57、生物电导航：血管内设备引导的新范式

生物电导航：血管内设备引导的新范式

在血管介入手术中，随着手术的微创化发展，对先进导管导航技术的需求日益增长。传统的临床方法存在诸多挑战，而生物电导航技术的出现为解决这些问题带来了新的希望。

1. 传统血管导航面临的挑战

常见的血管手术正朝着更微创的方向发展，这就对血管内设备的精确导航提出了更高要求。目前，临床医生通常根据术前影像规划路径，插入导丝和导管，再借助多次荧光透视影像来引导设备到达目标区域。然而，这种方法存在明显弊端。在实际操作中，识别血管分叉点进行导航既困难又耗时，而且人体解剖结构的不规则性进一步增加了导航的难度。

以往的研究主要集中在介入和术前影像的配准上，但将这些技术应用于血管内导航时，需要进行可变形配准。由于血管的显著变形，这一任务极具挑战性。从临床角度看，医生关注的是导管在血管树中的位置，而血管变形对导航并无实质性影响，因为导管只能在血管树内移动。因此，通过导管上的传感器进行局部测量来实现导航是一种可行的思路。

2. 生物电导航技术的灵感来源与原理

生物电导航技术的灵感源自弱电鱼的电定位行为。弱电鱼能够产生电场，以此检测附近物体的细微特征。受此启发，研究人员提出了一种新型的导管引导系统。该系统将导管上电极的局部阻抗测量与术前影像的估计相结合，以确定导管在血管树中的位置。

具体来说，导管上的一个或多个电极会发射微弱的电信号，并在导管在血管树中前进时测量由此产生的电场变化。由于血液的阻抗远低于血管壁和周围组织，导管可以通过测量阻抗变化来检测局部血管的几何形状。例如，当导管经过血管分叉点时，血管横截面积的急剧增加会导致电场发生显著扰动，导管能够检测到这种变化。

生物阻抗分析此前已被用于斑块分类和血管腔测量，但尚未应用于导航。该系统利用实时生物电测量与术前影像模拟信号进行配准，以确定导管的位置。其优势在于不受周围组织运动和操作的影响，无需进行2D/3D可变形配准，并且能够利用高分辨率的术前影像和实时电压测量来改善设备导航，减少患者、医生和工作人员的辐射暴露。

3. 生物电导航的实现步骤

3.1 建立生物阻抗模型

生物电导航的第一步是根据术前影像创建生物阻抗模型。完整的生物阻抗模型需要求解3D泊松方程，假设已知血液和组织的介电常数。对于相对简单的几何形状，可以采用有限元分析来数值求解电势分布。研究人员设计了一个具有两个狭窄和一个动脉瘤的八路径血管模型，并将3D CAD模型导入Comsol Multiphysics软件进行模拟，得到了六条不同路径的模型。

3.2 用横截面积参数化血管树

由于导入整个人体心血管系统的几何形状并模拟所有路径是不可行的，因此研究人员采用了一种更简单的参数——血管中心线的横截面积来表征血管几何形状。将发射电极和接地电极之间的血液建模为RC电路，发射电极处的电压幅值与两电极之间血管的横截面积成反比，大大简化了血管树的参数化。

在CT图像中分割血管树有多种方法，该系统对所选的分割算法具有较强的适应性，只要能捕捉到主要的几何特征，提取的模型不需要高分辨率。研究人员根据已发表的技术选择了特定的分割参数，在手动初始化入口点后，算法检测中心线和两点之间的最短路径，生成血管模型并计算每个可能路径上各段的横截面积。

对于合成模型，发射电极处的模拟电压与从锥束CT（CBCT）提取的横截面积的倒数成正比，这表明横截面积足以用于双电极导管的定位，而双电极导管是生物电导航所需的最少电极数量。

3.3 生物阻抗采集

生物阻抗采集主要包括导管、电子设备和信号处理三个部分。几乎任何配备电极的商用导管都可用于测量生物阻抗。函数发生器为定制的恒流源提供正弦输入，恒流源向导管上的发射电极提供恒定的低电流信号，在其周围产生微弱的电场。导管测量的电压是阻抗变化的函数，软件在导管前进时提取输入频率处的电压幅值。

3.4 模型信号与实测信号匹配

生物阻抗信号是血管横截面积倒数的缩放和时间扭曲版本，因此将导管测量的生物阻抗与建模的血管树进行对齐是该技术的基础。在初始实验中，研究人员使用了开放式动态时间规整（OE - DTW）算法。该算法能够将不完整的测试时间序列与完整的参考序列进行对齐，在手术过程中为医生提供导管预测位置的持续反馈。

在实现过程中，每条路径的横截面积倒数构成参考数据集，导管的电压幅值作为测试时间序列。通过识别与测试信号具有最高相似度度量（归一化互相关）的参考路径，来估计导管在血管模型中的最可能位置。

4. 实验设置与结果

4.1 实验设置

实验采用了一个6F的心脏电生理导管，其十个环形电极宽2mm，间距5mm。电流源的输入为±5mV、430Hz的正弦信号，向发射电极提供恒定的18µA电流，相邻电极接地。电压信号经过低功率生物信号采集系统放大和滤波后，由Intan软件记录。通过加窗离散傅里叶变换将信号转换到频域，并提取每个窗口中输入频率处的幅值，最后根据上述的信号匹配方法确定最可能的路径。这些实验最初仅进行了事后分析，尽管实时实现对导航至关重要。

4.2 合成血管树实验

研究人员在浸泡于0.9%生理盐水中的合成血管树中进行了首次验证实验。摄像头记录了导管以1 - 2mm/s的速度通过六个主要路径的轨迹。OE - DTW算法在30次试验中正确识别了25次导管路径。误识别试验的相似度度量为0.5245 ± 0.0683，正确识别试验的相似度度量为0.6751 ± 0.1051。

以下是实验结果的简单表格呈现：
| 实验类型 | 总试验次数 | 正确识别次数 | 误识别相似度度量 | 正确识别相似度度量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 合成血管树 | 30 | 25 | 0.5245 ± 0.0683 | 0.6751 ± 0.1051 |

mermaid流程图展示合成血管树实验流程：

graph LR
    A[准备合成血管树模型] --> B[设置导管及相关设备]
    B --> C[导管在血管树中移动并采集数据]
    C --> D[使用OE - DTW算法进行信号匹配]
    D --> E[判断路径识别结果]

4.3 离体主动脉实验

由于生理盐水与血管之间的阻抗差异小于生理盐水与丙烯酸之间的差异，因此在生物组织中预期信号幅值会较低。研究人员将两个猪主动脉缝合为Y形血管树，并在主干处用扎带模拟狭窄。将血管嵌入20%的明胶溶液中，并用0.9%的生理盐水填充。同时采集电压测量值和荧光透视图像以记录导管的真实位置。导管在长路径上前进了6次，短路径上前进了3次，算法在9次试验中全部正确识别了路径，相似度度量为0.6081 ± 0.1614。

实验结果表格如下：
| 实验类型 | 总试验次数 | 正确识别次数 | 相似度度量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 离体主动脉 | 9 | 9 | 0.6081 ± 0.1614 |

mermaid流程图展示离体主动脉实验流程：

graph LR
    A[准备离体主动脉模型] --> B[设置导管及相关设备]
    B --> C[导管在血管中移动并采集数据]
    C --> D[同步采集荧光透视图像记录真实位置]
    D --> E[使用OE - DTW算法进行信号匹配]
    E --> F[判断路径识别结果]

综上所述，生物电导航技术在合成血管树和离体生物组织实验中都展现出了良好的性能，为血管内设备的引导提供了一种有潜力的非电离技术解决方案。后续研究将进一步优化该技术，以实现更好的临床应用。

生物电导航：血管内设备引导的新范式

5. 技术讨论与分析

生物电导航技术通过将导管的局部测量信号与术前模拟信号进行对比，来估计导管在血管中的位置。虽然开放式动态时间规整（OE - DTW）算法在实验中未能完全准确地预测导管位置，但那些被误分类的试验相似度得分也最低。在实际应用中，当相似度较低时，系统可提示医生进行荧光透视成像以辅助判断。

该技术在特征丰富的环境中，即与血管内手术最相关的环境中，预计能达到最高的准确性。因为导管是通过测量生物阻抗的局部变化来导航的，所以在特征丰富的血管区域，如存在分叉、狭窄等情况时，导管能够更准确地识别位置。而在特征较少的环境，如长而均匀的血管中，估计的准确性会降低。不过，一旦导管到达下一个标志性位置，其实时位置预测仅受导管电图像分辨率的限制。

导管在血管横截面上相对于中心线的位置可能会带来一定的不确定性，但根据模拟和相关文献，这种位置变化对电压测量的影响并不显著。

为了实现实时位置估计的显示，下一步需要比较多种能够实时匹配模拟数据和实时数据的技术，如OE - DTW、隐马尔可夫模型、随机森林和粒子滤波器等。然而，这些匹配算法存在一个局限性，即当导管改变方向（插入与回撤）时会失效。为了解决这个问题，研究人员计划在导管引入鞘上安装一个简单的编码器，以检测导管的行进方向，并让软件仅分析导管插入时的数据。

目前，研究团队已经在合成模型中验证了生物电导航在生物相关血流条件下的可行性，并在绵羊尸体模型的腹主动脉中成功检测到了肾动脉。当前，正在对该原型在猪体内的腹主动脉血管系统中的导航性能进行评估。

6. 科学与临床意义

生物电导航技术在血管内导管导航领域具有开创性意义。此前，从未有人提出过在血管内生成和测量生物电信号，并将其映射到患者特定的血管模型来进行导管导航的方法。这项技术与相关领域的研究相互补充，有望推动图像引导介入技术的发展。

该技术规避了许多临床成像中的难题，如导管检测、运动补偿和导管跟踪等。特别是在全局3D定位中，可变形配准变得不再必要。因为即使医生移动血管，导管仍处于同一血管分支内，其位置信息可通过局部测量准确获取。

一旦生物电导航技术融入临床工作流程，它有望显著减少常见血管内手术中荧光透视的使用。在一些复杂的手术中，如腹主动脉瘤修复手术中使用定制移植物时，该技术的优势更为明显。这些定制移植物上有孔，以避免阻塞内脏动脉开口。传统的血管造影成像在定位移植物时作用有限，因为医生需要同时观察移植物标记和动脉解剖结构。而生物电导管通过分叉点时，其电阻抗会发生显著变化，这种“由内而外”的传感方式能够为移植物的定位提供实时反馈，从而改变当前的设备部署方式。

7. 未来展望

生物电导航技术虽然已经取得了初步的实验成果，但仍有许多方面需要进一步研究和优化。以下是未来可能的研究方向：
- 算法优化 ：继续探索和比较不同的实时数据匹配算法，提高导管位置预测的准确性和鲁棒性，尤其是解决导管方向改变时算法失效的问题。
- 临床验证 ：在更多的动物实验和人体临床试验中验证该技术的安全性和有效性，积累更多的临床数据，为其广泛应用提供坚实的基础。
- 设备改进 ：对导管和相关电子设备进行优化，提高信号采集的精度和稳定性，同时降低设备的成本和复杂性，使其更易于临床应用。
- 与其他技术融合 ：考虑将生物电导航技术与其他成像和导航技术相结合，如超声、磁共振成像等，以提供更全面、准确的血管内信息，进一步提高手术的安全性和成功率。

综上所述，生物电导航技术为血管内设备引导提供了一种创新的解决方案，具有广阔的应用前景。随着技术的不断发展和完善，它有望在临床实践中发挥重要作用，改善血管内手术的治疗效果。

以下是生物电导航技术关键步骤的总结列表：
1. 根据术前影像创建生物阻抗模型。
2. 用血管横截面积参数化血管树。
3. 通过导管采集生物阻抗信号。
4. 使用匹配算法将实测信号与模型信号对齐，确定导管位置。

表格总结不同实验的结果：
| 实验类型 | 总试验次数 | 正确识别次数 | 相似度度量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 合成血管树 | 30 | 25 | 正确：0.6751 ± 0.1051；误识别：0.5245 ± 0.0683 |
| 离体主动脉 | 9 | 9 | 0.6081 ± 0.1614 |

mermaid流程图展示生物电导航技术的整体流程：

graph LR
    A[术前影像] --> B[创建生物阻抗模型]
    B --> C[参数化血管树]
    D[导管] --> E[采集生物阻抗信号]
    C & E --> F[信号匹配]
    F --> G[确定导管位置]