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用于手术计划的个性化心脏模型

麻省理工学院和波士顿儿童医院的研究人员开发了一种系统,可以对患者的心脏进行MRI扫描,并在几个小时内将其转换为外科医生可用于计划手术的有形物理模型。

这些模型可以为外科医生提供更直观的方式来评估和准备个体患者的解剖学特征。“我们的合作者确信这将有所作为,”负责该项目的麻省理工学院电气工程和计算机科学教授Polina Golland说。“我听到的一句话是'外科医生用手看到',这种感觉是触手可及的。”

今年秋天,波士顿儿童医院的七位心脏外科医生将参加一项旨在评估模型有用性的研究。

Golland和她的同事将在10月份的医学图像计算和计算机辅助干预国际会议上描述他们的新系统。麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生Danielle Pace是该论文的第一作者,并率先开发了分析MRI扫描的软件。波士顿儿童医院的物理学家Mehdi Moghari开发了新的程序,将MRI扫描的精确度提高了十倍,医院的心脏病专家Andrew Powell领导了该项目的临床工作。

这项工作由波士顿儿童医院和哈佛催化剂公司资助,哈佛催化剂是一个旨在迅速将科学创新转移到诊所的联盟。

MRI数据由三维物体的一系列横截面组成。像黑白照片一样,每个横截面具有暗和光的区域,并且这些区域之间的边界可以指示解剖结构的边缘。然后,他们可能不会。

确定图像中不同对象之间的边界是计算机视觉中的核心问题之一,称为“图像分割”。但是通用图像分割算法不够可靠,无法生成手术计划所需的非常精确的模型。

人为因素

通常,使图像分割算法更精确的方法是使用要分割的对象的通用模型来增强它。例如,人的心脏具有腔室和血管,它们通常在彼此大致相同的位置。解剖学上的一致性可以为分割算法提供一种方法来消除关于对象边界的不可能的结论。

这种方法的问题在于波士顿儿童医院的许多心脏病患者需要进行手术,因为他们心脏的解剖结构是不规则的。来自通用模型的推论可能会模糊对外科医生最重要的特征。

过去,研究人员通过手动指示MRI扫描中的边界来生成心脏的可打印模型。但是,如果在Moghari的一次高精度扫描中有200个左右的横截面,那么这个过程可能需要8到10个小时。

“他们希望带孩子们进行扫描,并花一两天的时间来计划他们将如何运作,”Golland说。“如果只需要另一天来处理图像,就会变得笨拙。”

Pace和Golland的解决方案是让人类专家确定一些横截面中的边界,并允许算法从那里接管。当他们要求专家仅划分每个横截面的总面积的第九个小补丁时,他们取得了最强劲的结果。

在这种情况下,仅分割14个补丁并让算法推断其余部分,与整个200个横截面的集合的专家分段产生90%的一致性。仅仅三个补丁的人工细分产生了80%的协议。

“我认为,如果有人告诉我,我可以从200片中的8片中分割整个心脏,我就不会相信它们,”Golland说。“这对我们来说是一个惊喜。”

总之,样本补丁的人工分割和数字三维心脏模型的算法生成大约需要一个小时。3D打印过程需要几个小时。

预测

目前,该算法检查未分段横截面的补丁并在最近的分段横截面中查找类似特征。但Golland认为,如果它还检查了横跨几个横截面倾斜的补丁,它的性能可能会提高。算法的这种和其他变化是正在进行的研究的主题。

秋季的临床研究将涉及10名已经在波士顿儿童医院接受治疗的患者的MRI。七位外科医生中的每一位都将获得所有10名患者的数据 - 有些可能不止一次。该数据将包括原始MRI扫描,并且在随机的基础上,包括物理模型或计算机化的3-D模型,再次随机地基于人类分割或算法分割。

使用该数据,外科医生将制定手术计划,并将其与每位患者的干预记录进行比较。希望这项研究能够揭示3D打印的物理模型是否能真正改善手术效果。

“当然,三维模型确实会有所帮助,”波士顿儿童医院的心脏外科医生Sitaram Emani说,他不是新论文的共同作者。“我们在一些患者中使用过这种类型的模型,实际上在心脏上进行'虚拟手术'来模拟真实情况。这样做真的有助于真正的手术减少检查心脏和进行修复所花费的时间。“

“我认为通过允许我们模拟和规划要使用的贴片的大小和形状,这样做还可以减少残留病灶的发生率 - 修复的不完美性,”Emani补充道。“最终,基于该模型的3D打印贴片将允许我们为患者量身定制假体。”

“最后,这极大地简化了与家庭的讨论,他们发现解剖结构令人困惑,”Emani说。“这为他们提供了更好的视觉效果,许多患者和家属评论了如何让他们更好地了解自己的病情。

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