虚拟心脏的研究与应用

　　1　虚拟心脏研究的基本问题

　　现代生物医学工程迅速发展，涌现出了许多种无创诊断心脏疾病的技术方法。现代医学成像技术如CT、磁共振和超声成像等的推广应用，以及心电、血压等监护系统的广泛使用，使人们能在更高的层次上了解心脏的生理和病理状况。但是，这些技术大都针对心脏的不同侧面进行诊断，其结果往往有不同程度的局限性。CT和磁共振成像的时间较长，很难跟踪心脏的动态变化；超声成像可以观察到心脏的动态变化，但是其分辨率却较低，即使是分辨率很高的彩色多普勒血流成像，由于心脏大血管及大血流的影响，也难于观察到心血管的病理变化。对心电及血压监护系统而言，早期的心脏疾病未能引起心电及血压的病理性改变时，这种系统往往是无能为力的。

　　虚拟心脏应用计算机强有力的计算和图形显示能力，通过在给计算机心脏模型赋予活体心脏所具有的心肌、血液的动力学特性，动态电传导特性，生化特性和各种生理病理知识，使之从形态、结构和功能等方面逼真地再现人体心脏的活动过程。虚拟心脏的研究将新近出现的虚拟现实技术(亦称为灵境环境)引入到心脏的生理病理研究中，结合多年来心血管系统的研究成果，有益于我们进一步认识心血管系统的规律和本质、深入研究心血管系统疾病和临床表现之间的关系并实现早期无创诊断。

　　虚拟心脏研究将虚拟现实的思想引入到人体心血管系统这样一个复杂的研究领域，这是一个崭新的研究课题，需要解决大量的理论和技术上的问题。在研究方法上，它借鉴了生物医学工程领域和其它学科的新方法、新理论。下面介绍一下近年来虚拟心脏的研究和应用概况。

　　2　虚拟心脏模型

　　虚拟心脏模型一般是基于人体心脏2D图像重建并利用可视化技术得到的，将CT等医疗设备输出的动态心脏断层扫描图像重建，精确地再现心脏的3D几何形状和动态运动过程。如美国科研人员利用磁追踪磁共振技术，建立动力学模型［3］，从局部和整体上得到了左心室(Left ventricle, LV)的3D形状和运动表征，对其动态变化进行了深入细致地研究，并利用模型参数找出了正常和异常心脏之间的定量差别；另外，将计算机视觉技术应用于心脏模型构造，利用模型整体自由度捕获粗略的形状特征，利用局部变形参数重建形状细节。研究人员还将图像与虚拟现实技术相结合，把实时的心脏扫描图像经信号变换传输到头盔显示器，医生利用头盔的透视能力可将图像映迭到病人心脏；采用虚拟现实软件将2D图像与体视图像结合在一起，用虚拟现实眼镜进行观察，从而大大提高诊断的准确性和直观性。可见，虚拟心脏的研究是建立在高速发展的医学成像技术之上的。心脏是循环系统的核心，它集机、电、神经控制于一体，建模难度很大，目前一般有虚拟心脏电模型和机械模型两大类。

　　2.1　电模型

　　心电研究是探讨心脏生理病理机制的有力工具。目前心电研究或者是正问题：由心脏的解剖构成出发，建立心脏激励的传导模型，采用各种图谱(如心电图ECG、心电向量图、体表电位图BSPM和最近提出的体表Laplacian图)考核；或者为逆问题：由心电图谱推导心脏的电活动状态。两种方法都是为了方便于临床诊断。心电生理方面的研究已较细致，如心肌细胞的电生理特性、心肌的除极、复极以及电兴奋传播过程的研究均已较成熟；而心电诊断学相对粗糙和缓慢。这主要由于简单的图谱(如ECG)信息量少以致于有时无法确诊某些心脏疾病，而信息量大的图谱(如BSPM)与心脏状态的对应关系尚不太明确，而虚拟心脏电模型的建立则可以很方便地进行这方面的探讨工作［4-6］。

　　浙江大学生物医学工程研究所的研究人员建立了虚拟心脏电模型。该模型用一正立方体形状的3D心肌单元阵列组成，其中LV就有36767个心肌块，每个心肌块具有和单个心肌细胞大致相同的电生理特性。图1为该模型的某一截面图，其中的小方块表示心肌单元在该层的投影，不同颜色代表不同心肌种类。

　　心脏在机械收缩之前，心肌产生电激动，并通过传导系统使整个心脏兴奋，产生心电偶极子，心电偶极子通过容积导体，在体表产生电位，由体表电位可以得到心电图、心电向量图等。这便是虚拟心脏电兴奋的传播机理。该模型可虚拟不同生理病理状态下的电兴奋事件，如可进行心脏疾病如预激综合症的定量诊断。首先通过设置预激点和预激时间进行心电兴奋传播，然后利用得到的BSPM进行疾病的逆辨识：将BSPM数据虚拟为体表数据后，通过非线性优化选择各种模型参数(包括心脏位置与取向、心肌参数、跨膜动作电位波形参数)来求解心电逆问题。研究表明，在噪声干扰不太严重的情况下，可平均将预激点定位在2个心肌单元(3mm)的空间范围之内。利用这一模型，还可无创获取心外膜电位分布，对心肌梗塞和心肌缺血的部位和范围作出推断，并可评估心律不齐等疾病。目前，他们正在与国内有关单位合作，准备将这一模型应用于临床，以解决普通心电图等医疗手段解决不了的问题。总之，虚拟心脏电学模型已经可以得到接近实际的心电信号沿心脏的动态分布，它的建立有力地推动了心脏电生理的研究和临床心电诊断学的发展。

　　2.2　机械模型

　　心脏主要是依靠心肌的收缩舒张实现泵血功能，因而虚拟心脏研究的课题之一就是心肌力学问题，一般着重分析主要泵室LV［7］。心肌的应力应变状态具有重要的生理病理启示：它影响冠脉血流的分布和耗氧情况；可作为心肌形变、肥大和纤维化的信号；影响心肌缺血、心肌梗塞等组织衰竭情况并调节其修复过程；其材料特性反映心肌的微观结构甚至超微观结构。因此，分析心脏的应力应变场的时空分布具有重要的研究价值，可得到由医学成像等临床方法直接得不到的重要信息。但心壁运动为不规则的4D非刚体运动；心室的不规则形状、心肌材料的非线性、瓣膜的振动和血液流动等因素决定了心壁应力应变时空分布的复杂性。普通的研究方法很难胜任这一问题的分析工作，建立虚拟心脏机械模型可大大降低其难度。

　　心脏机械模型一般具备心肌动力学特性、电传导特性和负载等特性，可以分析心电动态传播过程、体积力、瓣膜振动、心包压力及前后负荷等不同负载情况下的生物力学响应，再现心脏的活动规律。

　　为摆脱定性、经验诊断心肌疾病的技术限制，人们试图通过量化分析心肌力学特性找出无创诊断心肌病变的新方法。浙大生物医学工程研究所提出一种基于虚拟心脏机械模型的方案来提取心肌疾病信息。该方案可以将图2的健康和心肌梗塞(MI)情况下的虚拟心脏机械模型的LV形变图(该图对应一心动周期的三个时刻，上层对应健康心脏，下层对应患者心脏)量化分析提取生理病理信息。在虚拟心脏“收缩”之前，将序列位移数据经过一个基于知识的预诊断程序大致确定疾病类别，并自动设置模型参数(心肌种类及位置、心肌材料参数和心脏载荷参数)，这些参数是基于生理学和生物力学研究成果并依模糊逻辑推理规则确定的，其中兴奋载荷是利用虚拟心脏电模型得到的；在心脏“运动”过程中，将模型参数优化及匹配准则定义为一多目标非线性规划问题，当找到模型参数的最优解集时，也就确定了心脏的生理病理状态。将该模型用于MI诊断中，可将病灶定位在模型基本单元的空间范围之内，同时推断出病变区域和程度。该模型还可诊断心室肥大、瘤变等其它心肌类疾病，这无疑提供了一种无创定量诊断心肌类疾病的新方法。

　　临床上普遍存在的一个问题就是由不同的医生采用不同的检测手段对患者进行诊断，一般会得出不同的结果。为解决矛盾并确诊，需将这些信息结合起来，虚拟心脏就提供了这样一个机会。有模型将重建的冠状动脉血流灌注和心肌功能结合起来，估计冠状动脉疾病的严重性［8］。他们将3D冠状动脉叠放在心脏之上，每一个冠状动脉段的供血区域由一种算法确定，并用3D彩图描述血流灌注和心脏功能之间的关系，将心脏的力学特性和冠状动脉疾病结合在一起来进行分析，取得了很好的效果。

　　随着计算机技术、医学成像技术和数学方法的发展，心脏机械模型和心脏电学模型不断完善，结合丰富的临床实验结果及分子学、生物化学、细胞学和解剖学方面的知识，可以建立集机、电、神经和生化控制于一体的虚拟心脏综合模型，这必将进一步加深对人体心脏的生理病理的认识，并具有非常大的应用价值。

　　3　药品研制

　　既然虚拟现实可模拟核爆炸取代沙漠中的实地实验，那么治疗心脏病的药品研制试验亦应能通过该项技术完成。日本有人基于简单的虚拟心脏进行了治疗心力衰竭的药物疗效的预测，测试数据与临床数据基本吻合［9］；美国公司则建立了基于临床实验结果的虚拟心脏，并运用了分子学、生化、细胞学、基因工程和解剖学方面的知识，能模拟心脏中细胞的功能，研究健康和病变情况下细胞的表现。该“心脏”综合了各类病变的起因和症状，包括心力衰竭、心率失常、心肌梗塞等常见病。通过对该“心脏”的分析和实验，可以研制治疗各种心脏疾病的药品并能确定其疗效，以减少新药品开发风险和降低研制成本。目前高技术含量的药品研制平均需64次临床实验、经历五年时间、耗资1.34亿美元才能进入市场，该技术的成功将使这一现状大为改观；另外，美国有科研机构利用虚拟现实技术研究药物分子与病原体结合的情况，以研制最有疗效的药物。

　　4　手术开窗

　　新加坡国立大学科研人员目前正研究开发一种4D虚拟心脏，在该“心脏”上可进行“手术”开窗。通过人机交互工具在虚拟心脏视图上模拟手术开刀，在计算机上显示出手术结果，充分暴露疾病，实现对病灶的空间定位，帮助外科医生制定周密的手术方案。利用这种与手术台上相吻合的可视环境，不仅可用于手术规划和结果预测工作，还能安排学生实习：可开展虚拟解剖学、放射学、内窥镜学等学科的计算机辅助教学，还可在此系统上亲眼观察专家的手术过程，也可动手实践。随着计算机网络的发展，虚拟现实技术与远程医疗也结合在一起，将医生在虚拟心脏上的手术过程通过计算机网络传输给异地的机器人或医生，进行遥控外科手术和显微外科手术［10］。

　　5　结束语

　　虚拟现实技术在生物医学工程研究领域的研究与应用正日益受到广泛的重视，将这一技术研究思想引入到心血管系统领域，可以进一步加深对人体心脏和心血管系统的生理病理的认识。虚拟心脏的研究是生物医学工程领域中具有挑战性的热点课题，涉及领域多，实现难度大，但其应用前景和价值是不可估量的。■

　　基金项目：国家自然科学基金(39700032)

　　参考文献：

　　［1］曾建超等.虚拟现实的技术及其应用.北京：清华大学出版社，1996.

　　［2］曾建超等.虚拟现实技术的发展现状与趋势.计算机世界.1995，12:20～25.

　　［3］Park J, et al.Quantification and visualization of the 3D nonrigid motion of the left ventricle. SPIE,1997,3033:298～308.

　　［4］Weixue L.Microcomputer-based cardiac field simulation model.Med.Biol.Eng.Comput.,1993,31:384～390.

　　［5］Weixue L, et al.Computer simulation of epicardial potentials using a heart-torso model with realistic geometry.IEEE Trans.Biomed.Eng.,1996,43:211～217.

　　［6］Weixue L, et al.A new approach to the inverse problem in electrocardiography. Med.Biol.Eng.Comput.,1996,34(supplement,part 2):37～38.

　　［7］Bovendeerd P, et al.Dependence of local left ventricular wall mechanics on myocardial fiber orientation:a model study. J.Biomech.,1992,25(10):1129～1140.

　　［8］Halmann M, et al.Relating coronary perfusion to myocardial function using three-dimensional reconstruction of heart and coronary arteries.Med.Biol.Eng.Comput.,1994,32:S144～S150.

　　［9］Tani J, et al.Identification of left ventricular viscoelastic properties. transcription Jpn. Soc.Mech.Eng.(Series C)55:1622～1627.

　　［10］王海舜等.虚拟现实技术在医学中的应用.计算机应用.1998，18(6)：41～42.