心臟介入影像一體化在線實時分析系統的研究

朱國忠，孔春勝，孫勇

1.浙江大學醫學院附屬第二醫院心臟中心，浙江 杭州 310009；2.浙江大學 生物醫學工程教育部重點實驗室，浙江 杭州 310027

心臟介入影像一體化在線實時分析系統的研究

朱國忠1，孔春勝2，孫勇1

1.浙江大學醫學院附屬第二醫院心臟中心，浙江 杭州 310009；2.浙江大學 生物醫學工程教育部重點實驗室，浙江 杭州 310027

心血管介入手術中，數字減影（DSA）影像和血管內超聲（IVUS）影像之間無法進行精確對照，給介入手術造成了很大的影響。鑒于此，本研究開發了一種集成DSA影像和IVUS影像的一體化在線實時分析系統，主要由數據采集模塊、DSA影像模塊、IVUS影像模塊、血管三維成像模塊、DSA影像和IVUS影像的聯動模塊、影像報告模塊和傳輸模塊組成。該系統結合DSA影像和IVUS影像，可多方位對血管進行分析處理。臨床實踐結果顯示，該系統能夠很好地將DSA影像與IVUS影像進行聯動，且聯動誤差≤1.5 mm，在臨床上可以接受；同時該系統也能夠很好地實現DSA影像和IVUS影像的血管的分割重建、測量和三維重建等。術者應用該系統可判斷是否要對病變血管行介入治療以及行介入治療的血管段位置，并能夠精確選擇支架的大小和對支架進行定位。

數字減影；血管內超聲；血管測量；影像聯動

冠狀動脈造影是診斷冠狀動脈疾病的“金標準”，可以給絕大多數有心臟病危險因素和不典型心絞痛癥狀的患者提供明確的診斷信息[1]。但在臨床應用中，冠狀動脈造影也顯示出諸多不足，如不能顯示管壁和斑塊的具體信息，有可能使術者低估冠脈狹窄的程度等；加之冠脈血管重構概念的提出，使得人們不得不重新評價冠脈造影在冠心病診療中的可靠性[2]。

血管內超聲（Intravascular Ultrasound，IVUS）[3-4]是一種利用導管將高頻微型超聲探頭導入血管腔內進行探測，再經電子成像系統來顯示心血管組織結構和幾何形態的微細解剖信息的技術，不僅可以準確測量管腔及斑塊的大小，還可提供管壁和斑塊的組織信息，能夠彌補冠脈造影的不足。

在對彌漫性血管病變和血管開口病變等復雜或危險因素高的病變進行介入治療時，往往需要IVUS的指導。然而，受肉眼觀察的局限性、術者和技師溝通的盲點等因素影響，人為很難精確地將IVUS影像與DSA（數字減影）影像結合在一起進行分析，這會影響介入手術質量的提高。因此，開發一種能結合DSA影像和IVUS影像，實現血管點對點分析的影像處理系統，將有力推動心血管介入手術的發展和質量的提高，而此類技術在國內外尚沒有具體的研究報告。鑒于此，本研究開發了一種DSA影像和IVUS影像聯動的心臟介入影像一體化在線實時分析系統，報道如下。

1 系統設計與開發

1.1 系統架構

心臟介入影像一體化在線實時分析系統與外圍設備的關系架構圖，見圖1。該系統主要通過其數據采集模塊分別獲取DSA影像和IVUS影像，經系列處理后，再通過數據傳輸模塊，將影像和測量報告傳送至指定的影像集成中央站。

圖1 心臟介入影像一體化在線實時分析系統與外圍設備的關系架構圖

系統內部主要包括7個模塊：數據采集模塊、DSA影像模塊、IVUS影像模塊、血管三維成像模塊、DSA影像和IVUS影像的聯動模塊、影像報告模塊以及傳輸模塊。模塊之間的關系架構圖，見圖2。

圖2 系統內部各模塊之間的關系架構圖

1.2 技術實現

1.2.1 數據采集模塊

該模塊利用C#實現對DSA影像和IVUS影像的實時讀取、保存和傳輸。為了提高系統可更新性，該模塊通過獲取無損不壓縮的原始影像數據，來保證后期數據處理的便捷性和高質量性[5]。

1.2.2 DSA影像模塊

該模塊用于對采集的DSA影像進行血管走形重建，以實現血管的分割重建和測量。

“水來了！”10月的獲澤河注水口，奔涌而出的清澈水流匯入獲澤河，實現了生態補水修復“水生態”，有力提高了水體修復自凈能力，對改善水質、抑制水藻暴發、修復河流生態有獨特的作用。提升了縣城生態環境整體質量，河道周邊生態環境也得到進一步修復，再現綠水穿城的美麗畫卷。

DSA影像與其他靜態的醫學影像相比，由于心臟的動態效應，DSA影像對于心臟血管的分割重建有一定的特殊性：① 分辨率低，圖像分辨率以512像素×512像素為主，因此圖像模糊，不能實現血管邊界的連續提取；② 心臟血管成像是運動的，因此通過一些依靠常規配準的方法很難實現其血管的分割重建；③ 心臟血管成像靠造影劑顯影，由于心臟的收縮和舒張，血流更新快，外加每位介入醫生的手法不同，導致造影劑濃度對于血管分割具有很大影響；④ 心臟成像的背景亮度不均勻，并且由于心臟的運動，極難通過建模來消除背景的影響，因此導致大量穩定有效、準確率高而快速的方法無法應用于其血管的分割重建。

鑒于此，該模塊在采用匹配濾波的方法實現不相交和較粗血管的交互式提取的基礎上，對模糊的、細小的和交叉的血管使用多尺度分析和模型建模的方法，以實現更好的分割重建效果[6-7]。此外，在血管分割重建的基礎上，該模塊以造影導管尺寸做參照，以實現對興趣血管段的管腔直徑、長度等的測量。

1.2.3 IVUS影像模塊

該模塊用于對采集的IVUS影像進行全自動或人機互動式分析。

該模塊通過圖搜索方法實現對IVUS影像的圖像重建分析，即以動態規劃思想為基礎，構造一個含有圖像灰度信息和邊緣信息的累積代價矩陣，通過搜索該矩陣，獲得待檢測目標的邊緣[8-9]。為提高搜索速度和適應不同的病例圖像，該模塊搜索方法中還加入了相關啟發信息以及人為交互項。

此外，在圖像重建分析的基礎上，該模塊通過以IVUS導管的自身尺寸做參照，來對IVUS影像上的興趣圖像進行全自動或人機互動式的測量。其中，全自動測量是指計算機根據血管橫截面上的自身管腔和殘余管腔的邊界灰度值等特征值的不同，自動獲取自身管腔和殘余管腔的邊界，并獲取測量結果；而人機互動式測量是指在計算機對興趣圖像進行全自動測量的基礎上，提供修改界面，進而修改血管橫截面上自身管腔和殘余管腔的邊界，根據新勾勒的管腔邊界再進行相關測量。測量的內容主要包括：血管橫截面上的自身管腔與殘余管腔的管腔面積、直徑和斑塊負荷以及縱截面上的血管長度。

1.2.4 血管三維成像模塊

該模塊用于對感興趣的血管進行三維成像，即根據IVUS影像的血管橫截面和縱截面影像以及DSA影像分割重建后的血管走形，生成直觀的血管三維結構，同時獲取相應的血管容積。

1.2.5 DSA影像和IVUS影像的聯動模塊

該模塊用于實現DSA影像和IVUS影像的聯動，即根據重建后的DSA影像血管，勾勒興趣血管的中心線，根據中心線上的起始點和終末點，確定IVUS影像上相應的起始幀和結束幀圖像，并計算出IVUS影像上起始幀和結束幀之間的圖像幀數N，進而自動將中心線上的起始點和終末點之間的血管分割成N個等距離的點，使得每個點對應于IVUS影像上的一幀圖像。再通過對DSA影像模塊所獲得的影像結果和IVUS影像模塊所獲得的血管測量結果進行對照，輔助術者判斷是否要對病變血管行介入治療以及行介入治療的血管段位置，進而確定治療方案，精確選擇支架大小和對支架進行定位。DSA影像和IVUS影像的聯動模塊界面圖，見圖3。

圖3 DSA影像和IVUS影像的聯動模塊界面圖

1.2.6 影像報告模塊

該模塊用于在介入手術完成后分析相關結果，生成報告。

1.2.7 傳輸模塊

該模塊用于將系統所生成的影像和報告傳輸至指定的影像集成中央站。

2 臨床應用

2.1 操作方法

該系統的具體操作方法如下：

（1）通過數據采集模塊，實時獲取術中DSA影像和IVUS影像。

（2）通過DSA影像和IVUS影像的對照，找到感興趣的病變血管，用DSA影像模塊重建血管走形，勾勒中心線，并自動生成垂直于中心線的可移動線，在中心線上標注興趣血管的起始點和終末點。

（3）根據興趣血管的起始點和終末點，確定IVUS影像上相應的起始幀和結束幀圖像，實現DSA影像上的興趣血管的每個點對應IVUS影像上相應的幀圖像。

（4）選擇聯動操作后，在興趣血管上的N個點上移動可移動線時，IVUS影像上的幀圖像會相應地移動；反之，在IVUS影像上的開始幀與結束幀之間移動圖像時，DSA影像上的可移動線也會相應地移動，進而實現DSA影像和IVUS影像的聯動，確保可移動線所處的血管點與IVUS影像的當前幀圖像相吻合，輔助術者對DSA影像和IVUS影像進行對照分析；并通過血管管腔的測量結果，輔助術者在DSA影像上判斷是否要對病變血管行介入治療以及行介入治療的具體位置，進而確定治療方案，精確選擇支架大小和對支架進行定位。

（5）生成報告并隨測量后的影像一同上傳至指定的影像集成中央站。

此外，如果有血管三維成像的需求，則可以用血管三維成像模塊生成直觀的血管三維結構。

2.2 應用結果

臨床應用結果顯示，該系統能夠很好地將DSA影像與IVUS影像進行聯動，雖然兩者聯動可能會產生一定的誤差，但經實踐發現，即便對于很長的病變血管（＞80 mm）和很扭曲的病變血管（血管角度＞70°），其誤差也在1.5 mm之內，在臨床使用上可以接受。同時該系統也能夠很順利地實現DSA影像和IVUS 影像的血管分割重建、測量和三維重建等，且具有以下效果：① 可直觀獲取血管的真實長度、血管管腔直徑、血管管腔面積和容積以及斑塊負荷；② 可獲取直觀的血管三維結構；③ 可通過對DSA影像模塊所獲得的影像結果和IVUS影像模塊所獲得的血管測量結果進行對照，更精確地分析病變血管，輔助術者進行手術。

3 討論

在心臟血管的介入手術中，通過IVUS獲取血管橫截面的結構是非常重要的，血管的殘余管腔面積和斑塊負荷是術者決定是否需要對患者行介入治療的關鍵性指標[10]：當血管的殘余管腔面積小于一定程度或斑塊負荷大于一定程度時，都需要對心臟血管行介入治療。而血管的管腔直徑和長度對于介入治療時支架和球囊尺寸的選擇至關重要，通過測量IVUS影像獲取的病變近端和遠端的血管直徑以及兩者之間的長度，可以更好地幫助術者選擇支架和球囊的尺寸。而對支架的定位需要在DSA影像上進行，所以術者需要將DSA影像和IVUS影像進行結合，以明確IVUS影像上病變最重處、病變近端和遠端以及其他感興趣的病變各自對應的DSA影像上的血管的具體位置。

本研究開發的心臟介入影像一體化在線實時分析系統能夠很好地將DSA影像與IVUS影像進行聯動，可為心臟介入醫生提供很大的幫助，可為患者帶來直接的利益，具有一定的臨床實用價值。

[1] 霍勇,龔艷君．心血管病學2012年度進展盤點[J]．中華醫學信息導報,2013,28(1):12,14．

[2] 惠波,夏偉,許文亮,等．冠狀動脈分叉處病變重構的血管內超聲研究[J]．中華超聲影像學雜志,2014,23(5):450-451．

[3] Garcia-Garcia HM,Costa MA,Serruys PW．Imaging of coronary atherosclerosis:intravascular ultrasound[J]．Eur Heart J,2010,31(20): 2456-2469．

[4] Bangalore S,Bhatt DL．Coronary intravascular ultrasound[J]．Circ ulation,2013,127(25):e868-e874．

[5] 范金坪,張春曉．醫學圖像壓縮算法研究進展[J]．科技信息, 2011,(25):60．

[6] 伍世賓,王玥,謝耀欽．基于多尺度帶限的自適應直方圖均衡和數學形態學的醫學X射線圖像對比度增強算法[J]．集成技術,2014,(1):38-45．

[7] 朱金平,唐平,張興．醫學圖像切片二次交互式提取的研究與實現[J]．計算機工程與設計,2010,31(8):1821-1823．

[8] 李杰,陳國棟．基于改進區域生長算法的肝臟管道圖像分割方法[J]．中國醫療設備,2014,29(10):19-23．

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[10] 銀艷．冠狀動脈血管內超聲在冠狀動脈介入治療中的應用[J]．中國實用醫刊,2014,41(21):117-118．

Research on the Integrated Online Real-Time Analysis System of Cardiovascular Interventional Images

ZHU Guo-zhong1, KONG Chun-sheng2, SUN Yong1
1.Heart Center, Second Affiliated Hospital, Zhejiang University College of Medicine, Hangzhou Zhejiang 310009, China; 2.Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China

Failure to make accurate comparisons between digital subtraction (DSA) images and intravascular ultrasound (IVUS) images had big in fl uence on cardiovascular interventional operations. In view of this, an integrated online real-time analysis system was developed, which integrated DSA images and IVUS images and mainly consisted of the data acquisition module, DSA image module, IVUS image module, three-dimensional vascular imaging module, DSA-and-IVUS-image linkage module, image reporting module and image transmission module. In combination with DSA images and IVUS images, the system could make blood vessels analyzed and processed in an all-round way. According to the results of clinical practices, the system realized excellent linkage between DSA images and IVUS images with errors ≤ 1.5 mm, which was acceptable clinically. Meanwhile, it also could realize segmented reconstruction, measurement and three dimensional reconstruction of DSA images and IVUS images. With utilization of the system, interventional heart doctors could identify whether interventional treatment was necessary for pigmented blood vessels as well as the position of interventional treatment. Moreover, it could help interventional heart doctors to select the accurate stent size and position the stent.

digital subtraction; intravascular ultrasound; vascular measurement; image linkage

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.06.008

1674-1633(2015)06-0039-03

2014-11-28

浙江省醫藥衛生一般研究計劃項目支持（2013KYA084）；浙江省醫藥衛生平臺骨干人才計劃項目支持（2013RCA019）。

孫勇，主任醫師。

作者郵箱：braveheart0730@qq．com