医用数字血管体模的开发与评价

王晓玲，杨义强

上海市医疗器械化妆品审评核查中心 有源医疗器械核查部，上海 200020

引言

随着计算机技术的日新月异，医疗软件行业正处于高速发展期，医学影像类软件产品也蓬勃发展。近年来，上海市独立软件产品注册及现场核查的申报数量均大幅增长，对产品的功能验证以及安全有效性评价提出了更高的要求。《医疗器械软件注册审查指导原则》等指南要求申请人明确主要功能的性能指标，并提供相应的研究资料[1]。然而，临床金标准数据难以获取，导致出现验证所用数据的可解释性差、不充分等问题，从而较难准确地评价软件产品功能的有效性。若开展临床试验，则会大幅增加时间和经济成本，延误创新产品的上市进程[2]。

物理实体体模（以下简称物理体模）通常具有明确的几何形状，用于评价医学影像产品的性能，但是存在价格昂贵、几何形状过于简化、设计灵活性和多样性较差、精度会因材质特性而逐渐退化、维护成本高等问题。相比而言，数字体模通过计算机建模而成，可快速准确并以较低成本形成复杂而灵活的形状结构和材料，从而生成特定的模拟数据。数字体模的材质不会随时间退化，性能较为稳定[3]，便于存储携带。在模型设计完成后，可通过基于蒙特卡洛方法的GATE工具[4]进行模拟成像，获取数字体模的影像数据，减少不同采集设备间的偏差。目前已有基于数字体模的临床评价研究[5]，但在医学影像软件产品的有效性评价方面的研究较少。与基于计算机辅助设计的方法相比，基于GATE 的模拟成像可得到更加真实准确的影像数据。

形状规则的数字体模设计及模拟成像研究[6]表明其具有一定的灵活性和实用性。本文基于典型的临床解剖特征，开发了不规则形状的医用数字血管体模，并通过模拟成像得到CT 影像数据。从外观、感兴趣区域（Region of Interest，ROI）信息等方面与基于CT 实机扫描的物理体模数据进行对比，验证医用数字血管体模的有效性。

1 材料与方法

1.1 医用数字血管体模设计

基于GATE 平台构建带有造影剂的医用数字血管体模（图1a）。GATE 材料库包含了氢、氦、碳等基本元素，以及空气、水、碘化钠、肺、SS304 不锈钢等常见材料。用户可根据实际需要自定义材料的名称、密度、元素组成、比例分数等参数。本研究采用血管造影常用的碘比醇造影剂，在GATE 材料库中，将其定义为由碳、氢、氧、碘、氮5 种元素组成，主要元素碳、氢、氧的比例分数分别为32%、43%和14%，材料密度设定为2.173 g/cm3。对应的物理体模通过3D 打印获得（图1b）。

图1 医用数字血管体模（a）和对应物理体模（b）外观示意图

1.2 CT模拟与CT实机成像

基于GATE 的CT 模拟系统的性能参数在脚本文件（.mac）中设置，包括X 射线源、探测器、粒子交互过程、采集过程、输出配置、可视化配置等，系统配置如图2a 所示。本次使用的X 射线能谱（图2b）由能谱建模工具SPEKTR2.1 生成[7]，需设置电压、铝当量厚度等参数。进入GATE 环境后，执行主程序脚本文件即可开始CT 模拟成像。X 射线源与探测器为静止状态，数字体模以1 °/s 的速度绕z轴旋转，投影数据的采集间隔为1 s。本次模拟实验在上海交通大学“思源一号”高性能计算集群上运行完成，系统主要配置为：CPU 为双路Intel Xeon ICX Platinum 8358/32 核，主频2.6 GHz，操作系统为CentOS。扫描完成后，共得到360 个像素矩阵为512×512 的投影数据。

图2 CT模拟系统扫描配置图示（a）和模拟X射线源的能量分布（b）

为了验证医用数字血管体模及CT 模拟成像系统的有效性，本研究进行了CT 实机体模扫描。物理体模通过3D 打印而成。将碘比醇造影剂与水按1 ∶50的比例稀释后填充至物理体模内部，CT 实机系统（上海联影uCT 530）分别在80 kV 和100 kV 2 种管电压下成像。表1 列出了CT 模拟成像和CT 实机成像的参数对比。

表1 CT模拟与CT实机的成像参数

1.3 投影图像重建

完成CT 模拟成像后，可得到投影数据。利用MATLAB 工具包-TIGRE[8]，通过FDK 重建算法[9]，将二维投影图像重建得到三维容积数据。基于MATLAB脚本将重建数据转换为医学数字成像和传输协议（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）格式图像，并设置相关DICOM 标签属性值，包括管电压、成像距离、重建图像大小、像素尺寸、窗宽窗位等必要标签。CT 实机扫描数据使用uExceed 采集工作站进行重建后导出为DICOM 数据。

1.4 医用数字血管体模的灵活多样性

为了验证数字体模自定义材料的多样性，在上述体模的基础上，通过调节碳、氢、氧等材料的组成比例分数，添加其他元素成分，可得到密度分别为1.2、1.6 和1.8 g/cm3的造影剂材料，用于模拟临床上不同浓度的物质。通过CT 模拟成像可得到对应的影像数据。

为了验证数字体模的设计灵活性，可在体模内部进行形态变化。本例为加入圆柱形体模，并将其材料定义为碘、钙等高密度元素组成的混合材料，可得到如图3所示形态的数字体模影像数据，后续可根据实际需求灵活调整。

图3 医用数字血管体模形态变化

1.5 统计学分析

利用MedCalc 19.07 对血管体模在CT 模拟成像中的图像与CT 实机在不同电压下成像的图像ROI 值进行t检验分析，以对比模拟与实机成像的CT 值，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 实验结果分析及评价

2.1 医用数字血管体模分析评价

为了分析CT 模拟图像与原设计情况的异同，将CT 模拟图像与原设计图进行对比，其中CT 模拟图像由Radiant DICOM Viewer 的三维容积渲染图像显示并读取尺寸测量值。结果显示，二者在基本结构和外观上具有高度一致性，尺寸测量的最大差值为0.20 mm。图4 及表2 显示了动脉瘤附近位置的测量值对比。

表2 CT模拟图像与原设计参数对比（mm）

图4 CT模拟图像（a）和原设计图（b）

为了分析血管体模在CT 模拟成像与CT 实机成像下的异同，本文选取CT 值、面积值、峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、结构相似性（Structural Similarity，SSIM）作为对比项目。2 种方式得到的DICOM 图像的CT 值、面积测量值越接近、差值越小，说明CT 模拟图像与CT 实机图像的造影剂材料以及结构尺寸越相似；PSNR 是衡量图像质量的指标，PSNR越大，说明图像质量越相近，PSNR 在30～40 dB 之间代表图像质量可以接受；SSIM 也是衡量2 幅图片相似性的指标，SSIM 的取值范围为0～1，SSIM 越大，图像相似度越高，SSIM 值为1 则完全相同。

通过目测，选取体模动脉瘤的最大截面层，即管腔最大圆形截面处。该截面对应CT 模拟扫描的第53 层图像（位于总层数的10%位置）和CT 实机扫描的第323 层图像（位于总层数的92%位置），内部有造影剂填充。利用Radiant DICOM Viewer 软件在CT 血管造影术窗宽窗位下（窗位300 HU，窗宽600 HU）显示图像（图5），并测量ROI 区域的CT 值，得到ROI 的平均CT 值及标准差。为比较ROI 面积值的异同，采用Image J 工具对该层图像进行了相同阈值的二值化分割，计算得到分割区域的图像面积，模拟与实机CT 成像的造影剂CT 值对比结果如表3 所示。

表3 血管数字体模和物理体模检测结果

图5 不同电压条件下CT模拟图像和CT实机图像

如表3 结果所示，在不同电压条件下，CT 模拟与实机图像的最大截面面积差异小于0.75%，PSNR 值均大于30.14 dB，SSIM 值均在0.80 及以上；CT 值方面，在80 kV 电压条件下，CT 值均值虽有差异，但在临床可接受范围内，在100 kV 电压条件下，二者CT 值的相似性较好。本研究表明，通过仿真得到的CT 模拟图像与CT 实机成像得到的图像呈现出良好的相似性，基于数字体模的CT 模拟成像的方式未来有可能作为一种生成较高质量CT 图像的方式。

2.2 医用数字血管体模的多样性

通过调节数字体模的造影剂材料密度，经过模拟成像及重建后，可得到不同的影像数据，对应的CT 值随材料密度而变化，见图6。将数字血管体模内部加入圆柱形体模，并将其材料设定为某种高密度物质，模拟成像后多平面重建（MultiPlanar Reconstruction，MPR）图像（图7）可见造影剂和该材料的显著区分。由此可见，相比于物理体模，数字体模的材料和形态灵活可调，通过调节参数设置即可得到不同类型的CT 影像数据。

图6 调节数字血管体模的造影剂材料密度

图7 在数字血管体模内部加入圆柱形高密度材料

3 讨论

本研究设计了医用数字血管体模，并对其进行CT模拟成像及评价。数字体模的CT 模拟图像与对应的物理实体体模的外观特征和物理尺寸基本一致。CT 值和ROI 统计信息显示，在80 kV 和100 kV 下，模拟和实机图像的平均CT 值的相差值在临床可接受范围内，最大截面面积的误差值小于0.75%，PSNR 和SSIM 值分别在30.14 dB 和0.80 及以上。从80 kV 到100 kV，CT实机和模拟图像的CT 值以相近的变化量减少，这是由于管电压增大使得X 射线穿透力增强，导致物质对射线的衰减系数降低，从而使CT 值减小。对比结果表明，CT 模拟与实机图像的一致性较好。基于已验证的CT 模拟成像系统和数字体模，本研究还拓展设计了体模的形状和材料，体现了其灵活多样性。

本研究仅模拟了单个血管的同一类型材料，后续将考虑含动脉硬化斑块的血管等情况。由于需要定义不同硬化程度的斑块，体模的形状与材料更为复杂，需验证与实际斑块的一致性。模型设计依赖于3D 建模工具，需要研究快速大量地生成多种形状和材料体模的方法。本研究中，光子数、探测器尺寸及像素大小、几何距离、图像重建过程等均与CT 实机存在一定差异，而GATE 的模拟结果对输入参数较敏感，需要进一步优化模型以提高模拟精度[10]。由于需要考虑射线穿过人体皮肤、脂肪、肌肉等组织的衰减，因此模拟所需的光子数更多，对于服务器的算力要求更高。本研究在高性能计算机集群上开展并行运算，单枚投影图像的模拟时间近4 h，一套DICOM 数据的总模拟时间约为1200 h，计算机资源消耗量大，需要进一步提升运算速度。

软件产品的研发及上市前阶段需要进行充分评价，证明软件的功能符合预期、满足临床需求。目前已有的数字体模的生成方式较简单，例如，将临床图像转为三维网格面格式[11]，或者基于人工智能算法生成3D 模型，或者利用已公开的数字人体项目（如Virtual Human、XCAT 等）生成模型[12]，以上方式存在模型过于简化或单一、与真实临床DICOM 图像差异较大等问题，无法有效地满足医学软件功能评价的需求。基于GATE 生成数字体模CT 图像的方式考虑了扫描成像部件参数、光子吸收和散射、材料特性等影响因素，得到的DICOM图像精度较高，有望成为一种新的医学影像软件功能的评价手段。例如，通过设计不同形状、密度、材料的数字体模，模拟不同疾病进展程度[13]，得到不同CT 值的影像数据[14]，用于评价软件对比度显示、MPR 三断面显示等功能[15]；由于数字体模的尺寸信息已知，可用于评价软件测量功能的准确性；设计心脏、肺部等动态体模，生成带有运动伪影的数据，验证软件在不同图像质量下的性能[16]。

4 结论

本文基于GATE 工具构建了CT 模拟系统，并设计了医用数字血管体模，将计算机模拟成像技术的应用从医学成像系统的设计研发领域扩展到了医学影像软件产品的监管评价领域[17-18]。实验结果表明，基于充分的验证，通过CT 模拟成像得到的数字体模影像数据有望成为医学影像软件的评价新工具，可提高产品评价过程的客观性和准确性，降低验证成本；统一的评价标准则有利于科学规范地开展医学影像软件的审评核查，优化该类产品的质量控制过程，加快科研成果的临床转化，推动创新产品的上市进程。