本研究的目的是在经股动脉经导管主动脉瓣植入术（TAVI）期间，通过将术前CT数据与实时X射线（XR）透视成像进行融合，提高图像融合（IF）的配准精度。
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方法文章
经导管主动脉瓣植入术中用于图像融合的三维CT血管造影与X射线透视成像的优化配准
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
将高保真术前计算机断层扫描血管造影（CTA）生成的三维解剖模型与X射线（XR）透视成像融合，以提供解剖学引导，对于经导管主动脉瓣植入术（TAVI）联合脑保护等复杂心脏介入手术具有重要意义。CTA与XR的配准技术此前已通过额外的术中非增强或对比增强锥形束计算机断层扫描（CBCT）或两次独立的主动脉造影实现。然而，这些方法会增加辐射暴露和/或对比剂（CA）用量，从而可能给患者带来额外风险。本文提出一种改良的配准方法，利用在股动脉穿刺及鞘管置入过程中常规进行的髂股动脉造影图像。在手术进行过程中实时优化配准，可在无需额外血管造影的情况下实现精确配准，从而减少对比剂用量、X射线剂量和手术时间，同时提高术者操作信心和手术安全性。
引言
图像融合（IF）是将不同时间、不同视角及不同成像模式下获取的数据集叠加到单一参考坐标系中的过程。1X射线成像（XR）是介入引导中最常用的影像学方法。尽管XR具有高时间分辨率和空间分辨率，但其维度较低（二维投影），且缺乏解剖细节。源自 例如 高质量的术前CTA数据叠加至实时透视图像，可为X射线成像提供重要的解剖软组织结构信息。实现图像融合的先决步骤是对不同成像模态进行配准。
通常，术前3D图像数据集与XR透视成像的配准涉及以下技术之一2：a) 基于图像的3D-3D配准，即将术前3D数据集与术中非增强或对比增强的CBCT数据集进行配准3,4,5,6；或 b) 直接基于图像的2D-3D配准，该方法使用两幅角度间隔至少为30°的血管造影图像进行配准7,8。
随着商业扩展现实（XR）系统中融合软件包的近期引入，图像融合（IF）技术可更便捷地应用于多种场景。利用这些系统，我们先前已证明，通过直接基于图像的2D-3D配准方法叠加主动脉根部模型，在技术上是可行且安全的，可用于辅助经股动脉经导管主动脉瓣植入术（TAVI）8。在不增加总体造影剂（CA）或XR辐射剂量的前提下，IF在TAVI手术过程中被证实具有重要价值，其为主流的XR透视图像增添了三维解剖细节，尤其在脑保护装置的置入阶段尤为显著。然而，用于配准的主动脉造影图像的额外采集会带来额外的CA和XR剂量。因此，亟需一种优化的工作流程，能够在无需额外主动脉造影的情况下实现精确的图像融合。
本文介绍一种改进的术前CTA与实时XR图像配准方法，该方法无需额外进行造影剂注射或C型臂CT扫描即可实现图像融合。股动脉入路TAVI手术操作如其他文献所述9,10,11。简而言之，双侧股动脉均建立入路：一侧用于对侧穿刺的引导，随后通过6F鞘管置入猪尾导管，以便在瓣膜假体植入过程中进行动脉造影；另一侧用于置入瓣膜输送系统，并随后完成球囊主动脉瓣扩张及器械释放。在本机构，动脉穿刺位置的造影确认是标准操作流程，用于确定穿刺高度（位于股动脉分叉以上）以及在发生入路相关并发症时评估覆膜支架的预期位置12。为捕获栓塞碎屑，在TAVI输送鞘置入后、任何后续器械通过主动脉弓之前，需预先置入双滤网脑保护系统。
我们利用股动脉穿刺过程中常规进行的动脉造影来建立初始的配准。在后续操作过程中，通过主动脉根部内的猪尾导管位置、主动脉弓上血管内的双滤器脑栓塞保护系统，以及在植入瓣膜假体前进行的主动脉造影，实时对配准进行优化，从而确保在整个介入过程中任意时间点均能实现精确的模型叠加。
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方案
该研究方案符合1975年《赫尔辛基宣言》所体现的伦理准则 先验的 经机构伦理委员会批准。本研究中所有参与者均签署了书面知情同意书（CSI-Ulm，clinicaltrials.gov NCT02162069）。
1. CT 检查
- 使用80 mL碘对比剂，以4.0 mL/s的流速注射，随后以70 mL 0.9%氯化钠溶液冲洗，采用回顾性心电门控进行冠状动脉CT血管成像。
- 从股动脉至锁骨下动脉区域，由头侧向尾侧方向采集数据，扫描参数如下：矩阵512 × 512像素，层厚1 mm，层间距0.7 mm。
- 在R-R间期的30%时相，采用迭代重建算法进行图像重建。
2. 图像分割与模型生成
- 通过将选定患者的完整数据集或数据子集从外部设备或内部归档系统拖放到应用程序内的 患者 视图中，将 CT 数据导入图像融合软件。
- 通过双击图像序列，启动对选定 CT 容积的自动分割。
注意：心腔（左心室、右心室、左心房、右心房）和大血管（腹主动脉、下腔静脉和冠状窦）的分割将自动开始，并在 分割 工作步骤中显示。 - 逐层浏览图像切片，确认主动脉和左心室的边缘是否被正确识别；如有必要，在 组织 窗口中使用 编辑 按钮对自动分割结果进行修正。
- 如需对其他结构进行手动分割，请在 组织 窗口中使用 添加 按钮。
- 使用现有的编辑工具，在二维视图中通过 注入染料 填充结构，或通过 拖动边缘 调整结构边界；在三维视图中使用 自由形状切割 删除结构部分。
- 按照步骤 2.4–2.5 所述方法，对左、右冠状动脉主干、主要动脉分支（头臂干及其分支右颈总动脉和右锁骨下动脉、左颈总动脉和左锁骨下动脉）、左和右髂股动脉、髋骨及髋关节进行手动分割（图 1）。
注意：根据 CT 容积数据的质量，此过程可能需要 20 至 30 分钟。
3. 图像配准与融合
- 在 患者 在XR系统中，通过右键上下文菜单选择相应操作，将选定患者与当前患者合并。
注意：现在 注册 和 活体 工作步骤处于激活状态，可以使用。 - 在 活体 工作步骤，点击 添加新标签点 在 标记点 在主动脉瓣瓣叶处放置三个参考标记，以在介入过程中便于选择瓣环平面的最佳投照角度（图2).
- 前往 注册 获取XR扫描数据并执行分割模型与XR的配准步骤。
注意：为实现可靠的配准，需至少获取30°角距离的XR扫描数据。 - 将适当穿刺点的血管造影投照图像复制到约LAO 20–30°方向（或根据初始穿刺侧选择约RAO 20–30°） 参考视图 1 通过点击按钮 复制到参考视图 1.
- 复制在观察对侧过渡期间以近似前后位方向获取的以下 X 射线投照图像 髂总动脉 到 股总动脉 进入 参考视图 2 通过点击按钮 复制到参考视图 2.
- 使用交互工具 注册全景, 注册 旋转 （用于面内旋转）， 注册卷轴 （用于三维旋转）手动将髂股动脉模型与获取的XR投影对齐图3A- B).
- 在髂股区域对叠加图像进行配准时，利用X线图像中可见的髋骨和髋关节作为额外的解剖标志。
注意：现在模型已与XR系统的几何结构相关联，叠加图像会自动适应当前XR投影的方向、放大倍数和患者床位置。 - 在鞘管侧引导股总动脉穿刺图3C) 使用步骤 3.6 中完成的粗略初始配准。
- 通过点击按钮，以约右前斜20–30°（或相应地约左前斜20–30°）记录装置鞘管股动脉的血管造影投照图像 复制到参考视图 并在髂股区域完成图像的最终配准（图3D).
注意：由于患者在CT扫描和介入治疗期间的体位不同，基于髂股结构的配准在其他区域仅能提供有限的准确性。因此，需要对胸段区域的图像配准进行手动优化。 - 为将这些数据用于后续的叠加重新配准，在从髂股区域过渡到胸段区域期间，以及通过右桡动脉插管至头臂干时，需将任何额外采集的投影像复制到“参考视图”中。
- 将猪尾导管置于主动脉弓后，在左前斜30°–40°和右前斜20°–30°体位下获取两个无对比剂的透视图像，并将其复制到 参考视图 1 和 参考视图 2.
- 使用交互工具 全景配准, 注册 旋转 （用于面内旋转）， 注册卷轴 （用于三维旋转）手动调整胸段的配准图4A- B).
- 仅根据解剖结构叠加图像引导保护装置的放置，不额外使用造影剂（CA）图4C).
- 如步骤3.12所述，手动校正叠加位置以进行进一步优化。 在整个干预过程中，对每次获取的XR投影均进行处理，以确保在任意时间点都能实现精确的图像重叠。
注意：使用按照常规程序获取的血管造影图像来验证输送系统的正确位置，并将其作为叠加调整的定位标志图 4D).
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结果
我们提出了一种用于TAVI术中图像融合的新型配准方法，该方法可在整个TAVI手术过程中将患者特异性的解剖模型叠加到实时的XR图像上，且无需额外的主动脉造影。
以下多个介入操作步骤将受益于影像融合（IF）技术：（1）在鞘管侧股总动脉分叉上方穿刺时提供引导（图5A）；（2）仅基于解剖叠加图像，即可在极度迂曲的解剖结构中精确放置脑栓塞保护装置（图5B）；（3）无需X射线曝光和造影剂注射，即可在任意C型臂投照角度下可视化模型（图2），并在瓣膜释放前确定最佳投照视角（图5C）；（4）即使在极为复杂的解剖结构中，也能实现瓣膜假体的精准对齐（图5D）。
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讨论
本研究的主要目的是探讨在不改变临床已确立的经导管主动脉瓣植入术（TAVI）工作流程的前提下，实现图像融合（IF）的可行性。尽管术前CTA数据与X射线透视图像配准的金标准依赖于专用的主动脉造影8，我们提出采用多阶段近似配准结合实时优化的方法，以在整个介入过程中提供精确的三维模型叠加。
持续的手动配准优化需要额外经过培训的工作人员从控制室协助介入团队。由于相关用户操作会影响临床既定的介入工作流程，因此在术床旁进行这些必要的优化十分困难。然而，尽管基于两次专用主动脉造影采集的配准在术床旁可能更容易实现，但在股动脉穿刺过程中将无法提供三维叠加图像，且患者的任何移动都会破坏配准的准确性。
即使使用不考虑心脏和呼吸运动的静态路线图，在股动脉穿刺、栓塞保护装置置入以及瓣膜假体初始定位方面也显示出良好的应用前景。然而，结合心脏相位同步的解剖模型与呼吸运动补偿技术，可通过考虑主动脉瓣环位置的动态变化（尤其是在瓣膜释放过程中），进一步提高该方法的实用性。
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披露
所有作者的通讯作者声明，不存在可被视为利益冲突的关系。
致谢
作者感谢乌尔姆大学转化成像中心 MoMAN 提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Philips Allura FD10 | Philips Healthcare | X射线系统 | |
| EP Navigator 版本 5.2.10 | Philips Healthcare | 图像分割与融合软件 | |
| Iomeron 350 | Bracco Imaging Deutschland GmbH | X射线造影剂 | |
| Sentinel 双滤器脑保护系统 | Claret Medical, Inc. | 双滤器脑保护系统 | |
| Matlab R2013 | MathWorks | 统计分析 |
参考文献
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