基于超聲-CT圖像的心臟影像融合數(shù)據(jù)處理方法

陳思楷，周 青，周燕翔，宋宏寧，鄧 傾，楊遠(yuǎn)婷，陳金玲

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲影像科，湖北 武漢 430060)

近年來(lái)，經(jīng)食管三維超聲心動(dòng)圖(three-dimensional transesophageal echocardiography, 3D-TEE)迅速發(fā)展，顯示心臟瓣膜優(yōu)于CT[1-3]，超聲三維重建心臟瓣膜結(jié)構(gòu)具有較高空間分辨率和準(zhǔn)確率，且無(wú)輻射損害，已用于臨床[4-6]，并具備與其他模態(tài)3D圖像融合的基礎(chǔ)。不同模態(tài)醫(yī)學(xué)影像圖像之間具有互補(bǔ)性，將其融合可獲得更豐富的臨床信息[7-8]。多模態(tài)影像融合有利于發(fā)揮不同成像方式的優(yōu)點(diǎn)，是心臟3D打印技術(shù)發(fā)展中的重要技術(shù)，但關(guān)于圖像融合的方法學(xué)及準(zhǔn)確率評(píng)估尚不統(tǒng)一。本研究采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)探討超聲左心瓣膜與CT心腔圖像融合的方法學(xué)，與心臟標(biāo)本對(duì)照確定融合配準(zhǔn)指標(biāo)，繼而通過(guò)臨床研究驗(yàn)證圖像融合方法的可行性和融合配準(zhǔn)指標(biāo)的可靠性。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 雄性比格犬6只，月齡5.12～6.73個(gè)月，平均(6.03±0.62)個(gè)月；體質(zhì)量9.57～10.78 kg，平均(10.21±0.33)kg。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物由北京瑪斯生物技術(shù)有限公司提供，許可證號(hào)：SCXK(京)2016-0001。

1.1.1 圖像采集 經(jīng)靜脈注射3%戊巴比妥鈉30 mg/kg體質(zhì)量對(duì)實(shí)驗(yàn)犬進(jìn)行麻醉，以2 ml/h維持麻醉，氣管插管后以呼吸機(jī)輔助通氣。

CT掃描：采用GE Revolution Xtream 256排CT掃描儀，將已麻醉的實(shí)驗(yàn)犬左側(cè)臥位保定于掃描床。采用高壓注射器以1 ml/s流率注射10 ml碘普羅胺(300 mgI/ml)。采用心電門(mén)控監(jiān)測(cè)心律，選取1個(gè)完整R-R間期，當(dāng)主動(dòng)脈根部對(duì)比劑CT值達(dá)250 HU時(shí)觸發(fā)掃描。增強(qiáng)掃描參數(shù)：管電壓100 kV，管電流200～500 mA，噪聲指數(shù)12，掃描層厚和重建層厚均為0.625 mm。

3D-TEE檢查：采用GE Vivid E9超聲儀，食管三維容積探頭6VT-D，頻率3.5～7.0 MHz。CT掃描結(jié)束后，于左側(cè)第6肋間開(kāi)胸，行心包懸吊后將探頭置于實(shí)驗(yàn)犬心包腔中，直接接觸心臟表面采集4D圖像。調(diào)整探頭，待清晰顯示左心瓣膜二維灰階圖像后，使用“4D ZOOM”功能將左心瓣膜置于取樣框中，于心尖五腔心切面采集主動(dòng)脈瓣圖像，于右房室溝三尖瓣環(huán)旁切面采集二尖瓣圖像和主動(dòng)脈瓣圖像，儲(chǔ)存連續(xù)5個(gè)心動(dòng)周期二尖瓣及主動(dòng)脈瓣容積圖像。

1.1.2 圖像后處理 CT圖像處理：采用GE ADW 4.6工作站，導(dǎo)出75% R-R間期實(shí)驗(yàn)犬DICOM格式數(shù)據(jù)。以Mimics innovationsuite 19.0軟件對(duì)CT數(shù)據(jù)行閾值分割(設(shè)定閾值為625～3 000 HU)，去除左心房、左心室和主動(dòng)脈根部以外的圖像后，將上述3部分分割并單獨(dú)存儲(chǔ)，獲取CT左心血池容積圖像。然后將左心房、左心室及主動(dòng)脈根部血池容積圖像外擴(kuò)2 mm，刪除原血池容積圖像，獲得模擬左心腔壁結(jié)構(gòu)圖像，經(jīng)光滑降噪處理后以STL(stereo lithography)格式保存(圖1)。

3D-TEE圖像處理：采用EchoPac工作站，為保持與CT圖像處于同一時(shí)相，從75% R-R間期實(shí)驗(yàn)犬心臟數(shù)據(jù)中選取二尖瓣開(kāi)放時(shí)相和主動(dòng)脈瓣閉合時(shí)相容積圖像進(jìn)行后處理。以Mimics innovationsuite 19.0軟件對(duì)超聲心臟數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割(二尖瓣設(shè)定為70～240，主動(dòng)脈瓣設(shè)定為50～220)，去除心臟瓣膜周邊組織和噪聲圖像，手動(dòng)填充部分回聲失落區(qū)域，獲得超聲二尖瓣及主動(dòng)脈瓣容積圖像，經(jīng)光滑降噪處理后以STL格式保存(圖1)。

1.1.3 圖像配準(zhǔn)融合 時(shí)間配準(zhǔn)：CT增強(qiáng)和3D-TEE均選取75% R-R間期圖像。空間配準(zhǔn)：采用以心臟瓣環(huán)結(jié)構(gòu)為配準(zhǔn)點(diǎn)的內(nèi)部特征法，標(biāo)記主動(dòng)脈瓣環(huán)和二尖瓣環(huán)上移動(dòng)幅度較小的點(diǎn)為配準(zhǔn)點(diǎn)，將兩種不同模態(tài)的心臟影像相融合。二尖瓣環(huán)配準(zhǔn)點(diǎn)包括前瓣瓣環(huán)中點(diǎn)、后瓣瓣環(huán)中點(diǎn)、前外側(cè)聯(lián)合點(diǎn)(anterior lateral combination， ALC)及后內(nèi)側(cè)聯(lián)合點(diǎn)(posterior interior combination， PIC)；主動(dòng)脈瓣環(huán)包括左冠竇、右冠竇及無(wú)冠竇中點(diǎn)，并通過(guò)上述配準(zhǔn)點(diǎn)確定瓣環(huán)平面。于融合圖像上測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)，即二尖瓣ALC、PIC到心尖部的最大徑(D-ALC、D-PIC)，主動(dòng)脈瓣閉合口(aortic valve closure， AVC)到心尖部的最大徑(D-AVC)和二尖瓣環(huán)平面與主動(dòng)脈瓣環(huán)平面夾角(angle between the plane of mitral annulus and aortic annulus， AMA)。將測(cè)量數(shù)據(jù)歸為動(dòng)物融合組。

圖1 Mimics innovationsuite 19.0軟件中實(shí)驗(yàn)犬超聲和CT 3D DICOM圖像后處理 A～C.對(duì)超聲主動(dòng)脈瓣(A)、二尖瓣(B)及CT左心腔室結(jié)構(gòu)(C)的閾值分割； D～F.圖像分割后3D重建對(duì)應(yīng)左心結(jié)構(gòu)STL格式數(shù)字模型

圖2 3-Matic 11.0軟件將超聲心臟瓣膜STL文件和CT心腔STL文件依照配準(zhǔn)點(diǎn)相融合，最終獲得超聲-CT心臟影像融合左心數(shù)字模型 A.超聲瓣膜和CT心腔結(jié)構(gòu)； B.瓣膜與心腔結(jié)構(gòu)融合； C.融合心臟影像

圖3 于心臟標(biāo)本示中測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)示意圖 A.從犬心臟上游離下二尖瓣及主動(dòng)脈瓣瓣膜標(biāo)本，示ALC和PIC位置，于游離前心臟標(biāo)本中測(cè)量距離，游離后標(biāo)本測(cè)量AMA； B.心臟瓣膜示意圖，示ALC、PIC和AMA; C.心臟標(biāo)本示主動(dòng)脈瓣口位置(升主動(dòng)脈方向觀)

將CT左心STL文件和超聲瓣膜STL文件導(dǎo)入3-Matic 11.0軟件，保證圖像配準(zhǔn)時(shí)CT容積圖像固定，移動(dòng)超聲瓣膜圖像與CT心腔圖像相融合。隱藏左心室圖像，調(diào)整二尖瓣及主動(dòng)脈瓣容積圖像的空間位置和開(kāi)口方向，先將瓣環(huán)平面大致匹配，然后逐個(gè)將每個(gè)配準(zhǔn)點(diǎn)相重合，反復(fù)微調(diào)使超聲瓣膜圖像與CT心腔中瓣環(huán)位置重合，刪除重復(fù)容積圖像信息，對(duì)拼接融合處行局部光滑處理，最終獲得超聲-CT影像融合3D心臟容積圖像(圖2)。

1.1.4 測(cè)量心臟標(biāo)本 經(jīng)靜脈快速注射10%氯化鉀溶液10 ml，使犬心臟停搏于舒張期，之后取出心臟，置于10%甲醛固定液中固定。24 h后將心臟標(biāo)本取出置于操作臺(tái)，使用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量D-ALC、D-PIC和D-AVC(圖3)。游離心臟瓣膜，僅保留二尖瓣及主動(dòng)脈瓣瓣葉根部外緣約2 mm的纖維結(jié)締組織，視為瓣環(huán)結(jié)構(gòu)，然后將二尖瓣和主動(dòng)脈瓣從心臟標(biāo)本上游離，使用測(cè)角器測(cè)量AMA(圖3)。將測(cè)量數(shù)據(jù)歸為動(dòng)物標(biāo)本組。

1.2 臨床研究

1.2.1 一般資料 選取2018年1—9月我院擬接受心房顫動(dòng)(簡(jiǎn)稱(chēng)房顫)介入治療的41例房顫患者，男23例，女18例，年齡39～68歲，平均(51.2±12.6)歲。排除其他心律失常、心肌病、先天性心臟病或冠心病等心臟疾病患者。

1.2.2 儀器與方法 所用CT和3D-TEE檢查儀器與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相同。

CT檢查：囑患者仰臥，掃描范圍從氣管分杈水平至膈肌下約5 cm，經(jīng)右肘前靜脈注射非離子型對(duì)比劑優(yōu)維顯(370 mgI/ml)，流率4～5 ml/s，劑量1.0～1.2 ml/kg體質(zhì)量，總量60～80 ml。在回顧性心電門(mén)控下屏氣掃描，管電壓120 kV，管電流300～650 mA，螺距0.984，掃描層厚5 mm，重建層厚0.625 mm。

表1 動(dòng)物融合組與動(dòng)物標(biāo)本組測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)的比較(±s，n=6)

表1 動(dòng)物融合組與動(dòng)物標(biāo)本組測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)的比較(±s，n=6)

組別D-ALC(mm)D-PIC(mm)D-AVC(mm)AMA(°)動(dòng)物融合組43.89±0.6442.07±1.1243.48±1.09117.03±4.33動(dòng)物標(biāo)本組45.33±0.5243.44±1.4944.58±2.02115.80±5.29t值-0.897-1.866-1.4211.267P值0.2310.1210.2150.261

表2 臨床CT組與臨床融合組測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)的比較(±s，n=41)

表2 臨床CT組與臨床融合組測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)的比較(±s，n=41)

組別D-ALC(mm)D-PIC(mm)D-AVC(mm)AMA(°)臨床CT組87.78±6.3885.75±7.38105.43±7.29119.33±3.41臨床融合組89.72±5.1486.31±6.91107.62±8.32120.76±3.87t值-2.542-1.021-0.977-2.214P值0.1430.3140.3490.162

圖4 臨床實(shí)驗(yàn)中臨床融合組與臨床CT組各參數(shù)測(cè)量值的一致性分析 A.D-ALC； B.D-PIC； C.D-AVC； D.AMA

3D-TEE檢查：于食管中段獲取清晰心臟二維灰階圖像后，使用“4D ZOOM”功能在主動(dòng)脈根部長(zhǎng)軸切面(食管超聲探頭探測(cè)角度120°)及左心矢狀切面(食管超聲探頭探測(cè)角度90°)將主動(dòng)脈瓣及二尖瓣置入取樣框，調(diào)節(jié)3D增益獲取最優(yōu)圖像效果，Single Beat下存儲(chǔ)連續(xù)5個(gè)心動(dòng)周期二尖瓣及主動(dòng)脈瓣容積圖像。

1.2.3 圖像后處理 圖像處理方法和測(cè)量指標(biāo)同動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。將數(shù)據(jù)分為2組，1組為心臟CT增強(qiáng)圖像直接測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)的臨床CT組，另1組為超聲-CT圖像融合后測(cè)量圖像配準(zhǔn)指標(biāo)的臨床融合組。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料以±s表示，2組間測(cè)量數(shù)據(jù)差異的比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，一致性采用Bland-Altman分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 對(duì)6只實(shí)驗(yàn)犬均成功行超聲與CT心臟影像融合后處理，動(dòng)物融合組D-ALC、D-PIC和D-AVC測(cè)量值與動(dòng)物標(biāo)本組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05，表1)，2組差值均小于動(dòng)物標(biāo)本組測(cè)量值的5%；2組間AMA差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.077，表1)，且組間差值均小于5°。

2.2 臨床研究 對(duì)41例患者均成功實(shí)現(xiàn)超聲-CT心臟影像融合數(shù)字模型，臨床融合組與臨床CT組間D-ALC、D-PIC、D-AVC和AMA測(cè)量值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05，表2)。比較融合圖像和CT圖像中的測(cè)量值，D-ALC、D-PIC和D-AVC差值百分比在5%以?xún)?nèi)者均占87.80%(36/41)，AMA差值在5°以?xún)?nèi)者占92.68%(38/41)，見(jiàn)圖4。

3 討論

筆者前期超聲DICOM數(shù)據(jù)3D重建結(jié)果[9-10]顯示，多模態(tài)影像融合中，最關(guān)鍵的是圖像融合配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。圖像配準(zhǔn)包括時(shí)間配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn)。時(shí)間配準(zhǔn)中，超聲圖像和CT增強(qiáng)圖像的R-R間期不一定相等，75% R-R間期的CT增強(qiáng)圖像中，左心室處于舒張末期，二尖瓣開(kāi)放，主動(dòng)脈瓣關(guān)閉，可根據(jù)此時(shí)CT心電門(mén)控上的心電時(shí)相選取超聲瓣膜容積圖像中對(duì)應(yīng)時(shí)相，以保證2種不同模態(tài)的心臟影像能夠在時(shí)間上達(dá)到配準(zhǔn)?？臻g配準(zhǔn)中，本研究首先確定二尖瓣環(huán)以及主動(dòng)脈瓣環(huán)上的配準(zhǔn)點(diǎn)，使用3-Matic軟件配準(zhǔn)超聲瓣膜時(shí)，不僅2個(gè)瓣膜瓣環(huán)平面需要重合，配準(zhǔn)點(diǎn)也需盡可能重合，將重建的心臟瓣膜在3-Matic軟件中移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，可使CT和超聲圖像中配準(zhǔn)點(diǎn)相重合，然后微調(diào)瓣環(huán)平面夾角，最終得到多模態(tài)左心融合數(shù)字模型。

本研究的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，融合圖像與心臟標(biāo)本配準(zhǔn)指標(biāo)中AMA差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且差值較小(均<5°)。Zheng等[11-12]嘗試將X線(xiàn)與CT圖像融合、超聲與CT椎骨圖像融合，最終認(rèn)為圖像融合后測(cè)量誤差在5°以?xún)?nèi)可以接受。二尖瓣環(huán)與主動(dòng)脈瓣環(huán)之間通過(guò)一個(gè)共同的堅(jiān)韌纖維相延續(xù)，以固定主動(dòng)脈和二尖瓣，并在心室的附著處增厚，形成左纖維三角。二尖瓣平面與主動(dòng)脈瓣平面夾角在心臟運(yùn)動(dòng)中變化幅度較小，因此瓣環(huán)平面差值<5°提示瓣膜圖像融合配準(zhǔn)成功。心臟標(biāo)本中D-ALC、D-PIC和D-AVC較融合圖像中測(cè)量值略大，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且測(cè)量差值均<5%，提示兩者相關(guān)性好。兩組間產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因可能是游標(biāo)卡尺的測(cè)深尺在標(biāo)本左心室中測(cè)量時(shí)部分尖端伸入心肌軟組織內(nèi)所致。瓣環(huán)平面融合準(zhǔn)確時(shí)，這3個(gè)距離測(cè)量指標(biāo)反映心臟瓣膜與心臟整體結(jié)構(gòu)之間的空間位置，因此心臟瓣環(huán)與心尖部最大徑差值<5%時(shí)，可以認(rèn)為心臟瓣膜的融合是準(zhǔn)確的。

本研究臨床試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，臨床融合組與臨床CT組間D-ALC、D-PIC、D-AVC和AMA測(cè)量值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，且前三者差值均在5%以?xún)?nèi)者占87.80%(36/41)，92.68%(38/41)的AMA差值在5°以?xún)?nèi)，提示通過(guò)影像融合技術(shù)可獲得更多解剖學(xué)信息，其誤差在可接受范圍內(nèi)，心臟多模態(tài)融合影像能夠滿(mǎn)足臨床需求。

綜上所述，采用本研究中的圖像處理方法流程及圖像處理軟件，可將超聲心臟瓣膜圖像與CT心臟腔室圖像相融合，獲取較準(zhǔn)確的多模態(tài)3D心臟影像，彌補(bǔ)傳統(tǒng)CT對(duì)于心臟瓣膜結(jié)構(gòu)顯示的不足，為獲取更有臨床價(jià)值的3D打印模型提供方法和數(shù)據(jù)源。