先进的三维分析，客户端服务器系统，及云计

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综述

先进的三维分析，客户端/服务器系统，及云计算机-集成心血管成像数据至经导管主动脉瓣置换术的临床工作流程

Publishedat:September10,年第1卷第28期

SchoenhagenPaul1,ZimmermannMathis2,FalknerJuergen3

1ClevelandClinic,Cleveland,Ohio,USA

2SiemensHealthcare,Erlangen,Germany

3FraunhoferInstituteforIndustrialEngineeringIAO,Stuttgart,Germany

关键词：CT扫描成像经导管主动脉瓣植入主动脉狭窄云计算机

在工业化国家，老年人群退行性主动脉瓣狭窄非常普遍，且多有不良预后（1-3）。瓣膜置换手术是迄今文献记载的显著改善长期预后的疗法。然而，许多老年主动脉瓣狭窄患者手术风险较高，甚至由于多种合并症而不适合手术治疗（2）。对这些患者而言，经导管主动脉瓣置换（TAVR）可以作为手术治疗的替代疗法。临床注册与随机试验已经在高危和不易手术的患者人群中表现出良好的短期和中期效益（4-8）。然而，近期的效益分析的结果不完全（9-11）。

按照定义，经导管主动脉瓣置换术（TAVR）以缺乏手术视野的暴露和可视化为特征。经皮血管通路的血管为髂动脉和锁骨下动脉，需要大的导管插入波形阀门中（≤18-F，外径约为7mm）。由于频繁的出现渐进性外周动脉疾病（PAD），血管通路与血管并发症的显著性风险有关（12）。如果PAD不采用外周血管通路，可考虑的备选通路包括逆行动脉通路和前向经心尖路径（13-16）。支架瓣膜在主动脉环内通过球囊扩张或被动扩张被展开，并且需要在主动脉根部被坚定地固定而不损害周围的软组织。为避免出现包括术后主动脉关闭不全、器官栓塞及冠状动脉栓塞在内的并发症，临床医生将置换后的瓣膜大小与动脉环大小、相对于动脉环的支架/瓣膜的最优位置及血管的同轴性进行匹配是关键（17,18）。因此无论对于置换部位/路线还是置换区，置换前和置换中影像学检查是患者选择、置换前计划和置换中决策的关键。关键的显像方式是常规的血管造影术和超声心动图，用于置换前和置换中。此外，多层计算机断层扫描（CT）在TAVR中起着重要的作用（19）。

CT的一个重要特征是利用连续性三维获取数据的重建能力快速获取数据(图1-5)。典型的TAVRCT数据集包括动脉相采集的完整的主动脉数据，及在有限视野下8-10个心动周期主动脉根部重建的影像学检查结果。大型研究可有-个单一的DICOM显像结果，或者约2.5G的影像数据。对于弯曲的血管结构（例如髂动脉）和复杂的非圆形结构（例如椭圆形的环），三维重建和衍生的直径测量可精确地测量出最小和最大直径、周长和面积（20,21）。尽管二维和三维衍生的测量方法差异性很小，但是它们可能会对设备的选择和部署有影响（22,23）。由于其断层显像的特性和优异的软组织分辨率，CT数据集也可精确地评估瓣环周围的结构包括定性和定量的评估钙化（24-26）。

图1左室流出道（LVOT）及主动脉根部：采用了先进的3-D分析程序（syngoVIA，西门子医疗系统），对左室流出道和主动脉根部进行多维重建。左侧栏显示主动脉根部的正交MPR重建，图像平面聚焦于动脉环。图中显示了中心线可见的主动脉根部的容积重组技术（VRI）图像。右侧栏显示沿着与垂直于中心线的重建图像。测量结果被捕获并被保存为结果（图像下方）。

图2主动脉瓣环，特写镜头：此图显示了主动脉瓣环（右图）的特写图像。瓣环测量均在主动脉瓣叶的最低插入点进行。测量项目包括最小和最大直径，周长和面积。

图3左心室功能：采用先进的分析软件，可进行左心室腔和心肌分割。如果在心动周期的多个阶段进行，可以测量左室射血分数（LVED）。左侧象限显示图像重建为4室、2室和短轴视图。估算EF值。右侧象限显示在“靶心”视图中室壁运动的视觉汇总。

图4采用先进的3-D分析程序，可进行髂动脉的多维重建。该图像显示了3-DMPR在髂动脉水平的多维重建。图1-3显示右髂动脉的垂直的MPR重建，交叉点集中于右髂外动脉部分。图4为主动脉的VRI图像。图5和图6为沿着和垂直于中心线的重建图像。最终结果作为书签被保存在结果导航中（图7）。

图5此图显示了使用容积重组技术（VRI）重建的髂动脉。右图显示了血管造影视野下的钙化情况。

CT数据分析包括医生在数据交互过程中做出大量的人工改造，而不是简单地回顾已保存图像。这需要交互式的三维解释、先进的分析软件和用于分配和归档原始数据和修改数据的大量的IT支持。置换后影像数据的自动化案例准备将可能提高临床常规的疗效。步骤包括分割主动脉和划出中心线，或自动化测量主动脉瓣面和冠状窦口。这些计算产生更进一步的二进制体积数据，这可将原始影像数据扩大2.5个因子。

在TAVR的大背景下，CT图像采集和分析的过程已经逐步形成并且越来越标准化，这类似于已经被定义很好的临床终点的定义（27-29）。图像采集技术的细节超出了这个手稿的重点，但是在别处被描述（29-30）。简单地说，采集协议包括髂动脉在内的完整的主动脉成像。作为采集的一部分，主动脉根部的显像需要ECG同步以避免运动伪像。CT图像采集需要注射碘造影对比剂和辐射暴露（31-33）。在初步审查非心脏结构后，心血管分析主要集中于置换位置/路线和主动脉根部的部署区。并评估外周动脉旁路（髂动脉和腋动脉）的管腔大小、血管壁钙化和非钙化的动脉粥样硬化斑块及血管弯曲度(图4,5)。如果审查确定广泛的PAD使用范围有限，可考虑替代的血管通路。这包括评估降主动脉作为潜在的直接跨主动脉通路，及评估左心室心尖部作为潜在的前向经心尖途径（13-16）。由于TAVR支架/瓣膜替代物在有限的血管内径范围内可用，精确地测量大动脉环的大小很重要。具体来说，当瓣膜面位于主动脉瓣瓣叶的最低插入点，并且最小/最大直径、周长和面积已知时测量瓣环的大小(图1,2)。此外，评估冠状动脉口与瓣环的空间联系。最后，为了确保血管轴上瓣膜的最佳定位/取向，定义垂直于瓣膜平面的血管造影平面是很重要的（34,35）。尽管狭窄的程度（AVA）、瓣膜和左心室功能（LVEF）主要通过超声心动图被评估，以回顾性的方案获得的数据的多相重建（四维）可对CT进行有限的功能分析(图3)。瓣环和主动脉瓣平面成像的环形重建可分别识别出最大的环形直径和主动脉瓣开放面积。这些影像被用于测量面积（36,37）。

分析过程最好被组织成一个多步骤的工作流程，包括手工或半自动地分割主动脉根部，在中心线重建主动脉或髂动脉，和对心室及瓣膜功能进行四维的功能性分析。尽管采用标准的基本三维软件进行人工分析是可行的，但是这种方法耗时过多并且依赖于设备。逐渐地，半自动软件系统预先分析这些数据，为评估医生最后分析和文档/报告提供结构性模板（表1）。

在大多数临床中心，挑选适合TAVR的患者需要一个跨学科团队，这个团队包括心脏病专家、心胸外科医生和影像学专家/放射科专家。在患者进行临床预约之后，这一跨学科团队将会实施包括影像学检查在内的后续检测。影像学专家分析数据，编制一份包括已保存的关键影像学检查和表现状态的报告。介入科心脏病专家和外科医生审查积累的数据，为制定决策和程序的计划作准备。所有这些单个步骤并不需要同时同地进行，它们可医院的不同地点独立进行。因此，组织集中档案中的大量积累数据，将阅读软件模型进行个体化设置以便优化临床医生工作流程，这符合临床路径的要求。

如上所述，三维CT数据集在分析过程中需要复杂的、交互式的重建/改善（19）。几个重建技术是常用的。一个基本的心血管分析技术就是沿着和垂直于心室或血管结构的中心轴/中心线进行重建的。这些从数据集中分离出的薄切片的“双斜位”重建有助于精确地测量直径，特别是在非圆形结构例如椭圆形的主动脉环，这种三维衍生的直径测量方法可测量出最大和最小直径、周长和面积。这些横断面影像学检查可以通过调整血管轴某一选定点的平面而人工获得。目前作为专用工作站标准的一种先进方法是半自动识别管道轴线或中心线，随后沿着血管滑动形成双斜的垂直面并且在沿着管道的任何点可观察到横截面。另一种常用的技术方法是血管腔分割技术，例如左心室（LV）或主动脉根部腔的分割。这有助于对封闭空间的描述。附加的分析包括“四维数据”，即在心动周期的多个阶段重建的数据。多层次的影像循环的整合和显示有助于审查瓣膜和心室功能。如果左心室的分割是通过多阶段来进行的，那么包括左室射血分数自动评估的分析将成为可能。采用这些技术中的任何一种，在三维空间这些图像可沿着薄切片呈现出来（类似于超声心动图或血管造影术确定的平面）。另外，几种类型的空间重建技术的使用使得整个三维数据集更加注重于个体结构的着色显示。这些图像有助于简单的三维定位，对于结果的展示和介绍也是非常有用的。

通常情况下，一旦数据从CT扫描仪发送出来，先进的软件程序就会在这种背景下/在服务器水平开始半自动化分析。基于数学模型，这种分析将建立初步的表现状态，例如，血管中心线的识别或主动脉根部和心腔的分割。在这些初始数据和每一步附加的自动化置换后算法的基础上，系统支持一个循序渐进的，结构化的审查和数据分析，并形成二次图像和表现状态，在审核时由影像专家/医师报告。综上所述，在运用TAVR的情况下，这种方法包括主动脉根部、整个主动脉和髂动脉的测量。更高级的系统越来越自动化并提供更多的置换前和结构化的文档以及数据报告。

不断发展的大型影像数据文件在置换前计划和围手术期指导中发挥着核心作用。从这些多步骤的工作流程中组织数据是复杂的。理想状态下，是把各个部分的都集中到一个全面的图形数据文件中。存储时不仅需要保存原始获取的图像，也应该保存已有的图像，及可重建显像的表现状态和不同解释程序的措施。尽管先进的三维工作站可能完成这个任务，但是一般来说这些系统基本上只允许有限的数据传输。起初的系统基本上是独立的工作站，完全拷贝软件且与CT扫描仪直接交互。这些图像将被转移到这个本地工作站来进行数据处理、分析和初始存储。保存的单个图像将被发送到其他等效的工作站和/或中央档案库中（PACS），在那里它们将被添加到该归档的数据中。由于这些专用的三维工作站的高成本，医院的数量通常相对较低（需要大多数临床医师在“阅览室”审查图像）。

共享包括演示状态、调查结果和报告等复杂数据的需求给数据存储、后处理和共享带来了新挑战。医院系统它需要一个横跨多地点的复杂的基础设施/网络。通过客户端-服务器解决方案，单一的数据集中并在功能强大的中央服务器中进行修改，而本地工作站仅需使用接入点和命令。这些系统允许获得来自几个低成本的临床工作站的数据。一个重要方面就体现在不同的参与者在临床路径中对结果数据的保存与共享的特征上，包括基本的和高级的影像，表现状态，或置换后的数据对象（分割代表解剖结构的标志，不同时间点和不同方式的研究之间的注册矩阵）。

这个IT网络结构允许交互式结果共享，每个分析步骤将会在中央处理器上留有痕迹，并将数据添加到原来的数据集。这对于在包括TAVR在内的复杂场景是很重要的，因为分析过程通常是由多个研究者在不同的时间和地点完成的。例如，影像学专家/放射科医生进行初步审查后由介入科医生/外科医生来进行额外的分析。不断发展的核心数据集，包括在分析过程中补充的数据，可用于审查并在多位点使用。除了审查，分割标志物或可与其他方式融合，同时还可以在定向或导航（如主动脉根部成角和用于C臂定向的CT影像学检查）过程中使用。然而，三维分析技术客户端-服务器解决方案的存储和共享仍仅限于少数对先进软件有权限的用户。

机构范围的存储和共享有PACS系统的特征，其目的是便于获取所有的图像，但需要依靠较为基本的轴向审查和简单的额外的三维和四维分析工具。提供一套结合了先进的客户端-服务器分析系统功能与PACS特征的综合解决方案需要复杂的IT构架，该构架在中央归档系统、PACS系统、有不同复杂软件应用的集成客户端-医院系统使用的多个个人工作站之间进行双向沟通（38,39）（图6-10）。该系统需要融入不同医生的工作列表/工作流程中。这种集合将有助于实现先进的视觉效果的共享，但是要求其对于多维图像数据的呈现和后处理的存储和计算能力达到一个全新的水平。数据将被分配至更大的图像归档系统，有助于DICOM和非DICOM图像的长期归档，以及非成像数据加入到患者的特定文件中。核心存储便于获取医疗保健系统产生的所有数据，它可以在电子病历（EMR）或更高级的专用系统中实现以患者为中心的可视化。这个复杂任务的一个新解决方案是使用多服务器系统（“服务器场”），将大量服务器联合起来融入现存的工作流程。这些系统有着集成系统的主体，与“私人医疗级云服务”一致，是云计算的一种形式。

图6使用高级分析软件重建的图像可以被保存，并与PACS轴位图像一起显示。该图显示出使用三维的PACS观察到的动脉环和右髂动脉中心线的图像。

图7如果联合PACS和电子病历，那么报告和“关键图像”也可以在电子病历上显示。该图为报告页面（左）和髂动脉的图像（右）。

图8此图为自动填充测量表，被转移并显示到电子病历记录的表格中。

图9这副图概述了“私有云”的复杂结构。

图10这个复杂的网络结构被总结为这个简化的草图。数据中心和综合分析与存储系统有助于双向通信，从根本上建立了数据的“私有云”。

这些系统对图像软件架构的集成性和可视性有很大的需求。医院控制这些图像并对数据的安全性实施一些措施。医院系统可拥有一个“私有云”。然而，由于图像数据量的快速增长，在技术允许的情况下，减少在现有数据中心的存储量可能是有利的。在较快的创新周期的背景下，使用第三方数据服务器可能是一种选择，医院对硬件和软件更新的需要，但是，从另一方面来说，需要建立新的依存关系并且存在着数据安全性方面的问题。厂商锁定可能是一个问题，在供应商/系统需要交换和数据需要迁移时可能会产生较高的后续费用。目前，一些厂商提供基于影像服务的云服务，但是一些基本的问题，包括数据安全性和兼容性方面的问题，尚未完全解决，这对于我们来说是一个挑战。因此，如果供应商不能为他们的云影像产品提供更好的标准，私有临床影像云服务似乎是一种有效的方法。

虽然技术复杂，但是这些系统的临床优势是显而易见的。这些系统可保留中央数据文件，在从业人员（影像学专家/放射科医生，临床医生/心脏病专家/心胸外科医生）之间实现共享，可在多个地点（阅览室，医生办公室，手术室）访问和修改。只要建立了一体化，参与诊断和治疗的不同从业者就能够从部门特异性的信息与图像管理系统中获取数据。例如，放射科医生利用集成的先进的软件程序可从PACS研究列表中获取数据。专业的介入学家通常避开PACS系统而利用先进的软件程序获取数据。通常大多数临床医生依赖于更局限性的途径获取影像学数据，最好的方式是通过电子病例（EHR）。该网络医院。附加的服务器可允许访问临床研究数据，保持数据结构符合相应规定。

经导管主动脉瓣置换术体现了现代成像技术产生的患者特异性的影像学数据增加。影像信息的共享已成为新治疗方法的关键部分，但同时也为先进的数据网络解决方案创造了巨大的需求。创造一个移动的、全面的纵向成像的文件，使之成为电子病历的一部分，可跟进患者的病情并在诊断和治疗过程中更新，而云技术提供了这样一个可能的解决方案，这是一个重要的发展。然而，数据表明，这样的数据会对决策有影响而这方面的结果仍然是匮乏的。

感谢克利夫兰诊所心血管研究所影像科MarionTomasko做出的贡献！

声明：MZ是西门子公司的员工。

（译者程家梅华中科技大学同医院）

（审校翁震上海交通大学医学院）