王曉玲，楊義強

上海市醫(yī)療器械化妝品審評核查中心 有源醫(yī)療器械核查部，上海 200020

引言

隨著計算機技術(shù)的日新月異，醫(yī)療軟件行業(yè)正處于高速發(fā)展期，醫(yī)學(xué)影像類軟件產(chǎn)品也蓬勃發(fā)展。近年來，上海市獨立軟件產(chǎn)品注冊及現(xiàn)場核查的申報數(shù)量均大幅增長，對產(chǎn)品的功能驗證以及安全有效性評價提出了更高的要求。《醫(yī)療器械軟件注冊審查指導(dǎo)原則》等指南要求申請人明確主要功能的性能指標(biāo)，并提供相應(yīng)的研究資料[1]。然而，臨床金標(biāo)準數(shù)據(jù)難以獲取，導(dǎo)致出現(xiàn)驗證所用數(shù)據(jù)的可解釋性差、不充分等問題，從而較難準確地評價軟件產(chǎn)品功能的有效性。若開展臨床試驗，則會大幅增加時間和經(jīng)濟成本，延誤創(chuàng)新產(chǎn)品的上市進程[2]。

物理實體體模（以下簡稱物理體模）通常具有明確的幾何形狀，用于評價醫(yī)學(xué)影像產(chǎn)品的性能，但是存在價格昂貴、幾何形狀過于簡化、設(shè)計靈活性和多樣性較差、精度會因材質(zhì)特性而逐漸退化、維護成本高等問題。相比而言，數(shù)字體模通過計算機建模而成，可快速準確并以較低成本形成復(fù)雜而靈活的形狀結(jié)構(gòu)和材料，從而生成特定的模擬數(shù)據(jù)。數(shù)字體模的材質(zhì)不會隨時間退化，性能較為穩(wěn)定[3]，便于存儲攜帶。在模型設(shè)計完成后，可通過基于蒙特卡洛方法的GATE工具[4]進行模擬成像，獲取數(shù)字體模的影像數(shù)據(jù)，減少不同采集設(shè)備間的偏差。目前已有基于數(shù)字體模的臨床評價研究[5]，但在醫(yī)學(xué)影像軟件產(chǎn)品的有效性評價方面的研究較少。與基于計算機輔助設(shè)計的方法相比，基于GATE 的模擬成像可得到更加真實準確的影像數(shù)據(jù)。

形狀規(guī)則的數(shù)字體模設(shè)計及模擬成像研究[6]表明其具有一定的靈活性和實用性。本文基于典型的臨床解剖特征，開發(fā)了不規(guī)則形狀的醫(yī)用數(shù)字血管體模，并通過模擬成像得到CT 影像數(shù)據(jù)。從外觀、感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）信息等方面與基于CT 實機掃描的物理體模數(shù)據(jù)進行對比，驗證醫(yī)用數(shù)字血管體模的有效性。

1 材料與方法

1.1 醫(yī)用數(shù)字血管體模設(shè)計

基于GATE 平臺構(gòu)建帶有造影劑的醫(yī)用數(shù)字血管體模（圖1a）。GATE 材料庫包含了氫、氦、碳等基本元素，以及空氣、水、碘化鈉、肺、SS304 不銹鋼等常見材料。用戶可根據(jù)實際需要自定義材料的名稱、密度、元素組成、比例分數(shù)等參數(shù)。本研究采用血管造影常用的碘比醇造影劑，在GATE 材料庫中，將其定義為由碳、氫、氧、碘、氮5 種元素組成，主要元素碳、氫、氧的比例分數(shù)分別為32%、43%和14%，材料密度設(shè)定為2.173 g/cm3。對應(yīng)的物理體模通過3D 打印獲得（圖1b）。

圖1 醫(yī)用數(shù)字血管體模（a）和對應(yīng)物理體模（b）外觀示意圖

1.2 CT模擬與CT實機成像

基于GATE 的CT 模擬系統(tǒng)的性能參數(shù)在腳本文件（.mac）中設(shè)置，包括X 射線源、探測器、粒子交互過程、采集過程、輸出配置、可視化配置等，系統(tǒng)配置如圖2a 所示。本次使用的X 射線能譜（圖2b）由能譜建模工具SPEKTR2.1 生成[7]，需設(shè)置電壓、鋁當(dāng)量厚度等參數(shù)。進入GATE 環(huán)境后，執(zhí)行主程序腳本文件即可開始CT 模擬成像。X 射線源與探測器為靜止?fàn)顟B(tài)，數(shù)字體模以1 °/s 的速度繞z軸旋轉(zhuǎn)，投影數(shù)據(jù)的采集間隔為1 s。本次模擬實驗在上海交通大學(xué)“思源一號”高性能計算集群上運行完成，系統(tǒng)主要配置為：CPU 為雙路Intel Xeon ICX Platinum 8358/32 核，主頻2.6 GHz，操作系統(tǒng)為CentOS。掃描完成后，共得到360 個像素矩陣為512×512 的投影數(shù)據(jù)。

圖2 CT模擬系統(tǒng)掃描配置圖示（a）和模擬X射線源的能量分布（b）

為了驗證醫(yī)用數(shù)字血管體模及CT 模擬成像系統(tǒng)的有效性，本研究進行了CT 實機體模掃描。物理體模通過3D 打印而成。將碘比醇造影劑與水按1 ∶50的比例稀釋后填充至物理體模內(nèi)部，CT 實機系統(tǒng)（上海聯(lián)影uCT 530）分別在80 kV 和100 kV 2 種管電壓下成像。表1 列出了CT 模擬成像和CT 實機成像的參數(shù)對比。

表1 CT模擬與CT實機的成像參數(shù)

1.3 投影圖像重建

完成CT 模擬成像后，可得到投影數(shù)據(jù)。利用MATLAB 工具包-TIGRE[8]，通過FDK 重建算法[9]，將二維投影圖像重建得到三維容積數(shù)據(jù)?；贛ATLAB腳本將重建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和傳輸協(xié)議（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）格式圖像，并設(shè)置相關(guān)DICOM 標(biāo)簽屬性值，包括管電壓、成像距離、重建圖像大小、像素尺寸、窗寬窗位等必要標(biāo)簽。CT 實機掃描數(shù)據(jù)使用uExceed 采集工作站進行重建后導(dǎo)出為DICOM 數(shù)據(jù)。

1.4 醫(yī)用數(shù)字血管體模的靈活多樣性

為了驗證數(shù)字體模自定義材料的多樣性，在上述體模的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)碳、氫、氧等材料的組成比例分數(shù)，添加其他元素成分，可得到密度分別為1.2、1.6 和1.8 g/cm3的造影劑材料，用于模擬臨床上不同濃度的物質(zhì)。通過CT 模擬成像可得到對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)。

為了驗證數(shù)字體模的設(shè)計靈活性，可在體模內(nèi)部進行形態(tài)變化。本例為加入圓柱形體模，并將其材料定義為碘、鈣等高密度元素組成的混合材料，可得到如圖3所示形態(tài)的數(shù)字體模影像數(shù)據(jù)，后續(xù)可根據(jù)實際需求靈活調(diào)整。

圖3 醫(yī)用數(shù)字血管體模形態(tài)變化

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

利用MedCalc 19.07 對血管體模在CT 模擬成像中的圖像與CT 實機在不同電壓下成像的圖像ROI 值進行t檢驗分析，以對比模擬與實機成像的CT 值，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 實驗結(jié)果分析及評價

2.1 醫(yī)用數(shù)字血管體模分析評價

為了分析CT 模擬圖像與原設(shè)計情況的異同，將CT 模擬圖像與原設(shè)計圖進行對比，其中CT 模擬圖像由Radiant DICOM Viewer 的三維容積渲染圖像顯示并讀取尺寸測量值。結(jié)果顯示，二者在基本結(jié)構(gòu)和外觀上具有高度一致性，尺寸測量的最大差值為0.20 mm。圖4 及表2 顯示了動脈瘤附近位置的測量值對比。

表2 CT模擬圖像與原設(shè)計參數(shù)對比（mm）

圖4 CT模擬圖像（a）和原設(shè)計圖（b）

為了分析血管體模在CT 模擬成像與CT 實機成像下的異同，本文選取CT 值、面積值、峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、結(jié)構(gòu)相似性（Structural Similarity，SSIM）作為對比項目。2 種方式得到的DICOM 圖像的CT 值、面積測量值越接近、差值越小，說明CT 模擬圖像與CT 實機圖像的造影劑材料以及結(jié)構(gòu)尺寸越相似；PSNR 是衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo)，PSNR越大，說明圖像質(zhì)量越相近，PSNR 在30～40 dB 之間代表圖像質(zhì)量可以接受；SSIM 也是衡量2 幅圖片相似性的指標(biāo)，SSIM 的取值范圍為0～1，SSIM 越大，圖像相似度越高，SSIM 值為1 則完全相同。

通過目測，選取體模動脈瘤的最大截面層，即管腔最大圓形截面處。該截面對應(yīng)CT 模擬掃描的第53 層圖像（位于總層數(shù)的10%位置）和CT 實機掃描的第323 層圖像（位于總層數(shù)的92%位置），內(nèi)部有造影劑填充。利用Radiant DICOM Viewer 軟件在CT 血管造影術(shù)窗寬窗位下（窗位300 HU，窗寬600 HU）顯示圖像（圖5），并測量ROI 區(qū)域的CT 值，得到ROI 的平均CT 值及標(biāo)準差。為比較ROI 面積值的異同，采用Image J 工具對該層圖像進行了相同閾值的二值化分割，計算得到分割區(qū)域的圖像面積，模擬與實機CT 成像的造影劑CT 值對比結(jié)果如表3 所示。

表3 血管數(shù)字體模和物理體模檢測結(jié)果

圖5 不同電壓條件下CT模擬圖像和CT實機圖像

如表3 結(jié)果所示，在不同電壓條件下，CT 模擬與實機圖像的最大截面面積差異小于0.75%，PSNR 值均大于30.14 dB，SSIM 值均在0.80 及以上；CT 值方面，在80 kV 電壓條件下，CT 值均值雖有差異，但在臨床可接受范圍內(nèi)，在100 kV 電壓條件下，二者CT 值的相似性較好。本研究表明，通過仿真得到的CT 模擬圖像與CT 實機成像得到的圖像呈現(xiàn)出良好的相似性，基于數(shù)字體模的CT 模擬成像的方式未來有可能作為一種生成較高質(zhì)量CT 圖像的方式。

2.2 醫(yī)用數(shù)字血管體模的多樣性

通過調(diào)節(jié)數(shù)字體模的造影劑材料密度，經(jīng)過模擬成像及重建后，可得到不同的影像數(shù)據(jù)，對應(yīng)的CT 值隨材料密度而變化，見圖6。將數(shù)字血管體模內(nèi)部加入圓柱形體模，并將其材料設(shè)定為某種高密度物質(zhì)，模擬成像后多平面重建（MultiPlanar Reconstruction，MPR）圖像（圖7）可見造影劑和該材料的顯著區(qū)分。由此可見，相比于物理體模，數(shù)字體模的材料和形態(tài)靈活可調(diào)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置即可得到不同類型的CT 影像數(shù)據(jù)。

圖6 調(diào)節(jié)數(shù)字血管體模的造影劑材料密度

圖7 在數(shù)字血管體模內(nèi)部加入圓柱形高密度材料

3 討論

本研究設(shè)計了醫(yī)用數(shù)字血管體模，并對其進行CT模擬成像及評價。數(shù)字體模的CT 模擬圖像與對應(yīng)的物理實體體模的外觀特征和物理尺寸基本一致。CT 值和ROI 統(tǒng)計信息顯示，在80 kV 和100 kV 下，模擬和實機圖像的平均CT 值的相差值在臨床可接受范圍內(nèi)，最大截面面積的誤差值小于0.75%，PSNR 和SSIM 值分別在30.14 dB 和0.80 及以上。從80 kV 到100 kV，CT實機和模擬圖像的CT 值以相近的變化量減少，這是由于管電壓增大使得X 射線穿透力增強，導(dǎo)致物質(zhì)對射線的衰減系數(shù)降低，從而使CT 值減小。對比結(jié)果表明，CT 模擬與實機圖像的一致性較好。基于已驗證的CT 模擬成像系統(tǒng)和數(shù)字體模，本研究還拓展設(shè)計了體模的形狀和材料，體現(xiàn)了其靈活多樣性。

本研究僅模擬了單個血管的同一類型材料，后續(xù)將考慮含動脈硬化斑塊的血管等情況。由于需要定義不同硬化程度的斑塊，體模的形狀與材料更為復(fù)雜，需驗證與實際斑塊的一致性。模型設(shè)計依賴于3D 建模工具，需要研究快速大量地生成多種形狀和材料體模的方法。本研究中，光子數(shù)、探測器尺寸及像素大小、幾何距離、圖像重建過程等均與CT 實機存在一定差異，而GATE 的模擬結(jié)果對輸入?yún)?shù)較敏感，需要進一步優(yōu)化模型以提高模擬精度[10]。由于需要考慮射線穿過人體皮膚、脂肪、肌肉等組織的衰減，因此模擬所需的光子數(shù)更多，對于服務(wù)器的算力要求更高。本研究在高性能計算機集群上開展并行運算，單枚投影圖像的模擬時間近4 h，一套DICOM 數(shù)據(jù)的總模擬時間約為1200 h，計算機資源消耗量大，需要進一步提升運算速度。

軟件產(chǎn)品的研發(fā)及上市前階段需要進行充分評價，證明軟件的功能符合預(yù)期、滿足臨床需求。目前已有的數(shù)字體模的生成方式較簡單，例如，將臨床圖像轉(zhuǎn)為三維網(wǎng)格面格式[11]，或者基于人工智能算法生成3D 模型，或者利用已公開的數(shù)字人體項目（如Virtual Human、XCAT 等）生成模型[12]，以上方式存在模型過于簡化或單一、與真實臨床DICOM 圖像差異較大等問題，無法有效地滿足醫(yī)學(xué)軟件功能評價的需求?；贕ATE 生成數(shù)字體模CT 圖像的方式考慮了掃描成像部件參數(shù)、光子吸收和散射、材料特性等影響因素，得到的DICOM圖像精度較高，有望成為一種新的醫(yī)學(xué)影像軟件功能的評價手段。例如，通過設(shè)計不同形狀、密度、材料的數(shù)字體模，模擬不同疾病進展程度[13]，得到不同CT 值的影像數(shù)據(jù)[14]，用于評價軟件對比度顯示、MPR 三斷面顯示等功能[15]；由于數(shù)字體模的尺寸信息已知，可用于評價軟件測量功能的準確性；設(shè)計心臟、肺部等動態(tài)體模，生成帶有運動偽影的數(shù)據(jù)，驗證軟件在不同圖像質(zhì)量下的性能[16]。

4 結(jié)論

本文基于GATE 工具構(gòu)建了CT 模擬系統(tǒng)，并設(shè)計了醫(yī)用數(shù)字血管體模，將計算機模擬成像技術(shù)的應(yīng)用從醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域擴展到了醫(yī)學(xué)影像軟件產(chǎn)品的監(jiān)管評價領(lǐng)域[17-18]。實驗結(jié)果表明，基于充分的驗證，通過CT 模擬成像得到的數(shù)字體模影像數(shù)據(jù)有望成為醫(yī)學(xué)影像軟件的評價新工具，可提高產(chǎn)品評價過程的客觀性和準確性，降低驗證成本；統(tǒng)一的評價標(biāo)準則有利于科學(xué)規(guī)范地開展醫(yī)學(xué)影像軟件的審評核查，優(yōu)化該類產(chǎn)品的質(zhì)量控制過程，加快科研成果的臨床轉(zhuǎn)化，推動創(chuàng)新產(chǎn)品的上市進程。