概述
心血管疾病（CVD）的患病率随着用于诊断和治疗的新医学成像技术发展而上升。计算体模在成像研究中起着关键作用，支持从基础仿真研究到更大规模虚拟成像试验（VITs）的应用。通常，体模与成像模拟器（即模拟真实扫描仪物理和几何特性的算法）配对使用以生成模拟成像数据。该框架能够在已知真实参考的情况下进行受控实验，从而促进系统设计、协议优化、算法开发和图像判读研究。
本研究开发了一组详细、解剖结构可变的 4D 跳动心脏模型群体，用于医学成像研究。与参考值相比，基于图像的心脏模型能够模拟解剖结构可变受试者心脏的扭转、收缩运动。与 DukeSim 结合后，可生成逼真的虚拟心脏成像数据。
图像处理
心脏数据
本研究使用的心脏 CT 数据由 32 个 4D CT 数据集组成，包含 17 名男性和 15 名女性受试者。选用病例均为健康受试者，具有正常的心脏解剖结构和运动。每个数据集均为心电图门控，包含心动周期内 10 个较低分辨率帧和舒张中期的 1 个高分辨率帧。
图像分割
每位患者的 4D 数据均使用 Simpleware 软件中专为心脏 CT 数据设计基于 AI 的全自动分割工具 AS Cardio 进行图像分割。分割前，应用 1.0 × 1.0 × 1.0 像素的 Gaussian 平滑滤波器降低每组图像的噪声。将分割结果从软件中输出为二值图像，用于图像配准。高分辨率数据帧的心脏分割结构用于定义心脏的初始实例，输出为多边形网格表面，作为图像配准分析的变形模板。
运动计算
使用多通道大变形微分同胚度量映射（MC-LDDMM）图像配准算法从低分辨率帧分割结果计算心脏的帧间运动，将该运动应用于心脏模型，创建随时间变化的网格模型。MC-LDDMM 是一种非线性图像配准方法，估算图像间平滑、可逆（微分同胚）变换，在捕捉复杂变形的同时保持解剖拓扑。运动计算以 R70 帧为参考，该帧最接近高分辨率采集的 R75。MC-LDDMM 算法计算从 R70 帧到周期中所有其他帧的变形。
使用这些变换对每个患者的初始心脏模型进行变形。为评估这些变形的准确性，将变换后的 R70 表面与每个帧相应的目标分割进行比较。对于变换后表面上的每个顶点，计算其到相应目标表面上任意顶点的最小欧氏距离，用于定义每个初始心脏模型的高分辨率 R75 帧与用于运动计算的低分辨率 R70 帧略有不同。然而，两帧均出现在心动周期的舒张中期静止期，此时心脏运动最小。因此，通过分割表面上顶点到顶点的距离进行比较评估，这两帧心脏表面之间的空间差异很小，平均小于 0.5 mm。
拟合曲线
将变换应用于校正后的 R75 心脏模型，定义心动周期的每一帧，为每个病例生成随时间变化的心脏表面序列。通过将同一模板模型变形到每个时间帧，各表面顶点的 3D 位置具有时间对应关系。对网格每个顶点的 10 个位置变化拟合三次样条曲线，创建 4D 连续模型，可从中在心动周期内采样任意数量的时间点。
运动分析
表征每个心脏模型从舒张期到收缩期的运动，计算四个心腔的容积以及左心室（LV）收缩时的运动范围。LV 功能通常使用三个关键动态指标评估，即扭转幅度（°）、沿短轴的纵向收缩（mm）和径向收缩（%）。扭转幅度是 LV 从舒张期到收缩期运动时基底与心尖之间旋转的平均差值；纵向收缩是 LV 基底收缩时移动的距离；径向收缩是心脏在收缩期收缩时的平均周向缩小。
XCAT 体模
使用 Rhinoceros 建模软件将每个新的心脏模型放置在全身 XCAT 体模内，为新模型定义的心脏网格可以组合在一起，以原始 XCAT 心脏表面和血管为参照可通过平移、缩放和定向到背景解剖结构中，XCAT 的血管表面也可与新心脏模型的表面融合。创建脚本将定向网格输出为文本文件，根据新的位置重新拟合该模型的 4D 样条曲线。基于图像的心脏模型与 XCAT 体模的结合可用于模拟心脏成像数据。
成像模拟
为证明新心脏模型的实用性，将一名男性患者（身高 165 cm，体重 86 kg）的心脏模型置入男性 XCAT 体模（身高 176 cm，体重 76 kg）。使用 DukeSim CT 模拟器对该体模成像，设置为模拟 Siemens Flash 扫描仪，模拟 CT 成像使用碘对比剂，相当于 370 mgI/mL（冠状动脉的对比增强 CT 值约为 250 HU），图像使用供应商特定软件（ReconCT，Siemens）以 Br40 重建内核（0.25 mm3/体素）。
结果与分析
经一名具有心脏成像专业知识、经验丰富的医学物理师验证，Simpleware 软件的 AS Cardio 工具能够可靠地分割不同数据集中的心脏。
MC-LDDMM 算法成功计算了从心脏静止期（R70）到其余帧的变形，通过基于距离的表面比较评估，最大表面误差通常小于 3 个体素（1.2 mm）。
按照本研究方法创建的新心脏模型展示了 4D 模型所体现的解剖结构和变形的多样性，还显示出在舒张中期定义的高分辨率数据集中冠状动脉分割的改善。新模型的心腔容积与参考值范围一致，32 个数据集中仅 4 个超出参考范围。收缩动力学也表现出与临床参考范围相似的一致性。
对每个模型随时间变化的顶点拟合样条曲线，可生成心动周期内的任意数量帧。这些曲线定义了平滑的心脏运动，在任何帧中不同结构之间均不会发生相交。通过提供更真实的虚拟受试者，这些模型将有助于系统评估成像模态、方案和重建算法，从而促进心脏成像技术的改进。
将心脏模型放置入全身 XCAT 体模中，可提供大量患者解剖结构和运动，进行成像设备和技术的研究。本演示聚焦于 CT 成像，也可用于其他模态，如 SPECT/PET、MRI 和超声。
总结
本研究通过将自动分割与图像配准相结合的方法，成功创建了一系列解剖结构和运动可变的 4D 跳动心脏模型。这些心脏模型能够真实地捕捉心脏的扭转和收缩运动，为 4D 心脏成像研究提供了重要的工具。未来心脏模型库的扩展可通过将本研究中使用的相同分割和配准流程应用于新的临床 4D CT 数据集来实现。例如纳入额外解剖变异或特定心脏病理（肥厚型、扩张型或缺血性心肌病等）的数据集，增加心脏模型库的生理多样性，并进一步增强其模拟异常功能的实用性。
参考
- Malin E J, Ceritoglu C, Abadi E, et al. Library of realistic 4D digital beating heart models based on patient CT data[J]. Medical physics, 2025, 52(7): e17945.