虚拟支架植入系统：术前参考与医学教学利器

如1.3节所述，PTCA术是目前治疗冠心病的主要手术方法，其中被用来植入血管内、并撑开血管的管网状金属或其他材质的支持物就是血管支架。1964年Dotter等^［35］第一次阐述了血管内支架（Endovascular Stent，EVS）的概念，1969年他们首次应用金属环在猪的血管内做了血管支架手术，并取得了成功^［36］。1983年镍钛合金也被用于制作血管支架的材料^［37］。首例冠状动脉支架手术是在1987年由美国人Sigwart等^［38］实施并取得了完美效果。

如图5-18所示，通常将血管支架安装在球囊导管装置上，在X射线造影录像的监视下，通过股动脉或桡动脉穿刺将球囊导管装置输送到冠状动脉狭窄病变处；然后，在体外将球囊导管末端的球囊充气胀开，继而撑开支架迫使狭窄处的血管腔开放，以增大血管内径，使血液能正常通过血管；接着，将支架撑在已被扩张的狭窄处，防止其回缩；最后，撤出球囊装置，血管支架则被永久地固定在已经被扩张的动脉狭窄处，达到支撑狭窄血管、保持血流通畅的目的。应用血管内支架植入术可使狭窄或闭塞的血管再通，PTCA具有创伤小、恢复快、并发症少、死亡率低等优势，尤其是在治疗大动脉血管瘤方面，其治疗效果可与传统的外科手术相媲美。目前经皮腔内血管成形术在冠心病、颅内动脉瘤、缺血性脑血管疾病以及周围血管疾病的治疗中得到了广泛应用，并已扩展到胆道、气管、消化道等领域^［39］。

图5-18 血管内支架植入示意图

a）支架植入血管的对比示意图 b）支架植入术示意图

临床实验证明，血管支架术可以大大降低介入治疗产生的急性并发症等，但是在植入支架的过程中，可能会对血管壁造成损伤，并且血管在支架的长期牵拉作用下可能会导致内膜增生，引发更严重的血管再狭窄等问题。如何选择合适材料和尺寸、植入方式、支架的准确定位以及解决支架再狭窄等问题是当今该领域的研究热点和难点。目前临床常用的方法是根据X射线血管造影或者CT血管造影（CTA）图像，利用一些二维分析技术来估算血管的病变程度以及选择所需支架的型号。但是造影或CTA图像所提供的空间信息非常有限，不能真实反映血管及其病变的实际情况，而且测量结果都受到医师主观因素的影响，势必为准确估计所用支架的型号带来困难，而依据二维图像生成的三维血管模型可为支架植入和支架术后分析提供有利的依据。(www.xing528.com)

根据以上不足和临床应用的实际需求，人们开始探索开发虚拟支架植入系统。在虚拟内镜的视角下，模拟支架植入手术的过程。其工作过程是：首先，建立一个虚拟支架库，列出各种型号的支架，操作者可根据管腔和斑块的形态参数测量结果，从支架库中选择合适的支架；然后，在虚拟内镜的观察模式下，将带有球囊和支架的虚拟导管放入重建出的三维血管模型中，使导管在血管腔内前行，到达阻塞位置中部后停下，给导管末端的球囊充气，使得球囊膨胀，同时撑开附于球囊上的支架，支架贴壁后，再给球囊排气，撤出导管和球囊，完成整个支架植入手术的模拟过程。该虚拟手术可在待行支架植入术的血管腔狭窄部位直观地展示支架放置的效果，比如放置的部位、支架的长度和直径是否得当、支架与血管壁是否贴合等，可以反复更换支架直至型号合适。对于动脉瘤，在进行虚拟支架手术后，不仅可以展示支架在瘤内的上述各种情况，而且还可以清楚地显示瘤腔的大小，使初次植入微弹簧圈的选择变得更为简单易行。该虚拟手术可作为支架植入的术前参考，保证手术取得良好的治疗效果，同时也可应用于对医务人员和介入治疗医师的培训和教学中。

虚拟支架植入技术作为虚拟内窥镜系统的一种，是随着PTCA手术的成功进行而发展起来的。模拟支架植入的概念是在文献［40］中提出的，当时主要集中于对手术针和导管插入血管腔内的模拟。此后提出的MedlS-V^［41］系统用可视化的虚拟内窥镜来进行主动脉支架手术前的规划。首先，自动提取血管腔中心线；然后，沿着管腔中心线植入虚拟支架；最后，以交互方式调整支架的长度和直径。Geodesic系统^［42］汇集了自动和半自动的图像分割工具，并结合网格生成工具来建立特定病人的血管模型，用于进行手术计划，例如模拟支架植入、模拟血流过程等。接下来的几年，对虚拟支架植入手术的研究大范围展开了，其中德国马尔堡大学和西门子医疗系统集团在模拟支架植入手术的研究中处于领先地位，已经共同研发出针对主动脉瘤和主动脉狭窄的术前CT图像分析、术中不同厂家支架的模拟及术后支架位移内漏情况跟踪的一整套系统^［43］。法国国家科学研究中心与哥伦比亚洛斯安第斯大学采用对比增强的磁共振技术，应用自主开发的Maracas软件对图像进行分割，开发了一套模拟非分叉支架植入的系统^［44］。日本京都大学在模拟支架植入手术的术前和术中的图像处理方面进行了深入研究^［45］。此外，研究者们还利用有限元分析法对植入血管内的支架进行了力学分析和研究，以改进支架的材料和结构特性^{［46，47］}。国外也有公司开发出集成虚拟支架选择程序的商用软件，如飞利浦INTEGRIS 3D-RA工作站。国内的中国科学院深圳先进技术研究院、北京思创贯宇科技开发有限公司^［48］、四川大学华西医院神经外科和南充市中心医院^{［49，50］}等都在虚拟器械的应用方面进行了研究。

目前，虚拟支架植入系统在治疗主动脉瘤和主动脉狭窄疾病上的应用比较广泛，主要是采用由CT血管造影（CTA）或磁共振冠脉造影（MRCA）采集到的容积数据作为数据源。因此可以采用基于CT或MR图像数据的通用虚拟内窥镜系统，此种系统只需要导入分割后的冠脉血管切片容积图像数据即可。但是由于心脏的剧烈周期跳动和心脏及周边血管的复杂结构，所以对图像的分辨率要求很高。

虚拟支架植入系统的开发包括建立虚拟支架库、查看及选择支架和模拟支架植入过程三个部分。建立虚拟支架库是对目前在售的各类支架在VRML环境中进行建模。查看及选择支架部分属于图形用户接口，供用户了解各类支架并进行合适支架的选择。模拟支架植入过程包括将支架移入血管中的合适位置、球囊撑开支架、球囊放气及撤出球囊装置四个部分。下面分别对其进行详细介绍。