三維超聲自動容積導航技術在胎兒顱腦結構測量中的應用

郭爽萍 黃漢林 馬小燕 尚寧 林慧娟 林慧芳 安思微

廣州醫(yī)科大學附屬廣東省婦兒醫(yī)院超聲診斷科（廣州511400）

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）畸形是人類胎兒最常見的先天畸形之一，在活產(chǎn)胎兒中約占1%[1]，常見的畸形包括：小頭畸形、腦室擴張、腦積水、小腦延髓池擴張、全前腦、小腦及蚓部發(fā)育不良、蛛網(wǎng)膜囊腫和胼胝體發(fā)育不良等。其中，小頭畸形、腦室擴張、腦積水、小腦延髓池擴張、小腦及蚓部發(fā)育不良和胼胝體發(fā)育不良等畸形往往需要通過測量對比相關徑線作出診斷[2]。胎兒顱腦超聲檢查一直是產(chǎn)前超聲檢查的重點和難點，但其容易受胎兒體位、孕周大小限制，且對于操作者的技術要求較高，而中樞神經(jīng)系統(tǒng)畸形常常預后不佳，并且在許多情況下與遺傳綜合征相關，因此產(chǎn)前作出準確診斷意義重大[3]。

常規(guī)的二維胎兒超聲檢查方法測量雙頂徑、頭圍、側腦室、小腦橫徑和小腦延髓池寬度需要先獲取胎兒丘腦切面（trans-thalamic planes，TTP）、側腦室切面（trans-ventricular planes，TVP）和小腦切面（trans-cerebellar planes，TCP）等3個切面后再進行相應測量，耗時較長，且容易受胎位、顱骨聲影等因素影響，測量的質量和效率主要取決于檢查者的技術和經(jīng)驗。對于初學者，可能因為難以獲取測量的標準平面而需要較長時間才能使用實時二維超聲獲得胎兒數(shù)據(jù)。Smart Planes軟件技術是基于大數(shù)據(jù)的人工智能化識別系統(tǒng)，計算相關參數(shù)精確識別CNS檢查基本切面，通過獲取胎兒顱腦容積數(shù)據(jù)，應用自動導航技術自動顯示4個顱腦測量及診斷切面，但其臨床應用價值有待進行全面的臨床驗證，本研究旨在探討Smart Planes軟件技術在日常胎兒產(chǎn)科顱腦檢查中的臨床應用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象隨機選取2017年7-11月在廣東省婦幼保健院超聲科進行中孕期Ⅲ級產(chǎn)科彩色多普勒超聲檢查的胎兒299例，其中2例胎兒由于孕婦腹壁脂肪厚，未能獲取滿意的容積數(shù)據(jù)，Smart Planes無法識別4個顱腦檢查的標準切面，實際入選例數(shù)為297例。孕婦年齡17～44歲，平均（29.49±4.54）歲，孕周22～28周，平均23.43周，體質量指數(shù)（23.43±2.96）。選取病例均為單胎妊娠，研究中孕婦均有準確停經(jīng)史，或經(jīng)二維超聲測量評估的孕周與停經(jīng)史計算的孕周基本相符（≤2周）。排除標準：在11～13周頸項透明層增厚或妊娠前期檢查及本次篩查中發(fā)現(xiàn)結構或染色體異常的胎兒，以及缺少出生后隨訪結果的胎兒。

1.2 儀器采用邁瑞Resona7彩色多普勒超聲檢查儀，經(jīng)腹三維超聲容積探頭，頻率4～8 MHz，二維探頭頻率3.5～5.0 MHz。已預置了Smart Planes程序。

1.3 方法299例孕婦的數(shù)據(jù)采集由高年資醫(yī)生完成（主治醫(yī)師，從事產(chǎn)科超聲檢查6年），按孕周隨機抽取34名孕婦進行二次數(shù)據(jù)采集，由低年資醫(yī)生完成（住院醫(yī)師，從事產(chǎn)科超聲檢查工作2年）。所有數(shù)據(jù)采集經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準并征得孕婦知情同意。

采用二維超聲進行胎兒顱腦檢查，并獲得三個標準診斷切面：TTP、TVP和TCP。按照標準在丘腦平面測量胎兒雙頂徑（biparietal diameter，BPD）和頭圍（head circumference，HC），在側腦室平面測量側腦室（lateral ventricle，LVW），在小腦平面測量小腦橫徑（transverse cerebellar diameter，TCD）和小腦延髓池（cisterna magna，CM）寬度。記錄獲取第一個切面和完成最后一次測量的時間，以及兩者的時間差。在標準的胎兒顱腦二維超聲檢查之后，采用三維容積探頭獲取以小腦切面為初始平面的顱腦容積數(shù)據(jù)。每位孕婦最多進行3次三維超聲容積數(shù)據(jù)采集和Smart Planes成像，若3次均未獲得滿意的標準切面及測量數(shù)值則判定為失敗。根據(jù)胎齡，掃描獲取角度設置在45°和60°之間，以便完整掃描胎兒顱腦。為避開顱骨聲影干擾，小腦切面的中線與水平線呈30°～45°角，采集前囑孕婦屏住呼吸。采集完成后選擇“Smart Planes”鍵并按下“自動測量”，系統(tǒng)自動重構四個顱腦診斷切面，并自動測量與之前二維超聲相同的數(shù)值（圖1）。記錄二維檢查結束和三維檢查結束之間的時間以及兩者的間隔時間。

1.4 統(tǒng)計學方法本研究采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)，使用組內相關系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）、Bland-Altman分析二維超聲和Smart Planes軟件對胎兒顱腦測量的一致性及可重復性，ICC＞0.75認為一致性較好。比較兩項檢查技術所需時間并通過Mann-WhitneyU檢驗進行差異分析，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 獲取成功率在本組299例研究對象中，Smart Planes軟件成功分析了297例胎兒三維容積，成功率為99.3%（297/299），而在其余2例中由于孕婦腹壁脂肪厚，軟件無法識別4個診斷切面，失敗率為0.7%（2/299）。

2.2 ICC的一致性統(tǒng)計結果顯示二維超聲和Smart Planes軟件獲得的BPD、HC、LVW和TCD測量值均具有較高一致性，ICC分別為0.965、0.948，0.849和0.828，而CM測量值ICC為0.725（表1）。同一位操作者利用二維超聲和Smart Planes軟件重復兩次測量一致性較好，不同操作者間二維超聲和Smart Planes軟件重復兩次測量BPD、HC、LVW和TCD一致性較好，重復兩次測量CM一致性較低（表2、3）。

圖1 使用Smart Planes自動測量后獲取的4個切面及測量數(shù)值Fig.1 Four planes and their measurement values obtained by Smart Planes automatically

表1 二維超聲和Smart Planes軟件測量胎兒顱腦結構一致性分析Tab.1 Consistency analysis of fetal brain structures measured with two-dimensional ultrasound and Smart Planes

2.3 Bland-Altman的一致性Bland-Altman分析二維超聲和Smart Planes軟件測量一致性，結果顯示BPD、HC、LVW、TCD和CM測量值中分別有5.05%（15/297）、6.40%（19/297）、5.72%（17/297）、6.40%（19/297）和6.06%（18/297）的點在95%一致性界限（95%limits of agreement，95%LoA）之外；在一致性界限范圍內，二維超聲與Smart Planes軟件測量BPD、HC、LVW、TCD和CM數(shù)據(jù)差值的絕對值最大分別為0.27、1.07、0.22、0.30和0.34，兩種方法測量結果平均值分別為5.95、21.87、0.51、2.68和0.57（圖2）。除CM測量值之外，兩種方法所獲得的BPD、HC、LVW和TCD測量值的差值幅度在臨床上可以接受，因此認為二維超聲和Smart Planes軟件在BPD、HC、LVW和TCD測量中具有較好的一致性。

表2 同一位操作者二維超聲與Smart Planes軟件重復測量一致性分析Tab.2 Consistency analysis of repeated measurements with two-dimensional ultrasound and Smart Planes software by the same operator

表3 不同操作者二維超聲與Smart Planes軟件重復測量一致性分析Tab.3 Consistency analysis of repeated measurements with two-dimensional ultrasound and Smart Planes by different operators

圖2 Bland-Altman分析二維超聲和Smart Planes軟件測量的一致性Fig.2 Consistency analysis using two-dimensional ultrasound and Smart Planes by Bland-Altman method

2.4 SmartPlanes軟件與二維超聲獲取時間比較 使用Smart Planes軟件分析胎兒顱腦數(shù)值所需平均時間為13.7 s（范圍10～39 s），明顯短于用二維超聲技術獲得相同測量所需的49.0 s（范圍26～82 s）（U=57.0，Z=-21.175，P＜ 0.0001）。高年資醫(yī)師采用二維超聲或Smart Planes軟件完成胎兒顱腦數(shù)據(jù)測量所需時間均短于低年資醫(yī)師（分別為47.6 svs83.7 s，P＜ 0.0001；12.8 svs15.1 s，P＜0.000 1）。

3 討論

胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)的胚胎發(fā)育是一個極其復雜的過程，在不同時期具有不同的腦內結構表現(xiàn)，加之腦內結構復雜，因此獲得準確的胎頭測量數(shù)據(jù)對評估胎兒生長和胎兒大腦正常發(fā)育對于產(chǎn)前診斷有至關重要的作用。

3.1 顱腦超聲檢查現(xiàn)狀目前使用的二維超聲技術檢查質量取決于兩個步驟：首先獲取標準的診斷平面，然后在凍結圖像上進行人工測量，這兩個步驟的效率除了受胎兒位置及胎動影響，主要還取決于操作者的技能和經(jīng)驗。對于某些顱內疾病，如胎兒胼胝體部分性缺失或發(fā)育不良，即使二維超聲橫切面上有一些間接征象可以作為產(chǎn)前診斷的線索[4]，但漏診率高，且作出準確診斷仍需獲取正中矢狀面。三維超聲有助于超聲醫(yī)生獲得診斷切面，這項技術可以讓我們獲得所有胎兒顱腦的容積數(shù)據(jù)，重建胎兒顱腦疾病診斷所需的標準切面[5]。斷層超聲成像（TUI）是一種新的 3DUS 顯像和觀察模式，利用容積超聲原理對所采集的容積數(shù)據(jù)進行多方位斷層，能獲得與二維超聲相似的斷面，還可利用容積數(shù)據(jù)的獲取，在短時間內完成對胎兒的檢查，數(shù)據(jù)可在脫機后進行后處理，可對感興趣的區(qū)域進行多平面顯示。然而，后處理的操作步驟較為繁瑣，需要一定的經(jīng)驗和技巧，因此限制了其臨床應用，不適合作為常規(guī)技術應用于胎兒顱腦數(shù)據(jù)的測量。盡管已有部分研究開發(fā)了一些程序用于胎兒大腦3D重建[6-7]，但這些方法需要操作者在獲得容積數(shù)據(jù)后進行后處理，因此需要操作者具有三維取樣和確定診斷切面的技術和經(jīng)驗。RIZZO等[8]利用5D CNS軟件，從丘腦平面獲得三維胎兒顱腦容積后，可重建胎兒顱腦的三個軸平面，獲取TCP、TTP、TVP和MSP四個切面，再由5D CNS軟件完成胎兒顱腦數(shù)據(jù)測量，得到BPD、HC、LVW、TCD和CM的測值，但其識別和測量需要在激活5D CNS功能后手動將兩個參考點分別放置于丘腦中部和透明隔腔，無法做到一鍵獲取切面并測量。

3.2 自動容積導航技術的應用前景與局限性應用Smart Planes軟件只需在小腦切面獲取胎兒顱腦容積數(shù)據(jù)，點擊“Smart Planes”按鈕，系統(tǒng)便可自動識別并輸出TCP、TTP、TVP和MSP，獲得自動測量所在標準切面的胎兒評估參數(shù)。重建的正中矢狀面也有助于我們診斷胎兒腦中線的結構畸形，包括胎兒胼胝體缺失、小腦蚓部發(fā)育不良和后顱窩囊性病變[9-10]。

在本次研究中，299例接受中孕期Ⅲ級產(chǎn)科彩色多普勒超聲檢查的孕婦中，除了2例由于孕婦腹壁脂肪過厚，獲取圖像較模糊，軟件無法識別4個診斷切面外，其余99.3%均可以實現(xiàn)胎兒顱腦的自動測量，且使用Smart Planes軟件分析胎兒顱腦數(shù)值所需平均時間為13.7 s，明顯短于應用二維超聲技術獲得相同測量所需的平均時間（49 s）。高年資醫(yī)師采用二維超聲完成胎兒顱腦數(shù)據(jù)測量所需時間明顯短于低年資醫(yī)師（47.6 svs83.7 s），而使用Smart Planes軟件獲取測量數(shù)據(jù)時，兩者的差異明顯縮短（12.8 svs15.1 s），可見Smart Planes軟件對于低年資經(jīng)驗較少的醫(yī)師可以顯著縮短檢查時間，提高檢查效率。統(tǒng)計分析表明二維超聲與Smart Planes軟件在BPD、HC、LVW和TCD測量結果中具有較高的一致性和可重復性。但是，在對胎兒CM測量中發(fā)現(xiàn)二維超聲與Smart Planes軟件結果一致性不佳，可能的原因有：（1）正常CM深度數(shù)值較小，不同操作者之間或同一操作者采用不同測量方法均可能造成比較大的誤差。（2）CM的準確測量依賴于標準的二維超聲切面，當胎兒活動度大，孕婦腹壁脂肪厚，胎頭位置低，無法獲取標準的二維超聲切面，也就不能獲得準確的頭顱三維容積數(shù)據(jù)，CM測量值則會偏離實際大小[11]。（3）胎動會產(chǎn)生很大的混響偽影并形成通過CM中心的類似于骨骼的高回聲結構[12]，導致機器自動識別錯誤。（4）因小腦鐮存在而在CM內部出現(xiàn)高回聲分隔[13]，容易使Smart Planes軟件誤認為是顱骨邊緣而出現(xiàn)識別錯誤。（5）當枕部的顱骨與超聲聲束平行時，會出現(xiàn)回聲失落，可能導致識別不準確。上述原因說明Smart Planes軟件測量胎兒CM可能存在一定局限性。

3.3 本研究的局限性顱腦容積數(shù)據(jù)是由在胎兒檢查方面有豐富經(jīng)驗的醫(yī)師獲得的，其水平可能高于一般超聲檢查者，因此，在妊娠中期常規(guī)超聲檢查時，成功獲得診斷切面及測量數(shù)據(jù)的比例可能會更低。另外，本研究只針對于接受中孕期Ⅲ級產(chǎn)科彩色多普勒超聲檢查的孕婦（妊娠22～28周），對于不在此孕周范圍內的胎兒，其獲取成功率及可重復性有待今后進一步研究。

綜上所述，自動容積導航技術（Smart Planes）能夠較好地獲取胎兒顱腦檢查切面，減少胎兒顱腦基本測量所需的檢查時間，提高妊娠中期超聲檢查的工作效率，為評估胎兒顱腦發(fā)育提供了更簡便、有效的方法，有利于較少經(jīng)驗的操作者進行胎兒顱腦疾病的診斷及基礎研究。