麻省理工学院与波士顿儿童医院的研究人员开发出一套系统，能够获取患者心脏的MRI扫描数据，并在数小时之内将其转化为可供外科医生用于规划手术的实体模型。
这些模型可以为外科医生提供一种更直观的方式，用以评估并准备针对每位患者独特解剖结构特点的手术。“我们的合作者确信，这将带来改变，”麻省理工学院电气工程与计算机科学教授、该项目负责人宝琳娜·戈兰德（Polina Golland）表示。“我听到的一种说法是，‘外科医生用手看’，即感知存在于触觉之中。”
今年秋季，波士顿儿童医院的七名心脏外科医生将参与一项旨在评估这些模型实用性的研究。
戈兰德及其同事将于十月在医学图像计算与计算机辅助干预国际会议（International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention）上介绍他们的新系统。丹妮尔·帕斯（Danielle Pace）是麻省理工学院电气工程与计算机科学专业的研究生，也是该论文的第一作者，并牵头开发了分析MRI扫描数据的软件。梅赫迪·莫格哈里（Mehdi Moghari）是波士顿儿童医院的物理学家，他开发了新的操作流程，使MRI扫描精度提高了十倍；安德鲁·鲍威尔（Andrew Powell）是该院心脏病专家，负责该项目的临床工作。
这项工作由波士顿儿童医院和Harvard Catalyst共同资助。Harvard Catalyst是一个旨在加快科学创新向临床转化的联盟。
MRI数据由一系列三维物体的横截面构成。与黑白照片类似，每个横截面都包含明暗区域，而区域之间的边界可能指示解剖结构的边缘。然而，它们也可能并非如此。
在图像中确定不同对象之间的边界，是计算机视觉的核心问题之一，被称为“图像分割”。但通用的图像分割算法不够可靠，无法生成手术规划所需的高精度模型。
人的因素
通常，提高图像分割算法精度的方法是为待分割对象引入一个通用模型。例如，人类心脏的心室和血管通常彼此处于大致相同的位置。这种解剖学上的一致性可以让分割算法排除关于对象边界的不可能结论。
这种方法的问题在于，波士顿儿童医院的许多心脏病患者正是因为心脏解剖结构不规则才需要接受手术。基于通用模型的推断可能会掩盖对外科医生最为关键的那些特征。
过去，研究人员通过手动标示MRI扫描中的边界，制作出可打印的心脏模型。但莫格哈里的高精度扫描中约有200个横截面，这一过程可能需要八至十小时。
“他们希望把孩子们带来扫描，然后可能花一两天时间规划具体的手术方案，”戈兰德说。“如果光是处理图像又要花一天，那就太难以操作了。”
帕斯和戈兰德的解决方案是，请人类专家在少数几个横截面上标示边界，然后让算法接手后续工作。他们最好的结果来自于让专家只分割每个横截面的一小块区域，即总面积的九分之一。
在这种情况下，仅分割14个区域并让算法推断其余部分，所得结果与专家对全部200个横截面的分割结果达到90%的一致性。仅由人工分割三个区域时，一致性为80%。
“我想，如果有人告诉我，只需从200张切片中分割其中8张就能分割整个心脏，我是不会相信的，”戈兰德说。“这对我们来说也是个意外。”
总体而言，人工分割样本区域加上算法生成数字化三维心脏模型，大约需要一小时。三维打印过程还需要再多两个小时左右。
前景展望
目前，算法会检查未分割横截面的区域，并在最近的已分割横截面中寻找相似特征。但戈兰德认为，如果算法还能检查斜向穿过多个横截面的区域，其表现可能会得到改善。该算法的此类变体及其他改进方案仍是正在进行的研究课题。
今年秋季的临床研究将使用波士顿儿童医院已接受治疗的10名患者的MRI数据。七名外科医生每人都将获得全部10名患者的数据，其中一些患者的数据可能会被多次提供。数据将包括原始MRI扫描结果，以及随机分配的实体模型或计算机三维模型之一；这些模型同样随机地基于人工分割或算法分割生成。
外科医生将利用这些数据制定手术方案，并将其与每位患者实际所施行干预措施的记录进行比较。研究希望能够阐明，三维打印的实体模型是否真的能够切实改善手术效果。
“当然，三维模型确实会有所帮助，”波士顿儿童医院心脏外科医生西塔拉姆·埃马尼（Sitaram Emani）表示，他并非该新论文的合著者。“我们已在少数患者身上使用过这类模型，事实上还对心脏进行了“虚拟手术”，以模拟真实情况。这确实有助于真实手术，减少了检查心脏和进行修复所花费的时间。”
“我认为，拥有这一技术还将降低残余病变的发生率，即修复中的缺陷，因为我们能够借此模拟并规划所用补片的尺寸和形状，”埃马尼补充道。“最终，基于该模型打印的三维补片将使我们能够为患者量身定制假体。”
“最后，这一技术极大地简化了与家属的沟通，因为家属往往难以理解心脏解剖结构，”埃马尼表示。“它为家属提供了更直观的视觉呈现，许多患者和家属都表示，这使他们能够更好地了解自身病情。”
本文由 Massachusetts Institute of Technology News合作发布。发布不代表世界经济论坛认同其观点。
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作者：拉里·哈迪斯蒂（Larry Hardesty）是MIT News的计算机科学与技术撰稿人。
图片：Asklepios Hospital Hamburg-Barmbek普通与内脏外科的外科医生。REUTERS/Fabian Bimmer.
