概述
二尖瓣反流（MR）影响着全球超过 2400 万人，是发病和死亡的主要原因之一。若不及时治疗，可能会进展为心房颤动、肺动脉高压，最终导致心力衰竭。经导管二尖瓣置换术（TMVR）因二尖瓣解剖结构的复杂性和高度变异性而面临独特挑战。为确保手术成功，TMVR 器械必须实现安全锚定、有效封堵和左心室流出通畅。然而，目前的临床前设计范式因对人群水平的二尖瓣解剖变异性认识不足而受到阻碍。
统计形状模型（SSM）为量化解剖结构变异性和构建具有代表性的 3D 解剖虚拟患者队列提供了一个稳健的框架，可作为生物力学计算机模拟临床试验的基础。本研究利用 72 例成人的前瞻性心电门控对比增强冠状动脉 CT 血管成像（CCTA）扫描数据开发了一个二尖瓣的统计形状模型，主成分分析揭示了形状变异的主要模式，与文献中已报道的解剖模式一致，验证了模型的生理相关性。SSM 能够有效捕捉二尖瓣的几何多样性，无需对标志点或线性测量的重要性做出任何预设，结果证明了 SSM 由现有扫描数据生成虚拟患者群体的实用性。这些发现支持将 SSM 整合到用于临床前测试、器械设计和个性化医疗的建模流程中。
图像处理
选取 orCaScore 数据集中 72 名成人（男女数量相等）的 CCTA 扫描数据，采用心电图触发将扫描采集同步到舒张静止期，具体为 R–R 间期的 70%（GE、西门子）、75%（东芝）或 78%（飞利浦）。值得注意的是，本统计形状模型仅反映受试者之间的解剖变异性，并不包含周期内（时间）变形。所有患者均无解剖异常、冠状动脉内支架和金属植入物，且扫描图像无严重运动伪影和高噪声水平。
使用 Simpleware 软件的心脏自动分割工具 AS Cardio 对原始 CCTA 数据进行处理，一键点击获得主要的心脏腔室。然后应用软件中的自定义后处理脚本从中分割出二尖瓣环、前叶、后叶。所有分割结果均经过人工审查，并使用 Simpleware 软件的区域生长和网格编辑工具对微小缺陷如孔洞、分割噪声或边缘伪影进行校正。
统计形状建模
为限制扫描采集中旋转和平移变化的影响，在每个分割上手动放置四个解剖标志点应用配准算法。沿二尖瓣环的前后轴定义两个标志点：（1）二尖瓣前叶（A2 扇叶）中点之上的瓣环最上点（2）二尖瓣后叶（P2 扇叶）中点之上的瓣环最上点。其余两个标志点为与前内侧连合（A1–P1 交界处）和后外侧连合（A3–P3 交界处）对应的瓣环铰链点。将这些标志点用作最佳拟合刚性变换的点，通过迭代最小化对应点之间的距离对齐两个表面，有效消除平移和旋转差异的同时保留比例和几何形状。对对齐后的分割结果进行主成分分析（PCA），形状变异性被评估为相对于参考几何形状的顶点几何变化。
为表征样本群体中的解剖变异性，评估二尖瓣的关键几何尺寸作为沿形状模式变化的函数。测量二尖瓣前叶（AML）长度、二尖瓣后叶（PML）长度、瓣环前后径（A–P）、连合间距离（IC）和瓣膜高度（二尖瓣前叶最上点与前内侧和后外侧连合所确定平面之间的垂直距离）。使用 Simpleware 软件的测量工具和 SSM 工具包将测量值从参考模型自动映射到每个输入模型。为便于自动测量映射，从参考图像中提取代表上述测量的 3D 点，并将其约束在由二值掩膜定义的特定解剖区域内。使用等效掩膜在第二个目标图像中识别出相同的解剖区域。
采用三种互补指标评估模型。（1）代理特异性（即重建保真度），使用主成分（PCs）重建每个输入形状并计算重建几何与原始几何之间的 DICE 相似系数。将所有 72 个重建输入的平均 DICE 分数用作整个 SSM 的代理特异性指标。（2）泛化能力，采用留一法进行评估。每个排除的形状由剩余样本构建的 SSM 重建，将重建误差量化为对应点之间的均方根欧氏距离（RMSE）。（3）稳定性，采用马氏距离进行评估。针对一系列候选模型维度（70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20 PCs），将所有输入形状重新生成到相应的截断主成分空间中。对于每种配置，在 PC 空间中计算每个形状相对于模型均值的马氏距离，并记录超过 95% 马氏阈值的重建输入数量。
结果与讨论
采用主成分分析（PCA）表征二尖瓣形态几何变异的主导模式。前四个主成分累计解释了总方差的 84.12%，前十二个主成分占 90% 以上。其中 PC1（模式 0） 占 51.36%、PC2（模式 1） 占 14.18%、PC3（模式 2） 占 8.95%，前三个主成分捕捉到了数据集中大部分的形状变异。
为解释主成分的解剖学意义，沿前三个主成分各自以 ±2 个标准差重建代表性的二尖瓣几何形态。将 5 个测量值自动映射到所有训练形状上，并回归到相应的主成分得分上。所得系数被归一化到 -1 至 +1 的范围用于可视化，表示每项测量值在每个模式上的相对载荷，即表明对沿主成分变异的贡献程度。
PC1（模式 0）主要反映整体瓣膜大小，最强贡献来自 IC 距离和瓣膜高度。PC2（模式 1）同时影响多个几何特征，最强关联是 AML 长度和瓣膜高度，与重建几何形态中观察到的组合形状变异一致。PC3（模式 2） 与 IC 距离的相关性最强，此外 AP 距离和 PML 长度也有额外贡献，这对应于瓣口内外侧位置的变化和瓣叶长度的平衡。这三个模式捕捉到了队列中观察到二尖瓣形状变异的主导轴，PC1 描述瓣膜和瓣叶的均匀缩放，PC2 反映瓣环形状和瓣叶尺寸的综合变化，而 PC3 代表连合宽度和沿前后径方向的瓣叶几何形态变异。
PC1、PC2、PC4 和 PC5 反映后叶长度与后瓣环三维轮廓的协同变化，PC3 与 IC 距离和曲率的减小相关。这些模式说明了瓣环和瓣下几何形态的正常变异如何能够在生理学相关的形状范围内支持稳健的瓣叶对合。
AML 长度范围是 23.5 ~ 36.8 mm，PML 长度范围 13.2 ~ 25.3 mm，反映出瓣叶形态的显著个体间差异。瓣膜高度范围 10.6 ~ 19.2 mm，IC 距离 27.9 ~ 38.1 mm，AP 距离 31.7 ~ 44.6 mm。这些解剖差异构成了通过 PCA 探索形状变异的基础。
61 个重建形状的 DICE 相似系数达到 70% 以上，平均 DICE 为 76.71% ± 13.28%。这些差异并非源于分割错误或解剖异常，表明模型在完全重建某些形状能力上的局限性。这反映了基于 PCA 的统计形状模型的一个已知局限：尽管可以有效捕捉主要变异模式，但它假设线性和高斯分布的形状变异。因此，复杂或非线性的解剖特征可能未被充分表征，尤其是当重建位于形状空间边界附近的形状时。采用留一法评估模型的泛化能力，平均重建误差为 0.969 mm，表明该模型总体上能够以良好的保真度表征未见过的解剖结构。
总结
本研究基于 72 例成人的 CCTA 数据开发了一个二尖瓣统计形状模型，通过使用半自动分割流程和完整的 3D 表面分析获得详细的二尖瓣环和瓣叶形态变异图，为介入器械研发、术前规划和虚拟患者生成提供了价值的见解。
参考
Mehari Abraha H, Goddard C, Bryan R, et al. Morphological Variation in the Human Mitral Valve Using Statistical Shape Modelling[J]. Annals of Biomedical Engineering, 2026: 1-12.