冠状动脉虚拟内窥镜技术的应用与发展

人体的心脏和冠状动脉是三维空间结构，仅依靠一幅或几幅二维图像来理解三维结构有一定的局限性，不能完全满足临床上在疾病诊断、治疗决策及外科手术研究中的需要。随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，心脏及冠状动脉的三维成像在近十年中有了长足的发展，而三维重建的结果可以虚拟内窥镜的形式显示出来。

目前，虚拟内窥镜技术在心脏及冠状动脉上的应用主要采用由CTA（Computer Tomo-graphy Angiography）或MRCA（Magnetic Resonance Coronary Angiography）采集到的容积数据作为数据源^{［29，30］}，实现冠状动脉内虚拟飞行观察，可以采用基于CT和MR数据的通用虚拟内窥镜系统，只需输入分割后的心血管切片图像数据即可。由于心脏的剧烈运动以及心脏及周围血管的复杂结构，对图像采集的分辨率要求很高。德国Tubingen大学的Dirk Bartz等^［29］采用多层螺旋CT（Multi-slice Spiral CT，MSCT），首先对大量的原始数据进行分割和生成距离场等预处理，全部过程需要约10～20 min（取决于采用的数据量），然后应用其自行开发的VIVENDI虚拟内窥镜系统，实现了冠脉内的虚拟内窥镜观察，如图5-10所示。

如第1章所述，诸如CT和MR等对心血管的无创性检查方法还存在技术上的不足，目前还不能成为常规的诊断冠状动脉和桥血管病变的临床手段。介入性的心导管检查（主要指CAG、IVUS和IV-OCT）仍然是目前临床诊断和治疗冠心病的主要影像手段。山东大学齐鲁医院张运院士领导的课题组构建了可显示血管壁、内膜和外膜弹性特征的二维血管内超声弹性图（2D-IVUSE），并开发了具有虚拟内窥镜视角的三维血管内超声弹性图（3D-IVUSE）软件系统，可显示斑块的空间形态和定位信息，直观显示不同血管病变部位应变的空间分布^[31]。但是在重建血管时，他们采用的是直接叠加IVUS自动匀速回撤装置获取的系列二维图像数据堆，形成一个三维直血管段的方法，如图5-lla所示，完全没有考虑血管的弯曲和扭曲、导管在回撤过程中的扭转以及由于心脏运所导致的运动伪影等，因此无法保证其重建结果和在此基础上形成的管内虚拟内窥的精度，如图5-llb所示。

图5-10 虚拟冠状动脉内窥镜效果图^[29]

图5-11 文献[31]中构建的虚拟血管内窥镜截图

a)真实轨迹管内超声图像的三维重建 b）管内虚拟内窥^[66](www.xing528.com)

如第3章所述，CAG与IVUS在对冠状动脉的显像和冠心病的诊治方面各有优缺点，而且具有互补性。IVUS图像显示血管的横断面和管壁结构，但无法实现截面的空间定位：CAG显示管腔被造影剂充填后的长轴方向的投影轮廓，但无法了解管腔横截面的形态和斑块的具体位置及形态结构。通过将CAG和IVUS图像数据进行融合，不仅可充分发挥二者的优势，而且可克服彼此的不足，获得对冠状动脉及其病灶的较为全面的了解，方便医生对三维血管进行静态和动态的直接观察。利用三维血管模型，还可以对管腔形态进行准确的定量测量，提取出有关斑块的分布和成分以及血流动力学等具有重要临床参考价值的信息，进而进行关于冠脉粥样硬化的发病机理和斑块发展情况的预测等相关研究。采用冠状动脉虚拟内窥镜技术，可实现对这些信息的交互式访问和显示。此技术应用于辅助诊断、手术规划、实现手术的精确定位和医务人员的培训等。

由于CAG和IVUS都不能提供切片式的断层容积数据，因此开发基于这些图像数据的冠状动脉虚拟内窥镜系统需要采用与基于CT或MR数据的虚拟内窥镜系统不同的方法，不能直接应用通用的虚拟内窥镜系统。基于这两种图像数据融合的虚拟血管镜技术与其他基于断层扫描成像方式（获得的是平行的切片）的虚拟内窥镜技术相比难度更大。美国Iowa大学的Andreas Wahle等^［31］在2004年首次提出了基于CAG和IVUS图像融合的冠状动脉虚拟内窥镜系统的概念，首先将在IVUS导管回撤路径起点采集的一对近似正交的CAG图像提供的超声导管的空间信息与IVUS图像序列提供的血管横截面信息结合起来，完成血管的三维重建，如图5-12a和5-12b所示；然后，利用虚拟现实造型语言在虚拟场景下显示重建的三维血管段；其次，采用伪彩编码技术定量标注血管段的形态参数（如血管段长度、横截面积、容积、曲率和挠率、斑块体积等），如图5-12c所示，并实现血流动力学参数的可视化

图5-12 文献［31］提出的基于CAG和IVUS图像融合的冠状动脉虚拟内窥镜系统

a）基于CAG和IVUS融合的右冠三维重建结果 b）血管内腔的剖开显示结果，其中白色区域表示钙化斑块 c）虚拟内镜视角下的右冠内腔，其中采用伪彩编码表示血管曲率的幅值 d）虚拟内镜视角下的右冠内腔，其中采用伪彩编码表示血流动力学数据 e）虚拟内窥镜系统的控制面板截图

表达，如图5-12d所示；最后，设计了一个操作简单，界面简洁的用户控制面板，实现对冠状动脉的虚拟内窥模式的、交互式的、独立于操作平台的可视化，如图5-12e所示。

冠状动脉虚拟内窥镜系统可作为诊断和治疗冠心病以及医学教育与培训的辅助手段，还可应用在远程手术操作上，同时可改进传统的手术方法，使利用虚拟手术器材进行手术操作训练变为可能。