影像序列（一般選擇門脈期序列），并在對(duì)應(yīng)序列圖像上根據(jù)病灶大小進(jìn)行標(biāo)記。①常規(guī)內(nèi)定標(biāo)人工對(duì)位法（人工法）：受檢者取仰臥位，由操作者進(jìn)行常規(guī)超聲掃查，調(diào)節(jié)好基本參數(shù)使得肝內(nèi)相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)清晰顯示；融合成像包括初步配準(zhǔn)及微調(diào)配準(zhǔn)兩個(gè)步驟，初步配準(zhǔn)使用CT/MR的門靜脈左支矢狀部橫切面作為對(duì)位切面，超聲探頭垂直掃查獲得相對(duì)應(yīng)的橫斷面超聲圖像，與CT/MR對(duì)應(yīng)切面進(jìn)行圖像融合完成初步配準(zhǔn)。其后根據(jù)病灶對(duì)位誤差決定是否需要微調(diào)，如病灶誤差＞3 mm，則采用系統(tǒng)提供的軌跡球法，通過(guò)變換層面、旋轉(zhuǎn)圖像和軌跡球直接移動(dòng)圖像等方式進(jìn)行微調(diào)配準(zhǔn)，使超聲圖像與CT/MR圖像配準(zhǔn)成功，微調(diào)配準(zhǔn)主要參照物一般使用病灶周邊脈管結(jié)構(gòu)，通常為肝內(nèi)2、3級(jí)門靜脈分支，而不使用病灶本身進(jìn)行直接對(duì)位。②基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位法（智能法）：受檢者取相同體位，由同一名操作者進(jìn)行超聲掃查；同樣先調(diào)整常規(guī)二維超聲圖像參數(shù)，使得肝內(nèi)相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)能清晰顯示，特別是近膈肌肝包膜能夠清晰辨識(shí)；隨后檢查者使用腹部凸陣探頭分別標(biāo)記胸骨及臍位置，然后囑受檢者呼氣末屏住呼吸后，在右肋間自頭側(cè)向足側(cè)通過(guò)自由臂掃查獲得包括近膈肌肝包膜的肝臟超聲三維圖像容積數(shù)據(jù)，選擇超聲儀內(nèi)置的基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位系統(tǒng)自動(dòng)完成圖像融合初步配準(zhǔn)過(guò)程。其后根據(jù)病灶對(duì)位誤差決定是否需要微調(diào)，微調(diào)配準(zhǔn)方法同常規(guī)內(nèi)定標(biāo)對(duì)位法。

1.3.3 融合成像圖像評(píng)價(jià)及參數(shù)記錄 ①配準(zhǔn)成功：經(jīng)過(guò)初步配準(zhǔn)和微調(diào)配準(zhǔn)，超聲與CT/MR圖像融合后肝內(nèi)病灶定位誤差不超過(guò)3 mm，且微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)不超過(guò)3次。②配準(zhǔn)失敗：智能自動(dòng)對(duì)位法系統(tǒng)提示無(wú)法完成配準(zhǔn)，或完成初步配準(zhǔn)后超聲與CT/MR圖像完全不匹配無(wú)法進(jìn)行后續(xù)微調(diào)配準(zhǔn)，或達(dá)到配準(zhǔn)精度所需微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)超過(guò)3次。③配準(zhǔn)誤差：配準(zhǔn)后超聲圖像與CT/MR圖像的病灶中心點(diǎn)間距離。④初步配準(zhǔn)誤差：初步配準(zhǔn)完成后的肝內(nèi)病灶配準(zhǔn)誤差。⑤微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)：初步配準(zhǔn)完成后，所進(jìn)行的微調(diào)配準(zhǔn)至肝內(nèi)病灶配準(zhǔn)誤差不超過(guò)3 mm所需次數(shù)。⑥總體配準(zhǔn)成功率：配準(zhǔn)成功的病例數(shù)與總病例數(shù)的百分比。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用MedCalc 12.7.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料采用中位數(shù)（最小值、最大值）表示，率的比較使用卡方檢驗(yàn)。定量參數(shù)值比較采用U檢驗(yàn)，分別對(duì)總體病灶、左肝病灶、右肝病灶進(jìn)行不同圖像融合方法的對(duì)位成功率、初步配準(zhǔn)誤差、微調(diào)次數(shù)等兩兩比較。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 患者一般資料

2017年5月至2017年12月在我院行增強(qiáng)CT或MR發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)局灶性病變并擬行超聲引導(dǎo)下經(jīng)皮局部熱消融治療的患者30例（CT 4例，MR 26例），其中男21例，女9例，年齡31～74歲，中位年齡59歲。病灶大小1.0～2.7 cm，中位數(shù)1.6 cm。肝內(nèi)病灶位置分布情況：5例位于S2、2例位于S3，3例位于S4、5例位于S5、6例位于S6、3例位于S7、6例位于S8。

2.2 兩種融合成像方法的配準(zhǔn)成功率及配準(zhǔn)效率比較

30例患者分別使用人工法和智能法兩種方法進(jìn)行圖像融合的結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，總體病例中智能法96.67%（29/30）配準(zhǔn)成功（圖1、2），總體病例比較中，智能法的總體配準(zhǔn)成功率與人工法無(wú)差異（P=1.00）。智能法與人工法共同失敗的1例病例為胸腹腔積液量發(fā)生變化引起肝臟位置形態(tài)發(fā)生改變所致。初步配準(zhǔn)誤差、微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)兩者比較，智能法與人工法差異也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

我們進(jìn)一步將30例患者根據(jù)病灶位置分為左肝病灶和右肝病灶分別進(jìn)行比較（表2、3）。結(jié)果顯示：對(duì)于位于左肝的10例病灶，總體配準(zhǔn)成功率智能法和人工法比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=1.00），但初步配準(zhǔn)誤差，人工法優(yōu)于智能法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），而微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)雖然人工法少于智能法，但兩者比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.09）；對(duì)于位于右肝的20例病灶，總體配準(zhǔn)成功率智能法和人工法比較差異也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=1.00），但初步配準(zhǔn)誤差，智能法優(yōu)于人工法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.01），同時(shí)，微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)智能法也少于人工法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.03）。

表1 30例患者人工法和智能法的配準(zhǔn)成功率及配準(zhǔn)效率比較Table 1 Comparison of performance on registration success rate and registration efficiency between intelligent method and manual method in the 30 study patients

圖1 基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位法的超聲-CT融合成像初步對(duì)位后肝臟圖像Fig.1 Liver image after initial registration of the intelligent automatic registration ultrasound-CT fusion imaging based on liver surface

3 討論

隨著圖像融合技術(shù)的發(fā)展，超聲圖像融合技術(shù)提供了術(shù)前準(zhǔn)確定位定性診斷、術(shù)前手術(shù)計(jì)劃方案制定、術(shù)中精確引導(dǎo)穿刺、術(shù)后療效評(píng)估等的“一站式”解決方案，在肝臟腫瘤術(shù)前診斷及微創(chuàng)治療中得到廣泛臨床應(yīng)用及認(rèn)可［6-14］。目前臨床最常用的圖像配準(zhǔn)對(duì)位方法為人工手動(dòng)對(duì)位，操作步驟較復(fù)雜，需時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)需要掌握較好的超聲和CT/MR閱片能力，易受操作者經(jīng)驗(yàn)及不同超聲圖像融合系統(tǒng)影響，尤其對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)者，對(duì)位融合費(fèi)時(shí)、繁瑣，缺乏簡(jiǎn)便性，影響圖像融合的臨床應(yīng)用［6-7，10-14］。而智能對(duì)位融合成像技術(shù)有望解決上述常規(guī)超聲-CT/MR圖像融合方法的不足。

圖2 基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位法的超聲-CT融合成像初次自動(dòng)對(duì)位后肝內(nèi)目標(biāo)病灶圖像Fig.2 Target lesion image after the initial registration of the intelligent automatic registration ultrasound-CT fusion imaging based on liver surface

表2 10例左肝病灶人工法和智能法的配準(zhǔn)成功率及配準(zhǔn)效率比較Table 2 Comparison of performance on registration success rate and registration efficiency between intelligent method and manual method in 10 lesions in the left liver

表3 20例右肝病灶人工法和智能法的配準(zhǔn)成功率及配準(zhǔn)效率比較Table 3 Comparison of performance on registration success rate and registration efficiency between intelligent method and manual method in 20 lesions in the right liver

本研究采用的基于肝表面智能對(duì)位融合成像方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取分割所掃描超聲三維容積內(nèi)的肝表面輪廓形態(tài)特征，與所提取的CT/MR肝表面輪廓形態(tài)特征進(jìn)行全自動(dòng)智能配準(zhǔn)融合，實(shí)現(xiàn)整體肝臟的自動(dòng)對(duì)位圖像融合，這種方法類似于人臉智能識(shí)別。這種智能對(duì)位方法的特點(diǎn)主要在于采用掃查獲取超聲三維容積數(shù)據(jù)并與CT/MR圖像自動(dòng)匹配的步驟代替人工識(shí)別超聲和CT/MR的肝內(nèi)解剖標(biāo)記進(jìn)行人工對(duì)位配準(zhǔn)的過(guò)程，而掃查獲取超聲三維容積數(shù)據(jù)的步驟相對(duì)操作難度不大，絕大部分操作者無(wú)需太多前期操作培訓(xùn)便可熟練掌握，因而使得圖像融合對(duì)位過(guò)程更為簡(jiǎn)便高效。

本研究結(jié)果顯示，常規(guī)內(nèi)定標(biāo)圖像融合、基于肝表面智能圖像融合的總體圖像融合成功率均為96.67%（29/30），兩者之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），證實(shí)基于肝表面智能圖像融合成像同樣具有較好的可行性。該結(jié)果與既往文獻(xiàn)［15-19］報(bào)道的其他智能對(duì)位融合成像成功率（約72.73%～100%）相仿，提示該項(xiàng)技術(shù)的圖像配準(zhǔn)可行有效。

本研究在所有30例患者中，人工法和智能法的初次配準(zhǔn)誤差和微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)并沒(méi)有差異（P＞0.05），似乎并沒(méi)有體現(xiàn)智能法的優(yōu)勢(shì)。因此我們對(duì)30例病例根據(jù)病灶位置進(jìn)行分層分析，比較左肝病灶和右肝病灶兩種對(duì)位方法的差異性。無(wú)論是左肝還是右肝病灶中，智能法和人工法的圖像融合成功率均沒(méi)有差異。但對(duì)于位于左肝病灶，人工法的初次配準(zhǔn)誤差優(yōu)于智能法，后續(xù)的微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)，人工法也相對(duì)少于智能法（P=0.09，可能與病例數(shù)不足有關(guān)）。相反的，對(duì)于位于右肝的病灶，智能法的初次配準(zhǔn)誤差和后續(xù)的微調(diào)配準(zhǔn)次數(shù)均優(yōu)于人工法。究其原因，可能與兩種對(duì)位方式選擇的初步配準(zhǔn)位置有關(guān)，人工法常規(guī)選擇左肝的門靜脈左支矢狀部作為初步配準(zhǔn)平面，因此對(duì)于位于左肝的病灶配準(zhǔn)的誤差更小，由于初步配準(zhǔn)誤差較小，后續(xù)的微調(diào)配準(zhǔn)相對(duì)也簡(jiǎn)單，能夠在更少的微調(diào)次數(shù)下實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)成功；另一方面，智能法一般采用右肋間獲取右肝的三維容積圖像作為自動(dòng)配準(zhǔn)的超聲基準(zhǔn)圖像，因此，相對(duì)于位于左肝的病灶，采用智能法對(duì)于位于右肝的病灶圖像的初步配準(zhǔn)精度較高，后續(xù)微調(diào)配準(zhǔn)也相對(duì)簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。因此我們認(rèn)為，對(duì)于位于右肝的病灶可以優(yōu)先考慮采用智能法進(jìn)行對(duì)位，由于右肝的病灶相對(duì)多見(jiàn)，因此適應(yīng)的病例相對(duì)較多，而對(duì)于位于左肝的病灶，對(duì)于有融合成像經(jīng)驗(yàn)的操作者，建議仍采用人工法。

本研究操作者僅有一位具有豐富圖像融合經(jīng)驗(yàn)的超聲醫(yī)師，主要原因?yàn)槎辔徊僮髡咄瑫r(shí)對(duì)同一患者進(jìn)行檢查將增加患者檢查時(shí)間及不適感，但因該操作者對(duì)于內(nèi)定標(biāo)圖像融合方法相對(duì)熟練，因此本研究不能充分反映基于肝表面智能對(duì)位圖像融合技術(shù)對(duì)于無(wú)經(jīng)驗(yàn)操作者的實(shí)際幫助價(jià)值，這有待后續(xù)進(jìn)一步研究。但本研究結(jié)果顯示，即使對(duì)于有豐富圖像融合經(jīng)驗(yàn)的操作者，對(duì)于右肝病灶該技術(shù)依然能明顯提高操作效率，初步體現(xiàn)了該技術(shù)的簡(jiǎn)便性。其次，本研究對(duì)于左肝病灶病例數(shù)相對(duì)較少，因而對(duì)于左肝病灶的統(tǒng)計(jì)結(jié)果未能充分顯示兩種融合成像方法的差異，有待后續(xù)增加樣本量進(jìn)一步分析。

綜上所述，基于肝表面智能自動(dòng)對(duì)位法的超聲-CT/MR融合成像技術(shù)具有較高的配準(zhǔn)成功率，可行性較好；相對(duì)于常規(guī)的內(nèi)定標(biāo)人工對(duì)位法，對(duì)于右肝病灶其融合成像操作過(guò)程更為簡(jiǎn)便高效，有助于降低對(duì)操作者融合成像技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的依賴性。