實(shí)時(shí)超聲-X線(xiàn)透視圖像融合技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

錢(qián) 山，楊明雷*，黃 峰，王文馨，袁紅美

(1.沈陽(yáng)東軟智能醫(yī)療科技研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179;2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

心臟介入主要用于診斷和治療心血管疾病，具有創(chuàng)傷小、術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，其安全性和有效性已獲臨床證實(shí)[2-3]。X線(xiàn)透視成像是引導(dǎo)心臟介入操作的主要影像學(xué)方法之一，視野廣，可清晰顯示在體導(dǎo)管、瓣膜和起搏電極等結(jié)構(gòu)[4]；其主要不足為對(duì)人體有輻射，且僅能提供2D影像，不能清晰顯示在體軟組織[5]。超聲檢查安全無(wú)創(chuàng)，可對(duì)在體軟組織清晰成像[6-7]；3D超聲心動(dòng)圖不僅支持心臟容積成像，還能提供目標(biāo)結(jié)構(gòu)的立體3D視圖，輔助醫(yī)師全面了解心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息[8-9]，但其成像范圍窄，易受呼吸等移動(dòng)影響而產(chǎn)生偽影[10]。X線(xiàn)透視成像與超聲優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，臨床廣泛聯(lián)合應(yīng)用二者輔助引導(dǎo)心臟介入操作[11]，但因缺少能夠同時(shí)顯示上述兩種圖像的方法，操作時(shí)需以多個(gè)屏幕同時(shí)顯示，且需操作人員高度配合協(xié)作[12]。實(shí)時(shí)超聲-X線(xiàn)透視圖像融合技術(shù)能夠有效解決上述問(wèn)題，支持3D精準(zhǔn)可視化復(fù)雜心臟結(jié)構(gòu)[4,13-16]。本文對(duì)實(shí)時(shí)超聲-X線(xiàn)透視圖像融合技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展綜述。

1 醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)基本步驟

醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)旨在融合不同成像模式，以充分挖掘影像學(xué)信息[17]。多模態(tài)融合成像技術(shù)包括圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)及圖像融合顯示3個(gè)基本步驟。

1.1 圖像預(yù)處理 指對(duì)獲取的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行幾何校正、噪聲濾除及圖像分辨率統(tǒng)一等操作，還可根據(jù)不同目的建立數(shù)學(xué)模型，保留和恢復(fù)圖像的基本特征，以突出重要信息，為后續(xù)圖像處理做準(zhǔn)備[18-19]。目前常用醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理方法包括離散小波變化和基于深度學(xué)習(xí)的方法等[20]。

1.2 圖像配準(zhǔn) 基于一幅醫(yī)學(xué)圖像尋找恰當(dāng)?shù)目臻g變換，在空間上建立其與另一幅圖像中對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要包括提取空間特征、空間變換、插值、相似性測(cè)度和搜索策略?xún)?yōu)化5個(gè)步驟，可輔助醫(yī)師獲得病灶病理信息與解剖結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)信息，對(duì)臨床診治疾病具有重要意義[21]。圖像配準(zhǔn)與圖像融合關(guān)系密切，配準(zhǔn)是融合的先決條件，融合是配準(zhǔn)的目的之一。待融合圖像多來(lái)自不同影像學(xué)設(shè)備，在成像原理、方位和分辨率等方面可能存在較大差異，使得圖像配準(zhǔn)精度直接關(guān)系到圖像融合效果。通過(guò)配準(zhǔn)可充分挖掘多模態(tài)圖像的信息，提高數(shù)據(jù)利用率。

1.3 圖像融合 醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)可充分利用不同類(lèi)型的醫(yī)學(xué)圖像，根據(jù)對(duì)象不同，融合方法可分為像素級(jí)和特征級(jí)[22]。像素級(jí)圖像的融合原理是通過(guò)對(duì)兩幅圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值加權(quán)求和、灰度取大/小等操作創(chuàng)建融合圖像。特征級(jí)圖像融合指在提取特征、分割目標(biāo)等操作后進(jìn)行圖像融合，其算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)顯示效果較理想。目前常用圖像融合顯示技術(shù)包括加權(quán)平均法、多分辨率金字塔法、小波變換法、主成分分析法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[23]。

2 EchoNavigator導(dǎo)航系統(tǒng)和Artis zeego C臂系統(tǒng)

EchoNavigator導(dǎo)航系統(tǒng)和Artis zeego C臂系統(tǒng)是兩款主要實(shí)時(shí)超聲-X線(xiàn)透視圖像融合產(chǎn)品，二者技術(shù)路線(xiàn)不同，但設(shè)計(jì)思路類(lèi)似，均利用超聲和X線(xiàn)透視成像的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)算法自動(dòng)實(shí)時(shí)融合多模態(tài)圖像，以可視化復(fù)雜的心臟結(jié)構(gòu)。

2.1 EchoNavigator導(dǎo)航系統(tǒng) 能夠?qū)崟r(shí)融合并顯示靶部位的經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖(transesophageal echocardiography, TEE)和X線(xiàn)透視圖像，輔助醫(yī)師了解病灶結(jié)構(gòu)[2]。其具體操作步驟如下：①啟動(dòng)TEE和X線(xiàn)透視圖像采集裝置，通過(guò)TEE確定病灶及周?chē)浗M織解剖結(jié)構(gòu)，并在重要解剖結(jié)構(gòu)處以“點(diǎn)”或“叉”標(biāo)記參考點(diǎn)[4]；②通過(guò)校準(zhǔn)算法定位和追蹤TEE探頭位置和方向，進(jìn)行空間配準(zhǔn)并融合TEE與X線(xiàn)透視圖像[12]；③在同一坐標(biāo)系中同步顯示TEE、透視圖像、融合圖像及超聲標(biāo)記的參考點(diǎn)(圖1)[2,24]；④自動(dòng)跟蹤透視C臂運(yùn)動(dòng)軌跡，并以相同角度實(shí)時(shí)更新和重建融合圖像[25]；⑤醫(yī)師根據(jù)融合圖像確定病灶，明確手術(shù)設(shè)備移動(dòng)路徑并進(jìn)行手術(shù)[5]。

圖1 以二尖瓣假體滲漏閉合手術(shù)為例，EchoNavigator導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面[2] A.自由視圖，介入醫(yī)師自行決定圖像視角； B.超聲心動(dòng)圖視圖； C.龍門(mén)C臂架實(shí)時(shí)透視投影對(duì)應(yīng)的3D TEE圖像； D.X線(xiàn)透視圖像

目前EchoNavigator已用于成人經(jīng)皮導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換(transcatheter aortic valve replacement, TAVR)[2,26]、房間隔缺損(atrial septal defect， ASD)閉合[27]、椎旁滲漏(paravalvular leaks， PVL)閉合[28]、房間隔穿刺(transseptal puncture, TSP)[3,5]、經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣修復(fù)(transcatheter mitral annuloplasty, TMA)[28-29]及左心耳封堵(left atrial appendage closure, LAAC)[11]等多種心臟介入操作。其中TAVR術(shù)主要采用EchoNavigator觀察和標(biāo)記主動(dòng)脈瓣環(huán)，術(shù)中TEE標(biāo)記的主動(dòng)脈瓣環(huán)標(biāo)記點(diǎn)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換并實(shí)時(shí)顯示于透視圖像中，輔助醫(yī)師判斷導(dǎo)管引導(dǎo)路徑、評(píng)估假體植入深度[2,26]。ASD閉合術(shù)中，EchoNavigator圖像融合智能標(biāo)記技術(shù)可有效確保術(shù)中導(dǎo)管正確的穿孔通道和靶方向穿過(guò)隔膜，有助于精確放置手術(shù)設(shè)備及材料[27]，使醫(yī)師可在不使用對(duì)比劑的情況下開(kāi)展ASD術(shù)，提升了操作安全性[4]。TMA術(shù)中，EchoNavigator支持心房結(jié)構(gòu)可視化，智能標(biāo)記跨隔穿刺部位，輔助醫(yī)師規(guī)劃、糾正導(dǎo)管置入軌跡[29]。LAAC術(shù)中采用EchoNavigator可顯著提高導(dǎo)管、導(dǎo)絲及心臟解剖結(jié)構(gòu)的可視化程度，縮短操作時(shí)間，降低輻射劑量[30]。

2.2 Artis zeego C臂系統(tǒng) 利用SiemensArtis zeego C臂系統(tǒng)可將術(shù)前超聲心動(dòng)圖、心臟3D幾何模型和術(shù)中2D冠狀靜脈X線(xiàn)透視圖像融合為一幅圖像，用于引導(dǎo)放置用于心臟再同步治療(cardiac resynchronization therapy, CRT)的左心室導(dǎo)聯(lián)[13]。以陰極射線(xiàn)管超聲引導(dǎo)左心室放置低壓引線(xiàn)為例，圖像融合工具的工作流程分為CRT術(shù)前和術(shù)中兩部分[13]。術(shù)前首先以超聲獲得心臟幾何信息，構(gòu)建個(gè)體化平均3D心臟幾何模型(基于超聲參數(shù)按比例調(diào)整平均3D心臟幾何模型參數(shù))，輔助顯示左心室功能；之后基于超聲斑點(diǎn)追蹤技術(shù)計(jì)算左心室心肌應(yīng)變，并繪制基線(xiàn)應(yīng)變曲線(xiàn)，量化顯示心肌功能；醫(yī)師以盲法回顧性分析基線(xiàn)應(yīng)變曲線(xiàn)，定義并標(biāo)記導(dǎo)聯(lián)放置的目標(biāo)心肌節(jié)段(徑向應(yīng)變最晚達(dá)到峰值的心肌節(jié)段)。術(shù)中首先基于冠狀靜脈造影獲得X線(xiàn)透視圖像；之后將3D心臟幾何模型與X線(xiàn)透視圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，系統(tǒng)自動(dòng)、動(dòng)態(tài)追蹤C(jī)臂運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)時(shí)融合并顯示圖像，以綜合評(píng)估心肌功能及冠狀靜脈情況、選擇目標(biāo)冠狀靜脈節(jié)段并引導(dǎo)左心室導(dǎo)聯(lián)至目標(biāo)冠狀靜脈；最后基于融合圖像調(diào)整起搏電極至超聲定義的目標(biāo)心肌節(jié)段并放置左心室導(dǎo)聯(lián)。

一項(xiàng)回顧性研究[13]分析30例患者常規(guī)CRT術(shù)中2D X線(xiàn)透視圖像及術(shù)前超聲心動(dòng)圖，以真實(shí)臨床結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析Artis zeego C臂系統(tǒng)的應(yīng)用效果，結(jié)果表明其3D心臟幾何模型與X線(xiàn)透視圖像的配準(zhǔn)時(shí)間和準(zhǔn)確性均符合臨床要求，其中20例導(dǎo)聯(lián)放置位置與超聲定義的心肌節(jié)段的一致性良好。目前該圖像融合工具仍處于科研階段，尚未應(yīng)用于臨床。

3 小結(jié)與展望

心臟介入操作中，實(shí)時(shí)超聲-X線(xiàn)透視圖像融合技術(shù)可充分發(fā)揮兩種成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅能清晰顯示手術(shù)器械及解剖結(jié)構(gòu)，且可顯著降低輻射劑量，提高治療有效性及安全性。

EchoNavigator適用于引導(dǎo)介入操作中設(shè)備放置和顯示及標(biāo)記目標(biāo)部位，加強(qiáng)超聲科醫(yī)師和介入醫(yī)師的溝通合作，簡(jiǎn)化導(dǎo)管導(dǎo)航和設(shè)備放置流程。為正確、有效地使用該技術(shù)，不僅需要醫(yī)師充分了解兩種成像模式下心臟結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)形式，且需采集高分辨率超聲心動(dòng)圖和透視圖像，對(duì)醫(yī)師和圖像采集設(shè)備均提出了更高要求。Artis zeego C臂系統(tǒng)集成的多模態(tài)圖像融合工具，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化介入操作流程[13]，且能提供超聲所示目標(biāo)位置與靜脈解剖結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系，有助于精確輸送起搏電極。目前該工具雖然尚處于研究階段，僅在單中心進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，且納入樣本量有限，有待繼續(xù)觀察，但其臨床應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展空間巨大。