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

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。

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。

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 。

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！