虛擬現(xiàn)實技術在心血管疾病領域的應用

石晨卉 周亞萍 林冬銘 黃抒偉

我國城鄉(xiāng)居民總病死原因中，心血管疾病居首位，占居民疾病死亡率構成的40%以上，且患病人數(shù)持續(xù)增長[1]。心血管疾病的診療康復一直是世界關注的熱點。隨著大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)應用的興起，計算機仿真技術在心血管疾病領域中的應用也不斷增多。虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術是以計算機技術為核心，結合圖形學、仿真技術、傳感技術等多學科交叉的一項前沿科技[2]。該技術的應用能夠生成逼真的感覺世界，讓用戶使用人的自然技能，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等，對虛擬世界進行感知交互，模擬真實體驗。國內外對VR 在心血管疾病領域的研究從初步認知逐漸進入了一個新的層面。本文將進一步闡述VR 技術在心血管疾病領域的應用。

1 VR 技術在心血管疾病教學領域的應用

1.1 VR 提升對心臟解剖學的理解掌握 VR 技術已經(jīng)實現(xiàn)了超越二維屏幕的能力，在醫(yī)學領域可以使醫(yī)學生能夠非侵入性地理解三維器官解剖。國內外學者紛紛將VR 技術引進課堂，充實解剖課，加深學生對心臟解剖的三維立體感，從而使學生能夠更加客觀深刻地理解心臟基礎解剖結構與復雜的血流動力學狀態(tài)。Triepels 等[3]對1148 篇文章薈萃分析發(fā)現(xiàn)，以考試分數(shù)為評價體系，基于計算機、VR 或增強現(xiàn)實的3D 學習方法優(yōu)于傳統(tǒng)解剖學教學。而多倫多大學的Maresky 博士對42 名醫(yī)科一年級學生進行了一項對照研究，在學習心臟解剖學之前，使其中的14 人參加了VR 心臟解剖學模擬學習的課程，在隨后測試中，發(fā)現(xiàn)接受VR 模擬的學生得分比對照組高23.9%（P＜0.001）[4]。李林林等[5]在阜外醫(yī)院根據(jù)患者構建的先天性心臟病的VR 心臟解剖模型并且開展了相關VR 課程，18 名學員體驗了教學，得出了使用VR 的教學方式具有良好的教學效果，能夠滿足心血管外科學培訓要求的結論。VR 技術提供了一個身臨其境的視覺空間環(huán)境，允許學習者與心臟解剖模型進行三維互動。而且有許多公司提供解剖課程的交互式人體解剖學3D 模型資源，比如Sketchfab軟件等，可以在PC、Mac 和移動設備應用，加強醫(yī)生的學習便利性。

1.2 VR 輔助培訓心血管疾病手術操作技能 VR技術在外科醫(yī)生手術培訓的應用中已經(jīng)十分成熟，特別是在腹腔鏡手術中的應用[6-8]。但目前心臟介入手術住院醫(yī)生都是在導管室接受傳統(tǒng)的學徒制培訓，培養(yǎng)一名能夠獨立操作的醫(yī)生不僅周期長，而且接受的輻射累計量多。Popovic 等[9]在研究中評估了VR 在冠狀動脈造影模擬訓練中的有效性，此研究由20 名心臟科住院醫(yī)師參與其中，得出了與傳統(tǒng)基于導管室操作培訓相比，基于VR 模擬器的冠脈造影培訓提高了學員技能的結論。Raad 等[10]調查了美國26 位綜合胸外科住院醫(yī)師項目主任，他們一致認為利用VR 操作的機器人手術培訓可以引用到胸腔綜合外科住院醫(yī)師計劃的擬議課程中，從而解決了大部分醫(yī)生現(xiàn)實中欠缺培訓機會和練習時長的問題。而且VR 技術具有很強的適應性，軟件更新使得新研發(fā)的資料可以實時導入硬件設備中，充實教育深度。利用MRI 與CT 可以進行三維成像（例如磁共振血管成像、3D 旋轉血管成像等），可以將一些罕見患者的圖像錄入到VR 教學數(shù)據(jù)庫中，以擴充醫(yī)生對疾病的認知及處理的廣度。

2 VR 技術在心血管疾病手術領域的應用

2.1 VR 簡化心血管疾病術前評估 隨著科技不斷地發(fā)展，VR 技術已經(jīng)可以將平面的數(shù)據(jù)轉換為立體可視化影像資料。患有復雜心血管疾病的患者往往需要對其進行個性化的判斷，VR 具有的交互式渲染3D 環(huán)境非常適合用來幫助制定其術前計劃。Ong等[11]就展示了VR 技術在2 例患有復雜冠心病的嬰兒術前計劃中的新應用。團隊利用VR 演示了患者心內外解剖結構的交互式實時3D 視圖，并據(jù)此討論制定術前計劃。Knecht 等[12]在指導成人先天性心臟病心律失常導管消融的術前計劃中，利用3D 打印技術和VR 進行心臟解剖成像評估。VR 技術參與的術前評估與傳統(tǒng)影像評估相比，其渲染環(huán)境技術造成的沉浸感可以更直觀地呈現(xiàn)手術相似環(huán)境。這種實時視圖在小組協(xié)作討論上具有便利性和準確性，是對傳統(tǒng)術前計劃方法的有益補充。VR 還有一個優(yōu)勢，那就是實時互動性。每個復雜心臟病患者的影像學資料術前都可以同時展示給相關心血管醫(yī)生、外科醫(yī)生、干預學家、麻醉師等人。不同地域的醫(yī)生通過實時VR 交流，可以實現(xiàn)更好的術前評估。

2.2 VR 緩解心血管疾病患者術前焦慮 心血管疾病術前圍手術期患者通常存在焦慮狀況，即使已經(jīng)宣教充分，但仍有部分患者夜間無法入睡，導致術前血壓，心率遠超于正常指標，少數(shù)患者還需服用藥物控制焦慮。Park 等[13]在對80 名兒童在家長的陪同下進行術前VR 手術室之旅的研究中表明，家長與孩子共同體驗VR 之旅，對降低孩子和家長的術前焦慮都是有效的。斯坦福大學露西爾·帕卡德兒童醫(yī)院進行的VR 項目，該計劃是在手術前一周利用VR 頭戴式耳機使患者反復觀看圍術期術前將經(jīng)歷的過程，為患者提供完全身臨其境的體驗。該項目旨在減輕計劃進行心血管手術患者的焦慮和壓力[14]。近年來，許多證據(jù)表明VR 通過為患者提供身臨其境的體驗結合傳授正念思想，使得接受心臟手術的患者緩解手術相關焦慮，為患者緩解心臟手術術前情緒提供了一項有利的方法。

2.3 VR 提升心血管疾病手術效能 VR 技術在心血管疾病手術中的應用目前還處于初期階段。以色列施耐德兒童醫(yī)學中心的兒科心臟病小組與Realview Medical Image 公司進行合作，目的是評估在標準心導管實驗室創(chuàng)建實時3D 數(shù)字全息圖的可行性[15]。Realview 的高精度的實時3D 全息圖是使用3D旋轉血管造影和3D 經(jīng)食管超聲心動圖相結合創(chuàng)建的，可以實現(xiàn)包括全息圖像切換、標記、裁剪、縮放、旋轉等流暢操作。這是第一次在心導管實驗室內證明這類研究的可行性。而美國的Opolski 團隊進行了一例真人概念驗證，將谷歌眼鏡（具有顯示和捕獲圖像和視頻的能力，且可以同時與周圍環(huán)境互動的光學頭盔顯示器的設備）應用到手術中。三維CT 重建虛擬現(xiàn)實影像可以投影到眼鏡的玻璃屏幕上用來指導經(jīng)皮血運重建慢性閉塞的右冠狀動脈中[16]。這種穿戴式可視VR 提高了介入醫(yī)生舒適度和操作效率。在心臟外科手術中，手術室3D 工作站可以對心臟解剖和幾何結構進行準確評估，尤其在患者接受體外循環(huán)和心臟減壓后。而且隨著未來VR 技術逐步成熟地應用在心血管疾病術中，其作用將不僅僅局限于立體沉浸式地展現(xiàn)心臟心血管三維重建圖。

3 VR 技術在心臟康復領域的應用

3.1 VR 與心臟康復的聯(lián)系 心臟康復是二級預防心血管疾病的主要手段，使用包括有氧體力活動，心理指導在內的多學科行為生活方式調整方法，目的是改善心臟功能，減少再次住院，并提高患者生活質量[17-18]。國內外學者結合心臟和心理兩方面提出的雙心醫(yī)學，認為從病理生理學角度來看，不良的精神狀況與神經(jīng)內分泌功能障礙、炎癥、內皮功能受損等因素密切相關[19-20]。VR 技術以其沉浸式及便利性等優(yōu)勢可以促進心血管疾病患者的軀體康復與心理康復，目前開始運用在心臟康復各個階段中。

3.2 VR 豐富早期心臟康復手段 早期心臟康復包括Ⅰ期和Ⅱ期心臟康復，Ⅰ期心臟康復是在住院期間開展的心臟康復，而Ⅱ期心臟康復即院外早期康復[18]。Lucas 等[21]進行了一項應用VR 對心臟外科手術患者進行康復治療的研究，得出利用VR 作為輔助康復治療的患者具有獨立性強、精力充沛、疼痛少、住院時間短、行走能力強等優(yōu)勢的結論。Ⅱ期心臟康復是心臟康復的核心時期，但是值得注意的是，Humphrey 等[22]回顧研究發(fā)現(xiàn)，在歐洲28 個國家/地區(qū)受訪者中，22 個國家（79%）的心力衰竭患者很少或通常沒有獲得Ⅱ期心臟康復。有多因素造成這個不良結果，首先，專業(yè)康復指導人員不足，其次，傳統(tǒng)的心臟康復項目雖然易于操作但是較為枯燥。而VR通過游戲進行的物理互動，使患者參與具有治療目的的游戲，并根據(jù)患者能力調整游戲強度水平，進一步促進患者參與積極性，從而增加對康復治療的堅持。目前在康復中使用Microsoft Kinect 的研究和項目也開始出現(xiàn)。Kinect 系統(tǒng)最初是為Xbox 游戲機開發(fā)的3D 體感攝影機，后被應用于醫(yī)學康復領域。而利用Kinect 開展身體康復系統(tǒng)，增強了患者堅持身體康復的動力，提高了患者的自覺性和獨立感[23]。近年來更多游戲領域的VR 技術經(jīng)過醫(yī)生及專業(yè)康復師的調整和監(jiān)督被用于早期心臟康復中。

3.3 VR 拓展家庭心臟康復前景 Ⅲ期心臟康復也稱社區(qū)或家庭康復期，此期的關鍵是維持已形成的健康生活方式和運動習慣[18，24]。國外大量研究證明，急性心肌梗死、心力衰竭等疾病都易致使患者產生抑郁障礙，降低患者對心臟康復的積極性[20，25]。鑒于全世界心血管疾病的經(jīng)濟負擔日益增加，開發(fā)一種合適社區(qū)及家庭的心臟康復方法變得越來越重要。運動型VR 游戲的設計提供了趣味性康復的可能性，并且它還可以通過網(wǎng)絡進行實時互動，培養(yǎng)患者良好的人際交流，康復進程也能及時反饋于專業(yè)的康復師。目前承載游戲的設備類似于微軟Kinect，任天堂Wii 等推出的視頻游戲機市場售價已經(jīng)在普通患者可接受范圍內。Vieira 等[26]進行了一項為期6 個月對冠心病患者的家庭心臟康復專項鍛煉研究。在VR 和傳統(tǒng)康復環(huán)境中對比，結果表明VR 提高了患者選擇性注意和沖突解決能力。因此在未來幾年，不斷提高的新技術會使VR 作為心臟康復的常規(guī)選擇。

4 小 結

從術前計劃到術中使用，從患者心臟康復到醫(yī)生教育培訓，VR 在心血管疾病方面的應用和益處正在逐漸積累。各大公司對硬件和軟件的不斷創(chuàng)新，提高了VR 保真度，增強了用戶沉浸感。技術逐步的優(yōu)化使得VR 系統(tǒng)處理器在應對復雜任務時的運轉速度不斷加快。但是VR 技術也存在著不足，其主要依托的顯示設備為頭戴式顯示器，只能在視場和角度分辨率之間做出折中處理，未能做到宣傳上的所見即所得。而且VR 產生的沉浸感會使部分患者暈眩。目前大型公司比如微軟等也在著手研發(fā)全息投影用來解決設備限制問題，而專業(yè)技術人員與醫(yī)療團隊通力協(xié)作，大范圍規(guī)避易致暈眩的VR 場景。科技的不斷進步使得VR 在心血管疾病領域具有一席之地，逐步深入與優(yōu)化VR 研究應用，為其今后發(fā)展拓寬了道路。