震锋笔记 | 未来的心导管室——先进的成像技术、人工智能和机器人

2021
09/28

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CCI心血管医生创新俱乐部
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EuroIntervention近期发文,对成像、人工智能、机器人、如何减少X射线暴露等技术在心导管室,尤其是冠脉介入领域的运用做了详细的综述和展望,给我们描绘了一个未来心导管室的模样。


这篇综述主要关注了基于影像的冠状动脉介入治疗的进展,包括以X射线与可视化显示新工具相结合的三维和四维成像技术;基于造影的冠状动脉狭窄生理意义的探索和实践;减少术者和患者的x射线暴露的各种努力,包括机器人可以让医生远离电离辐射,在不影响安全性的情况下实现支架植入。我们来看一看其中一部分技术。


1

先进的成像和虚拟现实技术 


 

图1. 当前术前、术中和术后的成像和生理学诊断方法。术前通过多模态3D成像,可以更好地理解和规划手术。血管造影图像与CT数据的融合增强了对TAVR (A) 等手术的3D概念。在术中,各种腔内技术可以与血管造影相结合。动态冠脉路图能辅助术中进行导航 (B)。术后根据不同的成像方式进行评估,也可以结合或不结合血流储备。图C的SPECT CTA融合应用的病例。利用人工智能可以在后台访问所有这些数据,能协助医生计划和执行最佳的手术方案。


1. 支架增强技术 


X射线透视下支架的能见度不佳,目前已经有用于支架增强的数字图像处理技术,可用来评估支架钢梁是否损伤、支架重叠、支架失败、主动脉开口和分叉病变。


2. 冠脉动态路图 


因为心脏跳动的关系,外周的静态路图无法用于冠脉,血管的运动阻止了静态路线图的覆盖,因此导丝通过、球囊和支架植入都需要追加造影来完成。飞利浦公司最近研发了冠脉动态路图技术,实现了冠状动脉树在PCI术中透视图像的实时动态叠加(图1 B)。与传统方法相比,能减少30%的透视时间和20%的造影剂剂量。


除了标准的冠状动脉造影,在过去的20年里,心导管室还引入了血管内超声 (IVUS) 和光学相干断层扫描 (OCT)。在此基础上,用计算机进行3D处理、构建计算机模型,并能对不同的成像方式进行合并。这些模型可进行额外的生物力学流体计算和分析,测量冠状动脉的剪切应力分布,预测特定节段的斑块进展或破裂的风险。 


 

图2. 在心导管室中使用人工智能 (AI) 和数据挖掘。通过AI集成X射线和腔内成像数据、ECG、实验室检查以及电子健康记录进行分析。


2

人工智能


人工智能将显著提高预测的准确性和治疗决策,介入心脏病学中与人工智能相关的发展数量正在激增,预计很快就会呈指数级增长,例如使用人工智能通过冠脉造影自动检测冠脉血流储备分数(QFR等)。


1. 计算机视觉


冠脉造影图像与IVUS、OCT和生理学计算的融合已得到广泛应用,通过从这些工具获得的数据叠加在血管造影上,可实现全斑块覆盖,同时避免对弥漫性疾病的非关键病变进行不必要的治疗。


飞利浦的VesselNavigator系统将CT和MRI图像快速融合到透视图像中去,能够实现感兴趣结构的三维重建(图1 A中的TAVI),为结构心脏病的经导管手术提供指导。


更逼真的3D/4D渲染和可视化就是全息。在患者进入导管室前,基于先前的CT或MRI进行重建。实现这一目标的最佳途径是生成实时虚拟和混合现实可视化,微软的HoloLens™ 设备目前可以做到了(图3)。这就是 “计算机视觉”,该技术需要同时使用多个信息源,人脑是不可能实现的。


 

图3. HoloLens混合现实显示技术用于二尖瓣球囊扩张的介入手术。心超获得的数据重建成一个半透明的全息立方体,介入与心超医生可以同享该全息图像。


2. 人眼跟踪技术


该技术模仿了人类视觉系统中-- 最详细的图像在视野中心,而视野外围细节较少的的组织和功能,将X射线聚焦到人眼最感兴趣的区域。利用半透明滤镜将X射线聚焦在术者眼睛聚焦的图像区域,不聚焦的外围区域投入较少的射线。在猪模型的测试中发现,术者大约可减少了75%辐射 。


3

机器人


1977年Andreas Gruentzig首次进行了冠状动脉球囊成形术,四十年后,PCI的操作方式仍然没变,术者在严酷的X射线环境中站在患者的旁边,佩戴铅围裙和附加配件,身前放置屏蔽装置。


冠状动脉机器人技术的发展是为了保护操作者并提高手术精准度。比如磁场导航冠状动脉导丝,成功率为93%,但球囊扩张和植入支架必须人工手动。Beyar等提出了全机器人PCI的概念,通过远程导航系统,使用操纵杆遥控床边装置来操作导丝、球囊和支架,如果出现并发症或系统故障则改为人工操作。远程导航系统可提供导丝和球囊1mm的步进,用于更精确的病变长度测量和支架植入。


在该系统的基础上,开发出CorPath 200™系统 。在164例患者中进行的一项关键研究中显示技术成功率达98.8% ,减少了术者辐射暴露95.2% 。2012年,FDA基于这项研究批准了该系统上市。


2016年FDA批准了CorPath®GRX系统,第二代系统在设计上对导丝、装置和指引导管进行三重控制。还报告了机器人PCI在无保护左主干病变中的可行性,包括使用Impella等需要循环支持系统的高风险PCI。该系统还允许使用相控阵IVUS、激光等其他设备。机器人治疗慢性完全闭塞的经验也有了报道。


当前的CorPath GRX系统中还包含了一个特殊的 “回撤和旋转” 功能,非常适合边支导丝,还还模拟旋转和摆动等技术。


还能通过远程控制机器人PCI系统进行介入手术。最初梅奥诊所在猪模型中使用本地通信进行了测试,获得了圆满的结果。还测试了长达1000毫秒(1秒)的延迟效应,发现<250ms是觉察不到的。第一批人体远程PCI病例由印度Patel博士完成,通过普通的有线连接对35公里以外的5名患者实施了PCI手术。相信随着5G的普及,将打开这种远程操作技术一系列可能性。


 

图4. 机器人PCI系统的演变和概念。(A) 一开始的远程导航系统操纵导丝和器械是由控制台由操纵杆 (B) 控制的,(C)现在的CorPath GRX控制站位于导管室的屏蔽驾驶舱内,操作员控制导丝、器械和指引导管 ,(D) 印度的Patel博士进行的第一次远程导管手术。控制站距离导管室35公里。


总结


未来心导管室最终的目标是实现多种成像方式、人工智能、在线临床决策支持系统、语音虚拟助理、增强现实平台的集成和半自动/自动的机器人系统。你在科幻大片里看到的场景都会实现!



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关键词:
人工智能,心导管室,导管室,机器人,X射线,球囊,冠脉

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