利用双平面X射线血管造影技术，在手术过程中快速进行2D/3D头部配准，以支持图像引导下的介入治疗

《MEDICAL PHYSICS》：Fast intraoperative 2D/3D head registration for image-guided interventions using biplane x-ray angiography

2D/3D配准在血管介入治疗中至关重要，但实时性与精度需平衡。本研究提出快速配准方法，通过直接优化平面配准参数消除投影计算，结合头颅ROI减少解剖误差，最大化NCC相似度指标。仿真结果显示运行时间减少超10%，临床数据验证在非截断案例中成功率达100%，虽截断案例性能下降，但优于传统方法。该刚性配准算法在效率与精度上均表现优异，具备实时临床应用潜力。

　　

摘要

背景

二维到三维（2D/3D）配准在图像引导的医疗干预中至关重要，尤其是在血管手术（如血管内治疗EVT）中。术前3D图像与术中2D X射线血管造影之间的精确对齐可以提高手术的安全性和精确度。然而，由于计算需求较高，实现实时且精确的2D/3D配准仍然具有挑战性。

目的

本研究旨在开发一种快速的2D/3D配准方法，该方法可以直接优化数字重建放射图像（DRR）与X射线血管造影图像之间的平面内对齐，从而无需在每次目标函数评估时进行前向投影，同时提高计算效率而不影响配准精度。

方法

我们提出了一种配准方法，该方法通过解决一个替代的2D/2D配准问题来估计平面内变换参数，并迭代更新底层的2D/3D配准参数。该方法结合了颅骨感兴趣区域（ROI）映射，以减少DRR与血管造影图像之间的解剖结构差异，并以迭代方式最大化相似性度量——归一化互相关（NCC）。该算法通过数值模拟（XCAT模体）和临床血管造影数据进行了评估，将其性能与基于强度的2D/3D配准方法以及不使用颅骨ROI引导的版本进行了比较。成功率的评估依据数据来源不同而有所差异：在模拟数据中基于NCC，在临床数据中则基于两位专家的手动估计结果与参数准确性的比较。此外，还评估了配准参数的准确性、运行时间、前向投影次数以及收敛行为。

结果

在数值模拟中，与传统的2D/3D配准方法相比，所提出的方法将运行时间减少了超过10倍，同时保持了相当的成功率。在临床研究中，运行时间减少了约6倍，并且在头部大部分位于X射线血管造影视野内的非截断病例中，成功率达到100%；该方法与手动估计结果在视觉上也有很好的一致性。在截断病例中，尽管所有方法的配准性能都有所下降，但所提出的方法仍优于传统的2D/3D配准方法。

结论

我们提出了一种快速的2D/3D配准方法，显著减少了运行时间并提高了精度。尽管该方法目前仅适用于刚性配准，但在进一步优化后，其在实时临床应用中具有很大潜力。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本文中提到的模拟数据可应读者要求提供。如需合作项目，请向Katsuyuki Taguchi提交书面提案。