Real-time Volumetric Imaging for Minimally-Invasive Thoracic Interventions: A Deformable Phantom Study
本研究表明，VoxelMap 这一深度学习框架能够利用可变形体模，通过临床 C 型臂系统上的二维荧光投影，生成准确且实时的呼吸运动三维体素图像，其中模型不确定性可作为预测准确性的可靠指标。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在人体胸腔内部，肺部从未静止。随着每一次呼吸，它们扩张与收缩，改变着血管、气道以及其中任何肿瘤或器械的位置。对于执行活检或肿瘤治疗等精细手术的医生来说，这种持续的运动造成了一个难题。他们依赖于 X 射线荧光透视技术，这种技术可以提供人体内部的连续实时视频，非常类似于一场现场直播。然而，这种视频是二维的，是一个隐藏了人体解剖学真实三维深度的扁平影子。为了观察结构的完整形状和位置，医生必须暂停手术来获取三维扫描，例如锥形束计算机断层扫描（CBCT）。但这些扫描只是时间中的快照；它们不会随着患者的呼吸而更新，当医生查看它们时，解剖结构可能已经发生了移动。目前，使用标准的 X 射线设备无法获得能够持续更新的胸部三维视图。
一个研究小组开发了一种新方法来弥补这一差距，利用人工智能从标准的二维 X 射线图像中重建移动的三维体积。他们的工作在人体肺部的物理模型上进行了测试，证明了在不中断手术的情况下，生成实时三维呼吸解剖图是可能的。这个被称为 VoxelMap 的系统通过分析 X 射线视频中不断变化的阴影，学习预测胸部内部如何随每次呼吸发生形变。如果成功，这项技术将允许医生通过一个不断更新的三维指南来引导器械穿过肺部，从而在无需重复进行高辐射扫描的情况下提高精准度和安全性。
研究人员使用两个不同的物理模型（或称仿体）来测试该系统，这些模型旨在模拟人体胸腔及其呼吸运动。第一个模型被称为 PixelPrint4D，是一个旨在模仿特定患者肺部的单肺仿体，配备了模拟的肿瘤和血管。第二个被称为 Casper，是一个更全面的整个人体躯干模型，包括肋骨和会真实移动的胸壁。这两个模型都被放置在一台临床 X 射线机中（即医院手术室中常见的类型），并被设定为通过十个不同的相位（从深吸气到完全呼气）进行呼吸循环。团队利用这台机器捕捉了模型运动过程中数千张二维 X 射线图像。随后，他们利用这些图像训练了一个深度学习网络（一种人工智能），以理解扁平的 X 射线阴影与底层三维形状之间的关系。
为了确保系统能够应对现实世界呼吸的不可预测性，研究人员在训练 AI 时使用了大部分呼吸相位，但特意留出了一个相位未包含在训练数据中。然后，他们要求系统仅使用该时刻拍摄的二维 X 射线图像，来预测肺部在该缺失相位时的三维形状。他们将 AI 的预测结果与该时刻仿体实际进行的三维扫描进行对比，以观察匹配程度如何。结果显示，系统可以准确地重建三维解剖结构。在每一次测试中，预测的图像在结构细节方面都与真实扫描具有高度的相似性，且系统在处理更复杂的躯干模型时表现得比在单肺模型上更好。其准确度之高，使得预测图像在结构细节上几乎与“地面真值”（ground truth）无法区分。
对于这项技术在实时医疗环境中的应用而言，速度与准确性同样至关重要。研究人员测量了计算机处理单张 X 射线图像并生成相应三维体积所需的时间。系统完成此任务的时间不到 15 毫秒，这一速度足以跟上 X 射线机捕捉新帧的连续流。这意味着三维视图理论上可以随着 X 射线机捕捉新帧的速度同步更新，为医生提供一个无缝的实时指南。
除了生成图像之外，研究人员还想知道系统是否能告知医生它何时可能出错。在医疗应用中，了解计算机预测是否可靠至关重要。为了测试这一点，他们使用了一种称为“深度集成”（deep ensemble）的技术，即让五个略有不同的 AI 模型协同工作来进行预测。通过观察这五个模型之间的分歧程度，系统可以计算出不确定性度量。研究发现，这种不确定性与预测误差之间存在明确的联系：模型之间的分歧越大，预测就越不准确。这表明该系统可以提供一个内置的警告信号，在 AI 对其重建结果缺乏信心时，提醒医生更加谨慎。
该研究证实，在临床环境下，可以从标准的二维 X 射线投影中推导出准确且持续更新的三维信息。该系统在两个截然不同的胸部物理模型上均表现有效，保持了高准确度和高速度。虽然这项研究是在物理模型而非人类患者身上进行的，但它建立了一个至关重要的概念验证。研究人员指出，仍需进一步开展工作，以测试该系统在真实患者数据上的表现，并确保其能够处理人类呼吸和解剖结构的完整变异性。然而，研究结果表明，该技术已准备好从实验室走向临床试验，为医生提供一个未来前景：无需停止手术，即可看到完整的、移动的三维胸部景观。
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