基于超聲-CT圖像的心臟影像融合數據處理方法

陳思楷，周 青，周燕翔，宋宏寧，鄧 傾，楊遠婷，陳金玲

(武漢大學人民醫院超聲影像科，湖北 武漢 430060)

近年來，經食管三維超聲心動圖(three-dimensional transesophageal echocardiography, 3D-TEE)迅速發展，顯示心臟瓣膜優于CT[1-3]，超聲三維重建心臟瓣膜結構具有較高空間分辨率和準確率，且無輻射損害，已用于臨床[4-6]，并具備與其他模態3D圖像融合的基礎。不同模態醫學影像圖像之間具有互補性，將其融合可獲得更豐富的臨床信息[7-8]。多模態影像融合有利于發揮不同成像方式的優點，是心臟3D打印技術發展中的重要技術，但關于圖像融合的方法學及準確率評估尚不統一。本研究采用動物實驗探討超聲左心瓣膜與CT心腔圖像融合的方法學，與心臟標本對照確定融合配準指標，繼而通過臨床研究驗證圖像融合方法的可行性和融合配準指標的可靠性。

1 材料與方法

1.1 動物實驗 雄性比格犬6只，月齡5.12～6.73個月，平均(6.03±0.62)個月；體質量9.57～10.78 kg，平均(10.21±0.33)kg。實驗動物由北京瑪斯生物技術有限公司提供，許可證號：SCXK(京)2016-0001。

1.1.1 圖像采集 經靜脈注射3%戊巴比妥鈉30 mg/kg體質量對實驗犬進行麻醉，以2 ml/h維持麻醉，氣管插管后以呼吸機輔助通氣。

CT掃描：采用GE Revolution Xtream 256排CT掃描儀，將已麻醉的實驗犬左側臥位保定于掃描床。采用高壓注射器以1 ml/s流率注射10 ml碘普羅胺(300 mgI/ml)。采用心電門控監測心律，選取1個完整R-R間期，當主動脈根部對比劑CT值達250 HU時觸發掃描。增強掃描參數：管電壓100 kV，管電流200～500 mA，噪聲指數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掃描結束后，于左側第6肋間開胸，行心包懸吊后將探頭置于實驗犬心包腔中，直接接觸心臟表面采集4D圖像。調整探頭，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脈瓣圖像，于右房室溝三尖瓣環旁切面采集二尖瓣圖像和主動脈瓣圖像，儲存連續5個心動周期二尖瓣及主動脈瓣容積圖像。

1.1.2 圖像后處理 CT圖像處理：采用GE ADW 4.6工作站，導出75% R-R間期實驗犬DICOM格式數據。以Mimics innovationsuite 19.0軟件對CT數據行閾值分割(設定閾值為625～3 000 HU)，去除左心房、左心室和主動脈根部以外的圖像后，將上述3部分分割并單獨存儲，獲取CT左心血池容積圖像。然后將左心房、左心室及主動脈根部血池容積圖像外擴2 mm，刪除原血池容積圖像，獲得模擬左心腔壁結構圖像，經光滑降噪處理后以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圖像處于同一時相，從75% R-R間期實驗犬心臟數據中選取二尖瓣開放時相和主動脈瓣閉合時相容積圖像進行后處理。以Mimics innovationsuite 19.0軟件對超聲心臟數據進行閾值分割(二尖瓣設定為70～240，主動脈瓣設定為50～220)，去除心臟瓣膜周邊組織和噪聲圖像，手動填充部分回聲失落區域，獲得超聲二尖瓣及主動脈瓣容積圖像，經光滑降噪處理后以STL格式保存(圖1)。

1.1.3 圖像配準融合 時間配準：CT增強和3D-TEE均選取75% R-R間期圖像。空間配準：采用以心臟瓣環結構為配準點的內部特征法，標記主動脈瓣環和二尖瓣環上移動幅度較小的點為配準點，將兩種不同模態的心臟影像相融合。二尖瓣環配準點包括前瓣瓣環中點、后瓣瓣環中點、前外側聯合點(anterior lateral combination， ALC)及后內側聯合點(posterior interior combination， PIC)；主動脈瓣環包括左冠竇、右冠竇及無冠竇中點，并通過上述配準點確定瓣環平面。于融合圖像上測量圖像配準指標，即二尖瓣ALC、PIC到心尖部的最大徑(D-ALC、D-PIC)，主動脈瓣閉合口(aortic valve closure， AVC)到心尖部的最大徑(D-AVC)和二尖瓣環平面與主動脈瓣環平面夾角(angle between the plane of mitral annulus and aortic annulus， AMA)。將測量數據歸為動物融合組。

圖1 Mimics innovationsuite 19.0軟件中實驗犬超聲和CT 3D DICOM圖像后處理 A～C.對超聲主動脈瓣(A)、二尖瓣(B)及CT左心腔室結構(C)的閾值分割； D～F.圖像分割后3D重建對應左心結構STL格式數字模型

圖2 3-Matic 11.0軟件將超聲心臟瓣膜STL文件和CT心腔STL文件依照配準點相融合，最終獲得超聲-CT心臟影像融合左心數字模型 A.超聲瓣膜和CT心腔結構； B.瓣膜與心腔結構融合； C.融合心臟影像

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

將CT左心STL文件和超聲瓣膜STL文件導入3-Matic 11.0軟件，保證圖像配準時CT容積圖像固定，移動超聲瓣膜圖像與CT心腔圖像相融合。隱藏左心室圖像，調整二尖瓣及主動脈瓣容積圖像的空間位置和開口方向，先將瓣環平面大致匹配，然后逐個將每個配準點相重合，反復微調使超聲瓣膜圖像與CT心腔中瓣環位置重合，刪除重復容積圖像信息，對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 測量心臟標本 經靜脈快速注射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后將心臟標本取出置于操作臺，使用電子游標卡尺測量D-ALC、D-PIC和D-AVC(圖3)。游離心臟瓣膜，僅保留二尖瓣及主動脈瓣瓣葉根部外緣約2 mm的纖維結締組織，視為瓣環結構，然后將二尖瓣和主動脈瓣從心臟標本上游離，使用測角器測量AMA(圖3)。將測量數據歸為動物標本組。

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(簡稱房顫)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檢查儀器與動物實驗相同。

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，經右肘前靜脈注射非離子型對比劑優維顯(370 mgI/ml)，流率4～5 ml/s，劑量1.0～1.2 ml/kg體質量，總量60～80 ml。在回顧性心電門控下屏氣掃描，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 動物融合組與動物標本組測量圖像配準指標的比較(±s，n=6)

表1 動物融合組與動物標本組測量圖像配準指標的比較(±s，n=6)

組別D-ALC(mm)D-PIC(mm)D-AVC(mm)AMA(°)動物融合組43.89±0.6442.07±1.1243.48±1.09117.03±4.33動物標本組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組與臨床融合組測量圖像配準指標的比較(±s，n=41)

表2 臨床CT組與臨床融合組測量圖像配準指標的比較(±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 臨床實驗中臨床融合組與臨床CT組各參數測量值的一致性分析 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”功能在主動脈根部長軸切面(食管超聲探頭探測角度120°)及左心矢狀切面(食管超聲探頭探測角度90°)將主動脈瓣及二尖瓣置入取樣框，調節3D增益獲取最優圖像效果，Single Beat下存儲連續5個心動周期二尖瓣及主動脈瓣容積圖像。

1.2.3 圖像后處理 圖像處理方法和測量指標同動物實驗。將數據分為2組，1組為心臟CT增強圖像直接測量圖像配準指標的臨床CT組，另1組為超聲-CT圖像融合后測量圖像配準指標的臨床融合組。

1.3 統計學分析 采用SPSS 24.0統計分析軟件。計量資料以±s表示，2組間測量數據差異的比較采用配對t檢驗，一致性采用Bland-Altman分析。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 動物實驗 對6只實驗犬均成功行超聲與CT心臟影像融合后處理，動物融合組D-ALC、D-PIC和D-AVC測量值與動物標本組差異無統計學意義(P均>0.05，表1)，2組差值均小于動物標本組測量值的5%；2組間AMA差異無統計學意義(P=0.077，表1)，且組間差值均小于5°。

2.2 臨床研究 對41例患者均成功實現超聲-CT心臟影像融合數字模型，臨床融合組與臨床CT組間D-ALC、D-PIC、D-AVC和AMA測量值差異均無統計學意義(P均>0.05，表2)。比較融合圖像和CT圖像中的測量值，D-ALC、D-PIC和D-AVC差值百分比在5%以內者均占87.80%(36/41)，AMA差值在5°以內者占92.68%(38/41)，見圖4。

3 討論

筆者前期超聲DICOM數據3D重建結果[9-10]顯示，多模態影像融合中，最關鍵的是圖像融合配準的準確性。圖像配準包括時間配準和空間配準。時間配準中，超聲圖像和CT增強圖像的R-R間期不一定相等，75% R-R間期的CT增強圖像中，左心室處于舒張末期，二尖瓣開放，主動脈瓣關閉，可根據此時CT心電門控上的心電時相選取超聲瓣膜容積圖像中對應時相，以保證2種不同模態的心臟影像能夠在時間上達到配準。空間配準中，本研究首先確定二尖瓣環以及主動脈瓣環上的配準點，使用3-Matic軟件配準超聲瓣膜時，不僅2個瓣膜瓣環平面需要重合，配準點也需盡可能重合，將重建的心臟瓣膜在3-Matic軟件中移動、旋轉，可使CT和超聲圖像中配準點相重合，然后微調瓣環平面夾角，最終得到多模態左心融合數字模型。

本研究的動物實驗中，融合圖像與心臟標本配準指標中AMA差異無統計學意義，且差值較小(均<5°)。Zheng等[11-12]嘗試將X線與CT圖像融合、超聲與CT椎骨圖像融合，最終認為圖像融合后測量誤差在5°以內可以接受。二尖瓣環與主動脈瓣環之間通過一個共同的堅韌纖維相延續，以固定主動脈和二尖瓣，并在心室的附著處增厚，形成左纖維三角。二尖瓣平面與主動脈瓣平面夾角在心臟運動中變化幅度較小，因此瓣環平面差值<5°提示瓣膜圖像融合配準成功。心臟標本中D-ALC、D-PIC和D-AVC較融合圖像中測量值略大，但差異無統計學意義，且測量差值均<5%，提示兩者相關性好。兩組間產生測量誤差的原因可能是游標卡尺的測深尺在標本左心室中測量時部分尖端伸入心肌軟組織內所致。瓣環平面融合準確時，這3個距離測量指標反映心臟瓣膜與心臟整體結構之間的空間位置，因此心臟瓣環與心尖部最大徑差值<5%時，可以認為心臟瓣膜的融合是準確的。

本研究臨床試驗結果與動物實驗結果相似，臨床融合組與臨床CT組間D-ALC、D-PIC、D-AVC和AMA測量值差異均無統計學意義(P均>0.05)，且前三者差值均在5%以內者占87.80%(36/41)，92.68%(38/41)的AMA差值在5°以內，提示通過影像融合技術可獲得更多解剖學信息，其誤差在可接受范圍內，心臟多模態融合影像能夠滿足臨床需求。

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，獲取較準確的多模態3D心臟影像，彌補傳統CT對于心臟瓣膜結構顯示的不足，為獲取更有臨床價值的3D打印模型提供方法和數據源。