錢 山，楊明雷*，黃 峰，王文馨，袁紅美

(1.沈陽東軟智能醫(yī)療科技研究院有限公司，遼寧 沈陽 110179;2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽 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、術后恢復快等優(yōu)點[1-2]，其安全性和有效性已獲臨床證實[2-3]。X線透視成像是引導心臟介入操作的主要影像學方法之一，視野廣，可清晰顯示在體導管、瓣膜和起搏電極等結(jié)構[4]；其主要不足為對人體有輻射，且僅能提供2D影像，不能清晰顯示在體軟組織[5]。超聲檢查安全無創(chuàng)，可對在體軟組織清晰成像[6-7]；3D超聲心動圖不僅支持心臟容積成像，還能提供目標結(jié)構的立體3D視圖，輔助醫(yī)師全面了解心臟內(nèi)部結(jié)構信息[8-9]，但其成像范圍窄，易受呼吸等移動影響而產(chǎn)生偽影[10]。X線透視成像與超聲優(yōu)勢互補，臨床廣泛聯(lián)合應用二者輔助引導心臟介入操作[11]，但因缺少能夠同時顯示上述兩種圖像的方法，操作時需以多個屏幕同時顯示，且需操作人員高度配合協(xié)作[12]。實時超聲-X線透視圖像融合技術能夠有效解決上述問題，支持3D精準可視化復雜心臟結(jié)構[4,13-16]。本文對實時超聲-X線透視圖像融合技術研究及應用進展綜述。

1 醫(yī)學圖像融合技術基本步驟

醫(yī)學圖像融合技術旨在融合不同成像模式，以充分挖掘影像學信息[17]。多模態(tài)融合成像技術包括圖像預處理、圖像配準及圖像融合顯示3個基本步驟。

1.1 圖像預處理 指對獲取的醫(yī)學圖像進行幾何校正、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)學模型，保留和恢復圖像的基本特征，以突出重要信息，為后續(xù)圖像處理做準備[18-19]。目前常用醫(yī)學圖像預處理方法包括離散小波變化和基于深度學習的方法等[20]。

1.2 圖像配準 基于一幅醫(yī)學圖像尋找恰當?shù)目臻g變換，在空間上建立其與另一幅圖像中對應結(jié)構點的對應關系，主要包括提取空間特征、空間變換、插值、相似性測度和搜索策略優(yōu)化5個步驟，可輔助醫(yī)師獲得病灶病理信息與解剖結(jié)構的互補信息，對臨床診治疾病具有重要意義[21]。圖像配準與圖像融合關系密切，配準是融合的先決條件，融合是配準的目的之一。待融合圖像多來自不同影像學設備，在成像原理、方位和分辨率等方面可能存在較大差異，使得圖像配準精度直接關系到圖像融合效果。通過配準可充分挖掘多模態(tài)圖像的信息，提高數(shù)據(jù)利用率。

1.3 圖像融合 醫(yī)學圖像融合技術可充分利用不同類型的醫(yī)學圖像，根據(jù)對象不同，融合方法可分為像素級和特征級[22]。像素級圖像的融合原理是通過對兩幅圖像對應像素點的灰度值加權求和、灰度取大/小等操作創(chuàng)建融合圖像。特征級圖像融合指在提取特征、分割目標等操作后進行圖像融合，其算法復雜，實時顯示效果較理想。目前常用圖像融合顯示技術包括加權平均法、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)絡法等[23]。

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

EchoNavigator導航系統(tǒng)和Artis zeego C臂系統(tǒng)是兩款主要實時超聲-X線透視圖像融合產(chǎn)品，二者技術路線不同，但設計思路類似，均利用超聲和X線透視成像的優(yōu)勢，通過算法自動實時融合多模態(tài)圖像，以可視化復雜的心臟結(jié)構。

2.1 EchoNavigator導航系統(tǒng) 能夠?qū)崟r融合并顯示靶部位的經(jīng)食管超聲心動圖(transesophageal echocardiography, TEE)和X線透視圖像，輔助醫(yī)師了解病灶結(jié)構[2]。其具體操作步驟如下：①啟動TEE和X線透視圖像采集裝置，通過TEE確定病灶及周圍軟組織解剖結(jié)構，并在重要解剖結(jié)構處以“點”或“叉”標記參考點[4]；②通過校準算法定位和追蹤TEE探頭位置和方向，進行空間配準并融合TEE與X線透視圖像[12]；③在同一坐標系中同步顯示TEE、透視圖像、融合圖像及超聲標記的參考點(圖1)[2,24]；④自動跟蹤透視C臂運動軌跡，并以相同角度實時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，明確手術設備移動路徑并進行手術[5]。

圖1 以二尖瓣假體滲漏閉合手術為例，EchoNavigator導航系統(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.超聲心動圖視圖； C.龍門C臂架實時透視投影對應的3D TEE圖像； D.X線透視圖像

目前EchoNavigator已用于成人經(jīng)皮導管主動脈瓣置換(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)導管二尖瓣修復(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術主要采用EchoNavigator觀察和標記主動脈瓣環(huán)，術中TEE標記的主動脈瓣環(huán)標記點可自動轉(zhuǎn)換并實時顯示于透視圖像中，輔助醫(yī)師判斷導管引導路徑、評估假體植入深度[2,26]。ASD閉合術中，EchoNavigator圖像融合智能標記技術可有效確保術中導管正確的穿孔通道和靶方向穿過隔膜，有助于精確放置手術設備及材料[27]，使醫(yī)師可在不使用對比劑的情況下開展ASD術，提升了操作安全性[4]。TMA術中，EchoNavigator支持心房結(jié)構可視化，智能標記跨隔穿刺部位，輔助醫(yī)師規(guī)劃、糾正導管置入軌跡[29]。LAAC術中采用EchoNavigator可顯著提高導管、導絲及心臟解剖結(jié)構的可視化程度，縮短操作時間，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)可將術前超聲心動圖、心臟3D幾何模型和術中2D冠狀靜脈X線透視圖像融合為一幅圖像，用于引導放置用于心臟再同步治療(cardiac resynchronization therapy, CRT)的左心室導聯(lián)[13]。以陰極射線管超聲引導左心室放置低壓引線為例，圖像融合工具的工作流程分為CRT術前和術中兩部分[13]。術前首先以超聲獲得心臟幾何信息，構建個體化平均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；之后基于超聲斑點追蹤技術計算左心室心肌應變，并繪制基線應變曲線，量化顯示心肌功能；醫(yī)師以盲法回顧性分析基線應變曲線，定義并標記導聯(lián)放置的目標心肌節(jié)段(徑向應變最晚達到峰值的心肌節(jié)段)。術中首先基于冠狀靜脈造影獲得X線透視圖像；之后將3D心臟幾何模型與X線透視圖像進行配準，系統(tǒng)自動、動態(tài)追蹤C臂運動信息，實時融合并顯示圖像，以綜合評估心肌功能及冠狀靜脈情況、選擇目標冠狀靜脈節(jié)段并引導左心室導聯(lián)至目標冠狀靜脈；最后基于融合圖像調(diào)整起搏電極至超聲定義的目標心肌節(jié)段并放置左心室導聯(lián)。

一項回顧性研究[13]分析30例患者常規(guī)CRT術中2D X線透視圖像及術前超聲心動圖，以真實臨床結(jié)果為標準，對比分析Artis zeego C臂系統(tǒng)的應用效果，結(jié)果表明其3D心臟幾何模型與X線透視圖像的配準時間和準確性均符合臨床要求，其中20例導聯(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，尚未應用于臨床。

3 小結(jié)與展望

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

EchoNavigator適用于引導介入操作中設備放置和顯示及標記目標部位，加強超聲科醫(yī)師和介入醫(yī)師的溝通合作，簡化導管導航和設備放置流程。為正確、有效地使用該技術，不僅需要醫(yī)師充分了解兩種成像模式下心臟結(jié)構的呈現(xiàn)形式，且需采集高分辨率超聲心動圖和透視圖像，對醫(yī)師和圖像采集設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，可進一步簡化介入操作流程[13]，且能提供超聲所示目標位置與靜脈解剖結(jié)構之間的空間關系，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，僅在單中心進行驗證試驗，且納入樣本量有限，有待繼續(xù)觀察，但其臨床應用前景廣闊，發(fā)展空間巨大。