利用自由式三维超声无创监测动静脉瘘

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概述

终末期肾病(ESRD)患者需要通过动静脉瘘(AVF)接受血液透析,血液透析患者的发病率和死亡率都很高,30% 的患者在第一年内要手术干预 AVF。功能良好的 AVF 始终要具有适合透析的高血流量,新内膜增生引起通路狭窄可能会导致血管通路(VA)失功。磁共振血管造影(MRA)、计算机断层扫描血管造影(CTA)和血管造影最常用于血管网络的 3D 成像,但依赖于熟练的操作员、昂贵的设备和静脉造影剂的使用,造影剂也可能会给 ESRD 患者带来副作用。

因此超声成为一个可行的选项,通过获取 B 模式切片并为它们分配全局位置和方向,空间对齐即可创建三维体积模型。这种 3D 自由式超声已应用于神经导航、乳腺癌放疗计划、脊柱成像及前列腺活检等。本项目开发了一种便携式 3D 自由式超声系统,可在临床环境中扫描患者的 AVF,重建和分析同一患者不同时间的脉管系统。本方法适用于需要在医院进行多次透析治疗的 ESRD 患者,监测高风险的血管通路失功。

亮点

  • 使用自由式超声对动静脉瘘进行无创3D成像
  • 在 Simpleware 软件中重建和分析三维模型
  • 为 ESRD 患者提供监测血管通路失功的有效方法

图像获取

自由式 3D 超声系统由超声仪和线性超声波换能器(Mindray, L14-6NS, 14MHz, 38mm FOV)组成,换能器通过红外 3D 摄像机跟踪。在工作站笔记本电脑上运行 MATLAB 中的自编软件,启用图像用户界面实现扫描的可视化和质量反馈。为了进行必要的 3D 转换,需要校准确定追踪标记点到超声帧的空间和角度偏移,这些值的初始测量通过每个平面旋转运动的误差最小化得到了改善。大多数 AVF 患者每周至少要去医院进行 3 次透析治疗,本项目设计的扫描过程仅需要患者 5-10 分钟的时间,非超声医师也能够操作。

图1:自由式三维超声系统

图像处理

将处理后的切片图像堆栈导入 Simpleware ScanIP 软件,使用中值滤波去除噪声,通过基于像素强度的阈值分割技术获得脉管系统。在高密度的堆栈中,可以采用间隔地涂画切片并利用插值重建或者重采样的方法缩短分割时间。应用 Recursive Gaussian 平滑后,以 1mm 的间隔生成中心线并计算横截面积,然后导出 STL 格式的面网格模型。

图2:通过阈值工具确定感兴趣区域像素强度范围和利用插值工具重建三维模型

结果

一名 72 岁的患者在左臂手腕处进行了桡动脉-头静脉动静脉瘘手术,五个月后监测到静脉段变窄。然后通过植入支架手术治疗变窄,防止 AVF 失功。在手术前后通过自由式超声系统进行检查,重建3D几何结构。

图3:术中拍摄的 2D 血管造影图像和通过自由式 3D 超声系统获得三个不同视图下的重建结构

分别在术后一周和两个月做进一步的监测扫描,重建血管并 3D 打印模型。打印设备为 3D Systems 的 ProJet HD3500,分辨率是 16µm。按照实际尺寸打印的模型可以进行更仔细的检查和比较,有助于(1)外科医生加强诊断和手术预规划(2)护士加强透析穿刺(3)对患者进行透析治疗教育。

图4:3D打印血管结构:术前(上)、术后(中)、术后两个月(下)

仅通过可视化技术很难量化纵向变化,因此以吻合处的几何形状作为参考点,比较动脉和静脉中横截面积的变化。

图5:比较术前、术后和术后两个月 AVF 的横截面积。参考横截面在距静脉和动脉吻合口 1mm 处取样。左图显示图像中感兴趣的点(A 到 H),右图为量化的数据图表。

患者的静脉严重狭窄约 85%,通过支架植入术治疗,其中 B 到 D 的直径增加约 400%。A 处的扩张段术后保留在相近位置 F,但直径有所增加。在两个月后的随访中,位置 G 处的血管扩张缩小,但在距吻合口 75mm 远的 H 点出现了另一个扩张段。而且在距距吻合口 120 mm 处的地方直径也有大幅增长(270%)。

另外还检查了供血动脉的纵向变化,术后和两个月的后续监测扫描显示近端动脉略微变窄。可以观察到脉管系统由于体内平衡而动态变化着,因此也反映在横截面积的变化中。

结论

AVF 脉管系统复杂且动态变化,采用这种无创超声成像重建 3D 几何结构对于 ESRD 患者具有重要的意义。该工作流可以协助远程复查偏远地区患者的情况,节省医疗资源。引入的 3D 打印技术有助于术前、术中的决策和规划,以及进行患者教育和帮助培训护士的插管技术。通过中心线和横截面积对 AVF 进行定量评估,计算狭窄的长度、大小、近端和远端的血管直径,医生可以为患者规划最佳的手术方案。此外,基于患者的特定结构,施加边界条件通过多物理场模拟进行血液动力学和结构的分析,将会为血流如何驱动重塑过程提供新的见解

参考

  • Colley E, Carroll J, Thomas S, et al. A methodology for non-invasive 3-d surveillance of arteriovenous fistulae using freehand ultrasound[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2017, 65(8): 1885-1891.
 
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