经食道超声心动图仿真辅助诊断系统的研制及临床应用

摘要

背景
　　 经食道超声心动图(TEE)是指将超声探头置于食道内，从心脏、血管后部探测心脏、血管的形态结构及功能改变的一种超声显像方法。其扫描方式历经单平面，双平面和多平面扫描的改变。目前，多平面TEE已被广泛应用于各种心脏疾病的诊断及开胸手术和介入性手术的监控。但是由于多平面TEE每一个深度可获得最多180个切面，过多且复杂的切面由于缺乏统一的标准以及与其相对应的薄层断面解剖学资料加以规范，严重影响了TEE的推广和普及。此外，TEE操作的复杂性和图像的多样性也影响临床诊断准确率。因此，急需一种与TEE相适应的虚拟仿真系统来培训医师和辅助临床诊断。近年来，医学虚拟系统不断发展，它是在是在人体断层解剖数据和医学影像数据基础上，应用计算机技术创造医学虚拟环境，模拟医学操作的虚拟仿真系统。具有真实的二维和三维解剖学信息，能为临床医学(影像学、外科学等)提供仿真的应用环境和平台。因此，本研究在中国可视化人体数据集及心脏双源CTA数据集的基础上进行经食道超声心动图仿真辅助诊断系统的研制。旨在较好贴近学科前沿，克服TEE检查局限，辅助临床医师诊断，为TEE医师和医学生提供虚拟培训平台。
　　 目的
　　 建立高质量的基于CVH和DSCTA数据集的心脏三维可视化模型及虚拟冠状动脉模型，探讨和比较模型特点，完善虚拟心脏模型数据库；将虚拟心脏模型与经食道超声心动图标准切面结合，为经食道超声心动图提供精确详实的解剖学对照；设计虚拟经食道超声心动图仿真诊断系统，为心脏经食道超声心动图诊断提供人机互动性好的二维和三维操作平台。
　　 方法
　　 1.采用首套中国可视化人体数据集心脏部分连续断面图像及筛选后临床无心脏疾患的双源螺旋CT冠状动脉造影图像，运用体绘制和面绘制的方法，在Amira5.2.1软件上进行心脏模型重建，研究各自的特点并对其进行相互比较。运用半自动分割方法重建细微冠状动脉血管三维可视化模型，细化到二、三级分支，建立冠状动脉模型数据库。
　　 2.采集正常人群多平面TEE二维图像，建立正常多平面TEE图像数据库。
　　 3.在心脏三维可视化模型上，运用Amira软件的“ObliqueSlices”菜单，Rotate功能，模拟经食道超声心动图在食管后方进行0°-180°虚拟切割，将CVH和DSCTA断面数据与相应角度的经食道超声心动图图像共同显示，从而进行解剖对照研究。
　　 4.在Amira5.2.1软件及photoshop CS7.0软件上针对CVH和DSCTA各个断层心脏解剖结构进行分割和解剖命名赋值。将CVH心脏断面各解剖结构用灰度赋值表示。将DSCTA各解剖结构用分别surf重建label表示。
　　 5.选取经食道上中下段TEE图像，导入心脏三维可视化模型数据库和冠状动脉三维可视化模型数据库，编码生成导入各心脏解剖结构赋值程序，设计软件内容，建立经食道超声心动图仿真辅助诊断系统。
　　 结果
　　 1.本研究在CVH数据集和临床DSCT造影数据集的基础上成功建立了两种共6例心脏三维可视化模型。上述两种模型是通过精细的图像分割技术，运用可视化软件建立而成，均能清晰显示心脏及大血管的三维立体解剖结构，模型代表性强，可进行任意方位的虚拟切割、旋转，但二者又因图像质量及其解剖信息侧重点各具优缺点。
　　 2.在心脏模型的基础上细化完成的冠状动脉三维可视化模型数据库能充分代表大部分国人的冠状动脉解剖结构及走形，并能清晰显示正常人体左、右冠状动脉的主干及其主要分支，其中以DSCT数据集所建立的冠状动脉模型更为细致。
　　 3.运用Amira5.2.1软件在CVH和DSCTA模型数据库上模拟多平面TEE行0°-180°虚拟切割，并将相应角度的CVH和DSCTA数据与多平面TEE共同显示，充分发挥各自图像解剖特点，图像对合性好，能为TEE提供详尽解剖对照。
　　 4.设计并完成了经食道超声心动图仿真辅助诊断系统，该系统能够充分发挥心脏模型的优势，实时动态显示多平面TEE上、中、下段0°-180°超声图像及其对应角度的CVH和DSCTA图像，通过拾取模式清晰显示任意切割面上相应的心脏解剖结构的英文名称及其相互毗邻关系，为临床医师掌握和了解多平面TEE的图像特点提供人机互动平台。
　　 结论
　　 1.以可视化人体和DSCT造影数据集为基础构造的心脏三维可视化模型各具有优缺点，且相互补充，将两种模型共同显示，能够为下一步计算机医学模型数据库的建立提供丰富而全面的素材基础。
　　 2.冠状动脉三维可视化模型作为重要的解剖学桥梁和工具，进一步细化的冠状动脉二、三级分支能为TTE及其基础上发展起来的心肌声学造影和心肌定量分析等新技术诊断冠心病提供精确详尽的二维和三维解剖学对照。
　　 3.CVH和双源CTA心脏模型能为多平面经食道超声心动图各切面提供精细对照，也为进一步建立高质量的经食道超声心动图仿真辅助诊断系统提供数据基础。
　　 4.虚拟经食道超声心动图仿真辅助系统能够为为医学生及超声医师学习和掌握经食道超声心动图的操作及图像诊断提供精准有效的二维和三维虚拟操作平台。

目录

文摘

英文文摘

英文缩写一览表

前 言

第一部分 基于中国可视化人体数据集和双源CT造影数据集上建立的心脏及冠状动脉三维可视化模型对照研究

前 言

资料与方法

结 果

讨 论

第一部分 图像

第二部分 心脏三维可视化模型在经食道超声心动图中的应用研究

前 言

资料与方法

结 果

讨 论

第二部分 图像

第三部分 虚拟经食道超声心动图仿真辅助诊断系统的建立

前 言

材料与方法

结 果

讨 论

第三部分 图像

全文小结

致谢

参考文献

文献综述 经食道超声心动图的发展及应用趋势

参考文献

在读期间发表文章