CCI创新周讯 | 利用超声心动图的计算机辅助虚拟心脏的开发

心脏超声生成的虚拟心脏可用于查看各种干预措施在实际病人身上使用前的效果。

左图为通过心脏超声创建的病人数虚拟二尖瓣，用于执行虚拟手术，以测试在实际执行手术之前，干预措施将如何影响病人。右图显示了虚拟手术前后瓣膜小叶上的剪切应力的颜色编码。右图显示的是虚拟手术前收缩期峰值时瓣膜共震的模型定量。

在医学之外，计算机辅助的虚拟机器已被成功用于工程如汽车及飞机中，以便在虚拟环境中进行模拟。其用来评估事物的动力学特性，并确定在各种条件下的压力和机器的性能。 在过去几年中，一些医疗公司已经开发了类似的 "数字孪生"技术，对病人的心脏或其他器官进行计算机模拟，以便在虚拟测试环境中使用。类似于测试高性能汽车或飞机的设计，这种建模正在被编程，以查看各种药物、手术或设备干预对特定病人的潜在影响。

位于德克萨斯州威尔明顿的Nemours Alfred I. duPont儿童医院的心脏成像和小儿心脏病专家Mark Cartoski医学博士表示：“得益于计算机计算能力的不断强大，如今能以虚拟和快速的方式完成通常以侵入性方式进行台架研究或多年的研究。且其允许进行器官级别的生理学建模。”他在2021年美国超声心动图学会（ASE）年会上就这项技术发表了讲话，并认为这项技术可能在未来几年内改变病人的检查和治疗方式。

开发这些技术的供应商还提出，这些由真实病人创建的“数字孪生”可以用来测试新药或医疗器械。这种虚拟环境测试可以帮助在开始任何临床试验之前解决一些问题。虚拟建模还可以根据病人的具体解剖和生理结构了解手术或植入式设备将如何影响病人，或者如何改善手术以更好地适应病人。这可能会在未来几年大大改变手术的预先规划。

这些模型是根据患者的磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）成像数据、先进的可视化后处理和其他数据（如心电图）创建的，以定义器官的生理学。这种基于病人心脏CT扫描的虚拟建模已经被整合到HeartFlow公司开发的计算流体动力学技术中。这项通过FDA认证的技术创建了患者冠状动脉的三维模型，并使用超级计算机算法为所有的动脉段创建了一个虚拟的、彩色编码的分数流量储备（FFR）覆盖图。其显示了需要再通血管的堵塞，以及哪些堵塞可以用药物治疗。2019年底，该公司展示了进一步的创新，即可以在三维模型的血管中放置虚拟支架，算法将改变模型以显示对修改后的血管段的血流的潜在影响。

西门子在2019年还宣布开发了一个“数字孪生”应用，利用医疗成像和其他患者数据输入智能算法，可以从实际患者身上建立心脏等器官模型。在HIMSS 2019会议上展示的西门子数字孪生心脏显示了心脏的电活动，并确定植入式心律转复除颤器（ICD）的最佳导线位置。为了创建这些“数字孪生”模型，Cartoski说：“需要有一种方法，利用计算机科学准确地表示生理学，这需要医生、程序员和数据科学家之间的团队方法合作。”他还解释：“在案例中，需要对心肌细胞的生理学、构成模型的有限元素以及模型内不同类型的元素如何相互作用进行表述。需要一些东西作为模型的基础，这就是病人的具体成像数据的作用，然后可以使用一个高功率的计算机系统来进行建模和模拟。”

病人的成像是用CT或MRI进行的，然后进行分割。根据成像的动态特性，器官的特定区域被赋予独特的技术特性。然后创建一个3D模型。同样基于图像，病人特定的心肌纤维方向在模型内生成，以匹配病人的真实心脏。在Cartoski的演讲中，使用了增强心脏磁共振检查的例子，其中心脏的解剖结构被分割并创建了一个3D模型。然后计算机模型根据磁共振成像中看到的方向应用心肌纤维。与病人心脏中的纤维方式相匹配，使模型具有与真实心脏相同的生物力学和电传导。然后创建的模型被用来模拟心脏的快速起搏和诱发室性心动过速，以进行风险分级。

超声心动图在创建虚拟器官中的潜在作用

Cartoski表示，超声心动图可能能够使这项技术得到更广泛的使用，因为它比心脏CT和MRI更便宜，潜在的侵入性更小，更容易获得。三维超声的使用可以作为分割所需的容积数据。心肌应变超声可以帮助识别心肌功能的区域变化，帮助定义模型内的区域联合要素。超声波还可以提供多普勒速度，以了解心脏内血流的方向和速度，另外还可以提供解剖学的数据。心肌应变成像可用于指定特定模型内的区域属性，形成区域纤维化或瘢痕、铁超载、心肌病或心力衰竭。

Cartoski解释：“一个具体的实例是3D超声来创建心室或瓣膜结构。与二维超声心动图中的平面瓣膜运动相比，它可以对完整的瓣膜形态进行卓越的定义。在评估心室收缩功能方面，它也被证明与核磁共振有关联。”这类成像的例子来自几项研究，用于模拟病人的二尖瓣和三尖瓣。意大利罗马Sapienza大学的一个研究小组利用一个后腱索断裂和严重二尖瓣反流患者的三维超声心动图数据构建了一个虚拟的二尖瓣模型[1]。利用这个虚拟模型，切除了后叶脱垂的部分小叶，并进行了虚拟折叠和缝合。重建适当大小的瓣环，通过叠加瓣环和二尖瓣环进行虚拟瓣环成形术。然后对修改后的患者专用模型进行测试，以了解其对瓣膜运动和生理性跨瓣压力梯度的影响。作者表示，这种针对患者的虚拟瓣膜修复模拟显示出巨大的潜力，有助于术前选择针对患者的最佳修复技术，并允许创新的手术规划。

另一个研究小组利用计算流体力学来加强由三维超声心动图创建的模型[2]。中国上海儿童医学中心的一个研究小组利用超声心动图和Ansys-Fluent软件来创建这些模型。研究人员表示矢量流图（VFM）和超声粒子成像测速（EPIV）都是以心脏超声图像为基础的，可以直观地看到左心室的流动情况。这些由日立公司、通用电气医疗集团和其他公司开发的技术在图像中跟踪特定的血细胞，以追踪它们的路径和流动模式，并清楚地显示出流动涡流等特征。然而，研究人员还说，由于目前超声技术的局限性，这些成像技术本质上具有较低的时间和空间分辨率。出于这个原因，他们应用计算流体力学（CFD）可以研究血管内以及心室和心房内的血流动力学。由于没有几何学假设的限制，CFD可以分析任何有解剖学异常的心脏的血液模式。据他们所知，这是首次利用CFD对单一右心室的室内流动进行研究。这项研究尤其旨在分析单右心室（SRV）的先天性心脏病患者在舒张期的涡流，为医生提供详细的信息，以便尽快给患者提供及时的干预。

使用“数字孪生”解剖学模型的障碍

Cartoski表示，在这种针对病人的数字建模变得普遍之前，需要对这些模型的创建和运作方式进行标准化。例如有各种各样的网状模型生成技术。此外，目前创建这些模型需要几天到几个月的时间，这对实时病人护理来说是不现实的。所涉及的时间，以及由此产生的成本，将需要在这种技术可行和广泛使用之前大幅下降。最后，需要进行临床验证，以证明该模型是有效的，并且是对实际病人解剖结构的准确表述。

References:

[1] Rim Y. Choi A, Mcpherson D., et al Personalized Computational Modeling of Mitral Valve Prolapse: virtual Leaflet Resection. Plos One. 2015 Jun 23;10(6). 

[2] Chen L, Tong Z, Wang Q. Feasibility of Computational Fliud Dynamics for Evaluating Hemodynamics in Single Right Ventricle based on Echocardiographic Images. BioMed Research Intl. 2018: 1042038.Published online 2018 Jan 16. doi: 10.1155/2018/1042038.

本期策划：沈雳

责任编辑：陈宝麟

本文作者：尹安远

后期制作：凌武娟