三维可视化技术模拟房间隔缺损介入治疗的临床研究

·330· 三维可视化技术模拟房间隔缺损介人 治疗的临床研究 洪雯静孙锟余建国赵暖薛海虹 ．结构性心脏病 【摘要】 目的探讨三维可视化技术模拟在房间隔缺损(ASD)介入治疗中的I临床价值。 应用超声三维体绘制显示ASD及缺损周边心内结构，同时运用三维建模技术绘制数字化仿真装置。 对30例ASD介入术患儿仿真装置大小及装置下缘距房室瓣距离与实际所用房隔封堵装置各参数进 行比较。结果三维町视化叮显示患儿ASD的位置、形态、大小。仿真装置左心房面直径为(26．07± 5．32)cm、右心房面直径为(22．13．4-5．31)cm，其距二尖瓣、三尖瓣距离分别为(5．76±2．39)和 (8．25±2．40)cm，与实际所用Amplatzer封堵装置相应各参数[分别为(25．91±5．32)、(22．08± 5．26)、(5．61±2．26)、(8．02±2．48)em]之间差异无统计学意义(P>O．05)。结论三维超声可视化 作为一种无创性技术可在ASD封堵术前为介入治疗提供更详尽的缺损及装置信息，指导装置选择。 【关键词】房间隔缺损；超声心动描记术，三维；心脏导管插入术 3Dvisualizationforsimulatingpercutaneoustranscatheterdosureofatrialseptuldefect：apilot clinicalstudyHONGWen-ring’．sUNKun，YU五an-guo，zHAoNuan．XUEHai-hang．‘Departmentof PediatricCardiology。ShanghaiChildren 7 s MedicalCenter，SchoolofMedicine，ShanghaiJiao％，lg University．Shanghai200127．China Corresponding口以^o，：SC，ⅣKun。Entail：drkunsun@yahoo．com．cn 【Abstract】0bjegtiveToevaluatetheclinicalvalueof3Dvisualizationmethodforsimuhfing percut卸eoustranscathetercloBureofatrialseptaldefect(ASD)．Methods3Dvolumerendermethodwas usedforvisualizingASDandsurroundingstructuresand3Dmodelingmethodwasappliedforsimulatethe shapeofocclusiondevice．Thesizeandthedistancebetweentheloweredgeofdeviceandatria-ventricular valveofsimulationoccluderandactualselectedatrialseptaloccluder(AS0)werecomparedin30patients underwentsuccessfultranscatheterclosureofASD．ResultsThelocation。geometry，size，extentofASD8 inchildrenweredisplayedin3Dvisualization．NosignificantdifierenceWaSfoundbetweensimulation occluderandASOsizemeasuredfromleftatrium[(26．07±5．32)cmvs．(25．9l±5．32)em]andrisht atrium[(22．134-5．31)amvs．(22．084-5．26)em，allP>0．051．，11ledistancesfromsimulation occludertomitralvalves『(5．76±2．39)cm]andtotricuspidvalvesI(8．25±2．40)cmweresimilar鹪 ASOtoatria．ventricularvalves[(5．614-2．26)cmand(8．02±2．48)cm，respectively，allP>0．051． ConclusionsThesimulatirigpereutaneoustranscatheterclosureofASDby3Ddanalizationtechniquecould beahelpfulnoninvasiveapproachforASOselectionbeforetheprocedureoftranscatheterocclusionofASD． 【Keywords】Atrialseptaldefect；Echocardiography，three-dimensional；Heartcatheterization 房间隔缺损(atrialseptaldefect，ASD)是／bJD先 天性心脏病中常见病种，在儿科先天性心脏病中约 占10％。随着介入材料的改进及介入技术的成熟， 经皮心导管封堵ASD逐渐代替传统开胸直视修补 术，成为目前治疗ASD的常用方法之一[1引。 DOI：10．3760／cnnj．ismr0253-3758．2010．04．013 基金项目：国家自然科学基金资助项目(30371497)；科技部“十 五”攻关项目(2004BA714802) 作者单位：200127上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心 心内科(洪雯静、孙锟、薛海虹)；复旦大学电子工程系(余建国、赵 暖) 通信作者：孙锟，Email：drkansan@yahoo,eongcn 术前详尽掌握ASD形态特点以及术中封堵装 置的合理选择是影响介入治疗成功率的关键。三维 超声可直观展现房间隔等心内结构的立体图像H剖， 但现有的商品化三维处理软件仅能对实际采样的缺 损数据进行重建和切割，无法预测封堵装置在心腔 内的成型情况。因此，本研究结合三维超声可视化 和人工建立数字化模型技术，自行研发软件，旨在探 询其在术前模拟ASD介入治疗的可行性。 资料与方法 一、研究对象 选取上海儿童医学中心心内科住院行ASD介 万方数据 人治疗成功的30例患儿，其中男9例，女2l例，年 龄(6．37±3．49)岁。选用美国AGA公司Amplatzer 房间隔封堵装置(AmplatzerSeptalOecluder，ASO)， 型号9—24。 二、仪器及研究方法 1．图像信号获取：分别在介入治疗术前及术后 l d对患儿进行采样。采样过程如下：患儿平卧或 左侧卧位，设立心电、呼吸门控，应用美国Philips SONOS5500／7500型彩色多普勒超声心动图仪经胸 多平面探头采样，超声探头每隔3度旋转扇形扫描， 采集得到61帧原始心脏超声图像，获取包含完整的 房间隔、ASD／ASO、各房室瓣、肺静脉及腔静脉信息的 三维数据集(图1，2)。采集图像存储并待脱机处理。 2．计算机三维数据模型的建立：将所获取的系 列二维图像数据通过图像的插补、均衡、增强等方法 提高二维图像的分辨率，改善图像间的不一致，以利 于三维图像的重建。然后对上述二维超声图像用二 次变换法进行数据的重建组合，对于没有灰度值的 像素点采用双线性插值建立完整的三维体数据。通 过三维高斯滤波的方法对图像进行预处理，减弱甚 至消除图像中的噪声影响。采用体光照模型的直接 体绘制技术将三维数据场图形化，最终建立240× 240×128像素的立体三维模型。 3．ASD三维超声可视化环境的建立：以桌面侵 入系统的方式，实现可处理此数字模型的快速处理 方法；将所需要的三维超声数据快速、连续进行重 建，使用VisualC++软件开发平台研制快速的光照 模型的直接体绘制算法，对三维超声图像进行绘制 重建。将所采集的二维初始切面作为导航图，利用 鼠标交互的方法，通过鼠标拖动、旋转来调整视点的 位置、朝向、焦距及移动以改变切割面的位置以及法 线方向，进而对三维体数据进行任意方向的切割，以 找到最佳剖切面。 4．数字化仿真装置的建立：参考ASO结构形 状，合适的几何函数模拟装置腰部、左盘 面、右盘面等各参数，对参数建模进行渲染，绘制仿 真封堵装置【7o。以患者实际所用ASO大小为依据， 选择仿真装置大小；以ASD长径与短径的交点作为 仿真装置轴心，确定坐标及其法向量，然后根据轴心 位置及其法向量将仿真装置移到ASD上，通过人机 交互改变封堵装置的方向，使其正好封堵在缺损上。 静态可视化环境中模拟ASD介入效果，且观察角度 可以任意转换(图3)。 圈3封堵前后三维模拟图(3a为封堵前正面观，3b为封堵后 正面观，3c为封堵前侧面观，3d为封堵后侧面观) 5．仿真装置各参数定量分析：在三维可视化环 境中，对ASD及仿真封堵装置模型进行三维显示。 控制观察视点从左房面、右房面对仿真装置进行立 体观察，在心脏收缩末期分别测量装置左盘面直径、 右盘面直径以及装置下缘距二尖瓣、三尖瓣距离。 6．统计学分析：应用SPsS11．5 统计软件包作统计学处理。所有测 量数据用露4-s表示。将所测量的 仿真装置直径及与二尖瓣、三尖瓣 距离分别与13'O-3DETomtec工作站 测量值行配对t检验，所得变量间相 互关系采用Pearson相关性分析。P <0．05认为差异具有统计学意义。 结 果 田1超声图像采集示意图田2AsD原始超声切面图像 1．三维可视化环境显示ASD： 万方数据 30例ASD病例均完成术前三维图像信息采集，将所 获取的Voxel三维超声数据集转换成可以快速三维 重建的数据格式，建立ASD三维可视化环境。所有 数据经三维重建后均获得满意图像(图4)，从不同 方位可清晰显示ASD形态、位置及与房室瓣的关 系，30例ASD中类圆形8例，类椭圆形22例。 圈4 ASD可视化环境剖切示意图(4a：视点在右心房的三维体 绘制结构，4b视点在左心房的三维体绘制结构，箭头所示为 ASD) 2．仿真装置定量分析：测量仿真装置在心脏收 缩末期左盘面直径、右盘面直径、距二尖瓣、距三尖 瓣的距离。各参数与术后1dTI'O-3DETomtec工作 站所测量的结果差异无统计学意义(P>0．05) (表1)，且各参数与ASO所测值之间高度相关(r> 0．90，P<0．001)。 表1仿真装置与实际所用装置术后各参数的 比较(牙±s，mm) 组别 例数左盒霪面 右蛊霾面 距盂鸯瓣距矗誊瓣 嬲3025．91±5．3222．08±5．265．61±2．268．02土2．48 仿真装置3026．07士5．3222．13±5．315．76±2．398．25±2．40 讨 论 经导管ASD封堵术的手术成功率与病例及封 堵装置的选择密切相关，封堵装置选用的不恰当，不 仅增加导管操作次数，更会由于装置滑脱、成形异常 甚至造成缺损周围组织损伤而直接导致手术失败。 二维超声心动图作为无创性诊断技术，已经成为介 入治疗常规筛选及介入治疗监测手段，但对反映立 体的ASD具有相当大的局限性。目前经皮心导管 ASD封堵术成功率为95．7％，一份联合了全美29 个A,JL心血管研究中心，经过2年的合作研究结果 表明，在封堵失败的病例中有一半以上是因为ASD 过大或缺损周边组织少，缺乏与ASD相匹配的装置 而以失败告终(11／19)¨1。 近年来迅速发展的动态三维超声心动图技术可 以“电子解剖刀”的形式对重建的心脏进行随意切 割，从不同角度直视缺损形态、与毗邻组织间的相互 空间关系，从而为术前病例的筛选提供更详尽的结 构功能信息。但目前的三维超声技术仅能对实际采 样的缺损数据进行立体重建和任意切割，无法预测 封堵装置在心腔内的成形情况，更无法直观预知装 置封堵以后对心内周边结构所产生影响。 最新发展的计算机三维超声可视化技术将用户 和计算机结合成一个整体，以其优越性使医生身临 其境地“进入”被检查患者的心脏内部进行检查观 察成为可能。1996年Lee哺1应用该技术为胎儿超声 心动图研究提供了交互式的三维胎儿心脏模型。 1998年，Yambe等一1成功地将该技术应用于经皮球 囊冠状动脉成形术(PTCA)，实现了PTCA医生操作 和术前模拟。2004年Weidenbach等¨刨将心脏 三维超声可视化技术应用于医疗教学中，开发 EchoComJ智能培训系统，对医学院毕业生进行心脏 病超声诊断模拟训练。2005年有学者模拟“外科视 角”，从左心房向房室连接处观察二尖瓣，并移动视 点至左心室心底部对二尖瓣进行动态观察¨1J。 本研究通过VisualC++软件包进行三维图像 重建，自行设计三维超声可视化工作站，实现心内几 何形状数据输入的快速化和简易化，从形态、结构等 方面逼真再现ASD的立体构型。既往研究证明，该 技术可清晰显示离体猪心房间隔缺损、室间隔缺损 形态、位置，所测量的缺损大小与标本测量值相 似¨2。31。本文结合三维建模技术，以几何函数计算 模拟当前使用最广泛的Amplatzer房间隔封堵装置， 对三维可视化环境在ASD超声诊断及辅助模拟治 疗方面已经有了初步的探索。我们假设以ASD长 径与短径的交点作为仿真装置轴心，对模拟安置的 仿真装置距左、右房室瓣距离与介入治疗术后一天 ASO距房室瓣距离分别进行配对t检验，结果提示 两者之间的差异无统计学意义(P>0．05)，且呈高 度相关(r>0．90，P<0．001)，因此对于大多类圆形 和类椭圆形ASD，以其长径与短径交点作为仿真装 置轴心的假设成立。同时对仿真装置左／右盘面直 径与ASO直径比较，两者差异也无统计学意义(P> 0．05)，且呈高度相关(r>0．95，P<0．001)，故以该 几何函数计算公式绘制的仿真装置可以准确、逼真 地模拟ASO。 虽然此项研究尚处于起步阶段，即便如此，应用 三维超声可视化技术，将三维图像重建与三维建模 万方数据 生堡：叠血管痘盘查垫!!堡垒旦筮塑鲞筮兰魍曼!i!』￡!鲤丛，叁E照!垫!Q，!丛：2§丛!：堡 相结合，通过建立合适大小装置的计算机模型获得 术前病例的筛选和选择装置型号等诸多信息，模拟 ASD经皮心导管封堵治疗的理念已经得到初步 验证。 参考文献 [1]MazicU，GavomP，MasuraJ，eta1．Theroleoftransesophageal echocardiographyintranscatheterclosm'eofsecundumatrialseptal defectsbytheAmplatzerseptaloccluder．AmHeartJ，2001， 142：482-488． [2]DuZD，HU商zM，KleinmanCS，ete1．Comparisonbetw鲫 transcatheterandSUrgicalclosureofsecundumatrialseptaldefect inchildrenandadults：resultsofamultieenternonrandomized 啊a1．JAmCollCardi01．2002．39：1836．1844． [3]CookeJC，Gelmanjs，HarperRW，eta1．Eehocardiologists’role inthedeploymentoftheAmplatzeratrialseptaloechderdevicein adults．JAmSocEchocardiography，2001，14：588-594． [4]CaoQ，RadtkeW，BergerF，eta1．Transeatheterclosureof multipleatrialseptaldef：ects．Initialresultsandvalueoftwo—and three-dimensionaltransoesophagealechocardiography．EurHeart J，2000，21：941J947． [5]BalestriniL，FleishmanC，LanzoniL，eta1．Real—time3· ·333· dlmensionalechocardiographyevaluationofcongenitalheart disease．JAmSocEehocardiogr．2000．13：171·176． [6]孙锟，陈树宝，张玉奇，等．实时一维超声在经导管先天性心脏 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础、内科、外科、影像、预防和护理等有关学科的论文均可投稿。 征文：(1)心血管病预防与流行病学；(2)心血管病基础医学研究；(3)心血管影像学与功能检测；(4)心血管病护理 学；(5)医院管理。 征文要求：(1)文稿应具有真实性、创新性、科学性、实用性。设计合理，文字流畅简练，重点突出，有理论或实践的指导意 义。文题要求简明、醒目，一般不超过20个汉字。作者姓名列于文题的下一行，作者单位及邮编列于作者姓名的下一行。主 题词或关键词3～5个列于正文内容前。(2)摘要：采用目的、方法、结果、结论四段式撰写，字数800～1000字，最好无图表。 (3)文责自负，请自留底稿，未经采用的稿件不退稿。大会组委会将对所有来稿进行审理。审阅合格的稿件，将刊登在中国科 技核心期刊《中国循环杂志)2010年增刊上，英文摘要将在(Cardiology))增刊上发表，并予2010年6月20日以后将通过论坛网 站公布论文录用情况。 投稿截止日期：投稿截止日期为2010年6月20日(撤稿须在此日期前提出书面申请)，以网上提交时间为准。 投稿方式：可直接登陆会议官方网站www．chinaheartcenter．org进行在线投稿。 邮件投稿：chc2010@gnmil．tom，请在题目上注明“中国心脏大会投稿” 参会者可获得国家级继续教育基地授予的国家级I类学分8分。 万方数据 三维可视化技术模拟房间隔缺损介入治疗的临床研究 作者： 洪雯静， 孙锟， 余建国， 赵暖， 薛海虹， HONG Wen-jing， SUN Kun， YU Jian-guo ， ZHAO Nuan， XUE Hai-hong 作者单位： 洪雯静,孙锟,薛海虹,HONG Wen-jing,SUN Kun,XUE Hai-hong(上海交通大学医学院附属上海 儿童医学中心心内科,200127)， 余建国,赵暖,YU Jian-guo,ZHAO Nuan(复旦大学电子工程 系) 刊名： 中华心血管病杂志 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF CARDIOLOGY 年，卷(期)： 2010,38(4) 参考文献(13条) 1.van den Bosch AE;Koning AH;Meijboom FJ Dynamic 3D echocardiography in virtual reality[外文期刊] 2005 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