醫用數字血管體模的開發與評價

王曉玲，楊義強

上海市醫療器械化妝品審評核查中心 有源醫療器械核查部，上海 200020

引言

隨著計算機技術的日新月異，醫療軟件行業正處于高速發展期，醫學影像類軟件產品也蓬勃發展。近年來，上海市獨立軟件產品注冊及現場核查的申報數量均大幅增長，對產品的功能驗證以及安全有效性評價提出了更高的要求。《醫療器械軟件注冊審查指導原則》等指南要求申請人明確主要功能的性能指標，并提供相應的研究資料[1]。然而，臨床金標準數據難以獲取，導致出現驗證所用數據的可解釋性差、不充分等問題，從而較難準確地評價軟件產品功能的有效性。若開展臨床試驗，則會大幅增加時間和經濟成本，延誤創新產品的上市進程[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，用于評價醫學影像產品的性能，但是存在價格昂貴、幾何形狀過于簡化、設計靈活性和多樣性較差、精度會因材質特性而逐漸退化、維護成本高等問題。相比而言，數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雜而靈活的形狀結構和材料，從而生成特定的模擬數據。數字體模的材質不會隨時間退化，性能較為穩定[3]，便于存儲攜帶。在模型設計完成后，可通過基于蒙特卡洛方法的GATE工具[4]進行模擬成像，獲取數字體模的影像數據，減少不同采集設備間的偏差。目前已有基于數字體模的臨床評價研究[5]，但在醫學影像軟件產品的有效性評價方面的研究較少。與基于計算機輔助設計的方法相比，基于GATE 的模擬成像可得到更加真實準確的影像數據。

形狀規則的數字體模設計及模擬成像研究[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，開發了不規則形狀的醫用數字血管體模，并通過模擬成像得到CT 影像數據。從外觀、感興趣區域（Region of Interest，ROI）信息等方面與基于CT 實機掃描的物理體模數據進行對比，驗證醫用數字血管體模的有效性。

1 材料與方法

1.1 醫用數字血管體模設計

基于GATE 平臺構建帶有造影劑的醫用數字血管體模（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。用戶可根據實際需要自定義材料的名稱、密度、元素組成、比例分數等參數。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、氧的比例分數分別為32%、43%和14%，材料密度設定為2.173 g/cm3。對應的物理體模通過3D 打印獲得（圖1b）。

圖1 醫用數字血管體模（a）和對應物理體模（b）外觀示意圖

1.2 CT模擬與CT實機成像

基于GATE 的CT 模擬系統的性能參數在腳本文件（.mac）中設置，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]，需設置電壓、鋁當量厚度等參數。進入GATE 環境后，執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狀態，數字體模以1 °/s 的速度繞z軸旋轉，投影數據的采集間隔為1 s。本次模擬實驗在上海交通大學“思源一號”高性能計算集群上運行完成，系統主要配置為：CPU 為雙路Intel Xeon ICX Platinum 8358/32 核，主頻2.6 GHz，操作系統為CentOS。掃描完成后，共得到360 個像素矩陣為512×512 的投影數據。

圖2 CT模擬系統掃描配置圖示（a）和模擬X射線源的能量分布（b）

為了驗證醫用數字血管體模及CT 模擬成像系統的有效性，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部，CT 實機系統（上海聯影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 實機成像的參數對比。

表1 CT模擬與CT實機的成像參數

1.3 投影圖像重建

完成CT 模擬成像后，可得到投影數據。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據。基于MATLAB腳本將重建數據轉換為醫學數字成像和傳輸協議（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）格式圖像，并設置相關DICOM 標簽屬性值，包括管電壓、成像距離、重建圖像大小、像素尺寸、窗寬窗位等必要標簽。CT 實機掃描數據使用uExceed 采集工作站進行重建后導出為DICOM 數據。

1.4 醫用數字血管體模的靈活多樣性

為了驗證數字體模自定義材料的多樣性，在上述體模的基礎上，通過調節碳、氫、氧等材料的組成比例分數，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。通過CT 模擬成像可得到對應的影像數據。

為了驗證數字體模的設計靈活性，可在體模內部進行形態變化。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所示形態的數字體模影像數據，后續可根據實際需求靈活調整。

圖3 醫用數字血管體模形態變化

1.5 統計學分析

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 為差異有統計學意義。

2 實驗結果分析及評價

2.1 醫用數字血管體模分析評價

為了分析CT 模擬圖像與原設計情況的異同，將CT 模擬圖像與原設計圖進行對比，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。結果顯示，二者在基本結構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模擬圖像與原設計參數對比（mm）

圖4 CT模擬圖像（a）和原設計圖（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）、結構相似性（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構尺寸越相似；PSNR 是衡量圖像質量的指標，PSNR越大，說明圖像質量越相近，PSNR 在30～40 dB 之間代表圖像質量可以接受；SSIM 也是衡量2 幅圖片相似性的指標，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CT 模擬掃描的第53 層圖像（位于總層數的10%位置）和CT 實機掃描的第323 層圖像（位于總層數的92%位置），內部有造影劑填充。利用Radiant DICOM Viewer 軟件在CT 血管造影術窗寬窗位下（窗位300 HU，窗寬600 HU）顯示圖像（圖5），并測量ROI 區域的CT 值，得到ROI 的平均CT 值及標準差。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，計算得到分割區域的圖像面積，模擬與實機CT 成像的造影劑CT 值對比結果如表3 所示。

表3 血管數字體模和物理體模檢測結果

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，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出良好的相似性，基于數字體模的CT 模擬成像的方式未來有可能作為一種生成較高質量CT 圖像的方式。

2.2 醫用數字血管體模的多樣性

通過調節數字體模的造影劑材料密度，經過模擬成像及重建后，可得到不同的影像數據，對應的CT 值隨材料密度而變化，見圖6。將數字血管體模內部加入圓柱形體模，并將其材料設定為某種高密度物質，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分。由此可見，相比于物理體模，數字體模的材料和形態靈活可調，通過調節參數設置即可得到不同類型的CT 影像數據。

圖6 調節數字血管體模的造影劑材料密度

圖7 在數字血管體模內部加入圓柱形高密度材料

3 討論

本研究設計了醫用數字血管體模，并對其進行CT模擬成像及評價。數字體模的CT 模擬圖像與對應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，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，導致物質對射線的衰減系數降低，從而使CT 值減小。對比結果表明，CT 模擬與實機圖像的一致性較好。基于已驗證的CT 模擬成像系統和數字體模，本研究還拓展設計了體模的形狀和材料，體現了其靈活多樣性。

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雜，需驗證與實際斑塊的一致性。模型設計依賴于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、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 的模擬結果對輸入參數較敏感，需要進一步優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更多，對于服務器的算力要求更高。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 數據的總模擬時間約為1200 h，計算機資源消耗量大，需要進一步提升運算速度。

軟件產品的研發及上市前階段需要進行充分評價，證明軟件的功能符合預期、滿足臨床需求。目前已有的數字體模的生成方式較簡單，例如，將臨床圖像轉為三維網格面格式[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，無法有效地滿足醫學軟件功能評價的需求。基于GATE 生成數字體模CT 圖像的方式考慮了掃描成像部件參數、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學影像軟件功能的評價手段。例如，通過設計不同形狀、密度、材料的數字體模，模擬不同疾病進展程度[13]，得到不同CT 值的影像數據[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；設計心臟、肺部等動態體模，生成帶有運動偽影的數據，驗證軟件在不同圖像質量下的性能[16]。

4 結論

本文基于GATE 工具構建了CT 模擬系統，并設計了醫用數字血管體模，將計算機模擬成像技術的應用從醫學成像系統的設計研發領域擴展到了醫學影像軟件產品的監管評價領域[17-18]。實驗結果表明，基于充分的驗證，通過CT 模擬成像得到的數字體模影像數據有望成為醫學影像軟件的評價新工具，可提高產品評價過程的客觀性和準確性，降低驗證成本；統一的評價標準則有利于科學規范地開展醫學影像軟件的審評核查，優化該類產品的質量控制過程，加快科研成果的臨床轉化，推動創新產品的上市進程。