《Cardiovascular Engineering and Technology》：Image-Based Medical Navigation Systems for Cardiac Interventions: Recent Technological Advances
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背景：在过去五年中，基于导管的治疗方法在结构性心脏病（SHD）中的应用显著增加，这得益于医疗导航系统的技术进步，特别是基于医学成像的系统。多模态心脏成像通过整合互补的解剖、形态和功能信息，在这些系统中发挥关键作用，从而提高诊断准确性，改善心血管介入的有效性和临
背景：在过去五年中，基于导管的治疗方法在结构性心脏病（SHD）中的应用显著增加，这得益于医疗导航系统的技术进步，特别是基于医学成像的系统。多模态心脏成像通过整合互补的解剖、形态和功能信息，在这些系统中发挥关键作用，从而提高诊断准确性，改善心血管介入的有效性和临床结局。然而，多模态成像面临挑战，包括模态间错位以及需要确定不同成像模态数据的最佳整合方法。方法：本文综述了用于导管心脏手术的先进基于图像的医疗导航系统。综述涵盖2019年至2023年期间，共纳入44篇文章。这些研究的方法被分为六个主要类别：图像增强与追踪、图像融合与重建、三维建模/打印、扩展现实（XR）和人工智能（AI）。结果：大多数研究涉及多模态成像，跨不同模态组合或传输信息。综述强调，当前多模态成像技术提高了左心耳封堵术（LAAC）、经导管主动脉瓣植入术（TAVI）和导管消融治疗等手术的准确性。这些技术依赖于荧光透视、超声和计算机断层扫描（CT）等成像模态的组合，以在微创介入期间实现实时引导和精准导航。结论：通过整合多源数据，这些系统提高了诊断可靠性和手术成功率，满足了SHD治疗的复杂需求。尽管取得了进展，实时手术引导仍是一个主要挑战，强调了该领域持续研究的必要性。
**引言**
引言部分指出，全球每年有数百万根血管内导管被植入人体，这得益于微创经导管心血管介入（TCI）手术的持续增长。常见TCI手术包括经皮冠状动脉介入（PCI）、左心耳封堵术（LAAC）、经导管主动脉瓣植入术（TAVI）、二尖瓣置换（MVR）、房间隔缺损封堵术（ASDC）、射频消融导管术和血管内动脉瘤修复（EVAR）等。对改进导航系统的需求日益增加，心脏成像技术提供解剖和功能信息，辅助手术。常用成像模态包括X射线（荧光透视）、计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和超声心动图（Echo）。每种模态有各自优缺点：荧光透视快速但软组织对比度低且辐射暴露；CT分辨率高但同样有辐射且术中不可用；MRI无辐射但成本高、时间长；Echo实时、无辐射但视野小、信噪比低。单一模态可能信息不足，多模态心脏图像融合（IF）被广泛采用，主要结合荧光透视与CT、经食管超声心动图（TEE）、经胸超声心动图（TTE）或MRI。本研究旨在综述基于图像的医疗导航系统在导管心脏手术中的现状，采用系统级视角，将方法按导航流程功能角色分类，包括图像增强、追踪、融合、三维建模、扩展现实和人工智能，以弥合临床实践与技术创新之间的差距。
**综述方法**
方法部分描述了文献检索过程。第一作者在Web of Science和PubMed数据库中使用关键词组合进行检索，覆盖2019至2023年，共868篇文章。剔除重复64篇、非英语15篇后，根据标题和摘要筛选出813篇，再排除综述、非图像技术、COVID-19研究等763篇，最终50篇进行全文分析，再排除6篇非心脏研究，纳入44篇。使用Rayyan软件进行筛选。
**结果**
结果部分将文章分为五类：图像增强与追踪、图像融合与重建、三维模型/打印、扩展现实（XR）和人工智能（AI）。
**图像增强与追踪**：该部分指出，导丝和导管在心脏导管术（CCP）中的实时追踪和可视化至关重要。在MRI环境下，铁磁材料限制和聚合物材料低磁敏感性带来挑战。基于图像的处理技术如光流、边缘检测、模型追踪被用于提高精度。代表性研究包括：使用多尺度增强滤波在X射线中自动分割导丝，准确率达99.5%；基于MRI的实时自动导管追踪；结合X射线和心腔内超声（ICE）的低荧光透视导航；光纤超声传感器（FOUS）集成导管用于TEE引导；以及ICE引导的室间隔穿刺（TSP）技术。这些技术通过提高设备可见性和对比度支持追踪性能，但多模态数据实时同步仍具挑战。
**图像融合与重建**：该部分将图像重建与融合一起讨论。重建生成三维解剖模型，融合则将这些模型与实时成像（如荧光透视）整合。代表性研究包括：提出软件系统集成CT/MRI模型与X射线进行刚性配准，实现实时叠加；通过检测TEE探头位置进行自动融合；融合荧光血管造影（FA）与单光子发射CT心肌灌注成像（SPECT-MPI）以优化PCI决策；评估三维CT与荧光透视融合在LAAC中的应用，显著缩短手术时间、降低辐射剂量和对比剂用量。这些方法提升了导航管道中的解剖理解和设备引导能力。
**三维模型/打印**：该部分讨论患者特异性三维模型在培训和手术规划中的应用。基于CT或MRI数据制作柔性心血管体模，用于训练介入医师并规划导管介入。研究还包括打印心脏模型模拟诊断和干预步骤，以及使用三维打印体模优化左心耳封堵术的C臂角度。三维打印依赖于精确分割，人工智能驱动的分割方法有望提高效率和可重复性。
**扩展现实（XR）**：XR技术整合虚拟、增强、混合现实，使用头戴式显示器（HMD）和体感追踪。代表性研究包括：集成三维打印模型和混合现实界面用于培训；开发混合现实软件用于LAAC规划，在10分钟内完成三维全息形态分析；结合实时可视化用于心脏消融；利用AR系统引导TSP，配准精度0.42 mm；在心脏导管术中使用混合现实HMD整合多源数据；以及用于血管穿刺的MantUS?系统。这些技术展示了减少手术时间、提高精度的潜力。
**人工智能（AI）**：AI在图像引导心脏介入中的应用广泛。研究包括：基于U-Net的超声血管导航系统（准确率90%）；用于经皮冠状动脉介入（PCI）的冠状动脉动态映射，结合贝叶斯滤波和卷积神经网络（CNN）补偿运动；基于深度学习的MRI导管球囊检测（准确率98.4%）；三维心脏超声中导管定位（F-1分数65.1%，平均误差1.28 mm）；使用CNN进行运动补偿以增强荧光透视，以及用于低剂量X射线图像去噪的超密集去噪网络（UDDN）。这些方法提升了图像处理、设备追踪和导航精度。
**讨论**
讨论部分指出，随着老年人口增长，微创图像引导手术越来越重要。多模态心脏图像配准在结构性心脏病（SHD）治疗中提供互补信息。超声心动图、CT、MRI和荧光透视在诊断和实时导航中发挥关键作用。术中超声（TEE/ICE）提供实时可视化，减少辐射；荧光透视仍广泛使用，但常与超声融合以改善软组织显示。三维重建模型与实时影像整合，提供解剖路径。三维超声引导可提高精度，但需解决融合方案大多为静态的问题。EchoNavigator等商用软件实现动态融合。基于深度学习（DL）的配准方法计算效率高，但需大量标注。三维打印用于复杂解剖可视化，但分割耗时且依赖图像质量。AI驱动的分割有望改善。扩展现实（XR）提供交互式三维表示，可用于规划复杂手术。本综述与现有综述相比，采用全面且综合的方法，将方法分类为六组，强调组合技术克服模态错位和数据整合挑战。
**一般研究现状与展望**
过去五年，基于图像的导航系统取得显著进展。人工智能在图像增强、追踪、融合、三维建模和扩展现实中发挥关键作用，实现自动分割、深度配准、轨迹预测等。扩展现实技术在心脏介入中的应用从教育规划逐渐转向术中支持，但仍受限于实时导航的广泛采用。未来最有望的方向是成像、人工智能和流程智能的融合，通过工作流感知系统提供上下文感知引导，提高效率和安全性。导航系统正演变为集成平台，无缝连接采集、解释、规划和引导。
**结论**
成像检查在结构性心脏病（SHD）临床决策中至关重要，用于术前、术中和术后评估。本综述强调了多模态心脏成像技术作为手术导航系统的最新进展，涵盖追踪、融合、扩展现实、三维打印和人工智能。尽管机器学习（ML）特别是深度学习（DL）推动了多模态分析，但仍有挑战：需要稳健且泛化的模型、实时性能、与多模态融合管道的可靠整合，以及减少对人工标注的依赖。新兴解决方案包括AI驱动自动分割、学习型多模态配准、工作流感知导航系统，以及机器学习与实时成像平台的紧密结合。克服这些挑战是转化机器学习方法为可靠临床图像引导系统的关键。
