增強現(xiàn)實技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展

朱聰，柏亞明，藺偉岸，余松華，王騰，張桂敏

昆明醫(yī)科大學(xué)附屬心血管病醫(yī)院云南阜外心血管病醫(yī)院心臟外科，昆明650000

主動脈夾層是主動脈內(nèi)膜及部分中層撕裂后，血液經(jīng)此撕裂口進(jìn)入中層，受主動脈壓力驅(qū)動，形成中層不同程度和范圍的剝離，從而形成真、假腔的病理改變［1］。目前臨床工作中常按照夾層原發(fā)破口的部位和累及范圍分為Stanford 和DeBakey 兩種，前者分為A、B 型，后者分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Stanford A 型主動脈夾層的夾層一般由升主動脈根部起，對升主動脈造成侵犯，也可涉及到主動脈弓部［2］。增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented-reality，AR 技術(shù)）是一種將計算機自動產(chǎn)生的虛擬網(wǎng)絡(luò)信息與真實用戶所能身處的真實世界有機結(jié)合的新興信息技術(shù)，是現(xiàn)代虛擬信息實現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)中的一個重要技術(shù)分支［3］。AR 技術(shù)功能的實現(xiàn)建立在視覺技術(shù)基礎(chǔ)上，它通過構(gòu)成虛擬對象，并借助傳感技術(shù)將虛擬對象寫入增強現(xiàn)實系統(tǒng)之中，使虛擬對象、真實環(huán)境共同呈現(xiàn)在立體顯示設(shè)備之中，從而提升用戶的感官效果。隨著科技的發(fā)展，AR 技術(shù)在工業(yè)、軍隊、醫(yī)學(xué)和教育等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［4］。目前AR 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各外科的臨床工作中，且在Stanford A 型主動脈夾層術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、教學(xué)培訓(xùn)、醫(yī)患溝通等方面有明顯的優(yōu)勢和廣闊的前景，現(xiàn)將AR 技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，探討AR 技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層應(yīng)用的可行性、臨床影響及發(fā)展趨勢。

1 AR 技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)術(shù)前規(guī)劃中的應(yīng)用

目前胸腹主動脈CT 血管造影（CTA）是臨床診斷主動脈夾層的金標(biāo)準(zhǔn)，并能明確顯示出主動脈真假腔、內(nèi)膜片、破口位置及分支血管受累情況，診斷準(zhǔn)確率高［5］，心血管結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系非常復(fù)雜、多變，隨著經(jīng)皮介入和外科技術(shù)的發(fā)展，心臟外科醫(yī)生急需對這一復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間識別，但是傳統(tǒng)的二維圖像通常是不直觀的［6］，行CTA 檢查時易受到視野盲區(qū)、患者體位等方面的影響，一方面會大大降低診斷準(zhǔn)確率；另一方面，CTA 檢查無法看清血管內(nèi)部的病變，術(shù)者可能面臨血管內(nèi)部條件差、血管內(nèi)部斑塊的問題，使手術(shù)中的不確定性增加。Stanford A 型主動脈夾層是一種對患者生存質(zhì)量造成嚴(yán)重影響的心血管疾病，該疾病大多是通過手術(shù)進(jìn)行治療，且近年來手術(shù)率明顯提高。據(jù)統(tǒng)計，20 世紀(jì)90 年代末Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)率為79%，至今已上升到90%［7］，孫立忠等［2］在Stanford 分型的基礎(chǔ)上對Stanford A 型主動脈夾層又進(jìn)一步的細(xì)化，這對制定手術(shù)方案有著重要的作用，比如是否需要主動脈根部的重建、主動脈弓置換的范圍以及象鼻支架的使用等［8］。傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃的制定通常是通過分析CTA 數(shù)據(jù)，但是依據(jù)二維影像較難形成對Stanford A 型主動脈夾層解剖結(jié)構(gòu)和分型清晰的認(rèn)知，導(dǎo)致出現(xiàn)規(guī)劃遺漏、重點信息缺失等問題，令手術(shù)風(fēng)險增加，也為醫(yī)生間的交流帶來了困難。由此，AR 技術(shù)為心臟外科醫(yī)師提供了良好的術(shù)前規(guī)劃幫助，將傳統(tǒng)的CTA 影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入AR 系統(tǒng)后，將生成更為客觀、精準(zhǔn)和個體化的數(shù)字化3D 模型［9］，可較為清晰地觀察到破口位置、病變累及的范圍，并對其重要的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記、染色，比如原發(fā)破口真假腔部位、病變累及主動脈根部和弓部及三分支血管的情況等，從而更加直觀地識別術(shù)野，確定手術(shù)路徑，極大地降低了副損傷及其他并發(fā)癥［10］，同時有利于醫(yī)生對患者的病情與病癥做進(jìn)一步地分析，對手術(shù)的風(fēng)險加以評估，使手術(shù)方案的制定更具針對性。LOW 等［11］通過使用AR 技術(shù)對術(shù)前進(jìn)行合理規(guī)劃，針對病變位置與相關(guān)情況進(jìn)行了綜合分析，從而有效地防止引流靜脈的損傷。張俊新等［12］運用AR 技術(shù)對85 名肝臟腫瘤患者進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃后，證實了術(shù)前訓(xùn)練切除的肝臟體積與實際術(shù)中切除的體積統(tǒng)計學(xué)上具有相關(guān)性。此外，手術(shù)方案確定之后，可運用AR 系統(tǒng)之中的圖像分割以及三維可視技術(shù)等對患者的二維影像資料做進(jìn)一步處理，極大地縮短手術(shù)時長。因此，面對Stanford A 型主動脈夾層這種解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、血管內(nèi)部結(jié)構(gòu)多變、分型種類繁多的疾病，相較于傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查方法，AR 技術(shù)可以制定更加精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃。

2 AR 技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用

在Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)治療的過程中，明確原發(fā)破口的位置以及假腔所累及的范圍，對手術(shù)成功率的提升至關(guān)重要。在手術(shù)中，可將患者術(shù)前制作好的數(shù)字化3D 模型導(dǎo)入AR 系統(tǒng)之中，隨后將Hololens 全息眼鏡連接到計算機，其輸出的數(shù)字化3D 模型不會遮擋真實的環(huán)境，而是將虛擬模型疊加在真實環(huán)境上。術(shù)者佩戴該眼鏡進(jìn)行觀察，并通過手勢和語音命令操縱全息圖來了解病變的解剖位置，準(zhǔn)確判斷病灶，在不做任何切口的情況下直視機體內(nèi)在的組織結(jié)構(gòu)，即可“看穿”患者的皮膚［13］，降低了術(shù)者主觀因素帶來的影響，使其對手術(shù)的指導(dǎo)更加精準(zhǔn)［14］，且對于術(shù)中主動脈周邊重要組織的保護(hù)以及減少術(shù)中并發(fā)癥有著重要的意義。AR 技術(shù)在其他類型的手術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)了良好的效果。BISSON 等［15］在腰椎間盤切除術(shù)中引入了AR 技術(shù)并對腰椎周圍的解剖結(jié)構(gòu)添加注解，幫助術(shù)者更好地定位，從實踐來看具有較強的輔助定位效果。另有學(xué)者指出，使用AR 技術(shù)重建后的三維圖像具有高度精準(zhǔn)性，與人體位置的誤差多為1. 0 mm。CHO 等［16］在36 例骨腫瘤切除手術(shù)中運用了AR 技術(shù)，其結(jié)果表明虛擬模型與自體組織切除的誤差＜6. 00 mm。 OKAMOTO等［17］使用AR 技術(shù)對3 例患者進(jìn)行肝細(xì)胞癌切除術(shù)，手術(shù)實際切除線與術(shù)前線之間的差值約為5 mm，使鄰近血管得以保留，并且與常規(guī)的手術(shù)相比，每次手術(shù)所需的時間沒有延長且失血量少。SUENAGA 等［18］運用AR 技術(shù)進(jìn)行口腔頜面部手術(shù)模擬，研究結(jié)果顯示，實體模型與虛擬模型各點之間的差值均未超過1 mm，表明兩者模型具有較高的精準(zhǔn)度。AR 技術(shù)的優(yōu)勢在于手術(shù)過程中虛擬模型并不會隨術(shù)者觀察角度的改變而出現(xiàn)某些變化，術(shù)者在手術(shù)過程中使用跟蹤手勢和語音命令的組合將模型手動導(dǎo)入到特定患者中，通過AR 技術(shù)識別深層血管的位置，并與傳統(tǒng)影像學(xué)獲得的位置進(jìn)行比較，使在手術(shù)過程中避免損傷主動脈周圍深層血管。通過AR 技術(shù)能夠精準(zhǔn)定位主動脈夾層破口的位置，以及測量病變累及主動脈弓的范圍，可提前選取對應(yīng)的人工血管型號并對其剪裁，加快手術(shù)的進(jìn)行、降低麻醉時間和術(shù)后并發(fā)癥。然而，AR 技術(shù)中的術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)目前還處于發(fā)展階段，并且在Stanford A 型主動脈夾層的術(shù)中應(yīng)用還存在許多問題，包括：①術(shù)中當(dāng)需要在血管上操作時，因?qū)嵸|(zhì)變形，使得術(shù)中組織和預(yù)先建立的虛擬模型存在較大的差異；②技術(shù)支持不足，未能夠和患者的實際情況相匹配；③虛擬模型有可能會遮蔽實際手術(shù)區(qū)域的一部分［19］；④HoloLens全息眼鏡可掃描物體，但是又存在圖形模糊的問題，需要通過軟件來解決這種困難，從而使設(shè)備得以更好的運行，但是這樣就會使成本增加，限制其技術(shù)的推廣［20］。

3 AR 技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

Stanford A 型主動脈夾層發(fā)病急，且該病常累及多器官，術(shù)中需要對腦及其他臟器保護(hù)，血管吻合口多，導(dǎo)致手術(shù)難度大［21］，對于心血管外科醫(yī)生來說是一項挑戰(zhàn)。在學(xué)習(xí)和提升Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)技術(shù)的過程中，大部分是通過解剖圖譜、動物血管模型和觀摩手術(shù)實現(xiàn)的，但解剖圖譜缺乏真實感，制備Stanford A 型主動脈夾層動物模型耗時長且成本較高，手術(shù)觀摩又難以獲得操作機會。3D 打印技術(shù)的誕生與不斷的應(yīng)用為個性化手術(shù)訓(xùn)練提供了一種新的方式，但考慮到其成本較高，無法在短期內(nèi)得到普及應(yīng)用［22］。因此，改善教學(xué)培訓(xùn)模式對心血管外科醫(yī)生學(xué)習(xí)Stanford A 型主動脈夾層手術(shù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的手術(shù)教學(xué)模式需要反復(fù)對術(shù)前的二維影像學(xué)資料進(jìn)行研究，術(shù)中才能與真實的解剖關(guān)系相對應(yīng)。而AR 技術(shù)能夠直觀、立體地將解剖結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在觀察者的面前，使觀察者明確周圍組織的關(guān)系，使心外科醫(yī)生在一個真實世界的“操作”練習(xí)手術(shù)并了解周圍的組織，AR 技術(shù)對于傳統(tǒng)教學(xué)而言起到了良好的補充作用［23］。GRAHAM 等［24］借助AR 技術(shù)生成虛擬模型與真實環(huán)境相融合的3D 膝關(guān)節(jié)模型，并使醫(yī)生們進(jìn)行膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)訓(xùn)練效果良好。同時，學(xué)習(xí)者可對同一模型進(jìn)行解剖，并對內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的觀察更加全面，對于患者而言，也能夠在一定程度上降低手術(shù)風(fēng)險與經(jīng)濟負(fù)擔(dān)［25］。賀志青等［26］隨機抽取60 名研究對象，將其分為增強實驗組與傳統(tǒng)對照組，結(jié)果顯示在醫(yī)學(xué)教學(xué)中引入AR 技術(shù)，可幫助心血管外科醫(yī)生更加形象、全面地了解學(xué)習(xí)心臟解剖學(xué)知識。尹任其等［27］用3D打印技術(shù)構(gòu)建一套血管模型，并嘗試結(jié)合AR 技術(shù)，研發(fā)一款A(yù)R 血管外科手術(shù)教學(xué)系統(tǒng)，將其48名研究對象隨機分為AR 教學(xué)組和傳統(tǒng)教學(xué)組，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)模式上的教學(xué)手段，AR 教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯。因此，AR 技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展是時代的趨勢，是優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)模式的有效手段［28］。

4 AR 技術(shù)在Stanford A 型主動脈夾層醫(yī)患溝通中的應(yīng)用

面對醫(yī)學(xué)知識匱乏的患者及其家屬，他們很難從傳統(tǒng)的二維影像中充分了解病情，AR技術(shù)則很好的解決了這一問題，為醫(yī)患間建立起了有效的溝通橋梁。通過對模型描述，可以使病患更加具體地了解自身疾病的危害以及實施手術(shù)的必要性，在術(shù)前談話中能夠使患者及家屬更好的明確該疾病的風(fēng)險和術(shù)中、術(shù)后較容易出現(xiàn)的并發(fā)癥，使溝通過程變得更加高效［29］，有助于患者積極配合后續(xù)的治療，促使醫(yī)患關(guān)系更加和諧［30-31］。

綜上所述，AR 技術(shù)作為一種新型的輔助手段，可在Stanford A 型主動脈夾層的臨床治療中發(fā)揮了獨特的優(yōu)勢，為臨床醫(yī)師解決了現(xiàn)階段的部分難題，其最終的目的是幫助術(shù)前制定個性化的手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作以及更直觀有效地與病患家屬溝通，術(shù)中的導(dǎo)航作用使手術(shù)更加精準(zhǔn)，避免了不必要的創(chuàng)傷，減少了患者圍術(shù)期并發(fā)癥，提高了手術(shù)治療的效果。盡管AR 技術(shù)在外科手術(shù)中的應(yīng)用不斷深入，但對于Stanford A 型主動脈夾層這類起病急、死亡率高的疾病仍有一些困難亟待解決，一是重建數(shù)字化3D模型需要消耗術(shù)前準(zhǔn)備的時間；二是術(shù)中導(dǎo)航的跟蹤注冊系統(tǒng)做不到完全與病變部位融合；三是因AR 技術(shù)屬于一種虛擬與現(xiàn)實的實時交互，模型調(diào)整難免存在延遲的情況，模型角度調(diào)整無法確保百分之百的精準(zhǔn)。當(dāng)然，可以確定的是，隨醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)工作者的不斷鉆研，上述問題均可得到解決。目前AR 技術(shù)已熟練地運用大多數(shù)外科之中，對于心血管外科的運用較少，相信不久的將來AR 技術(shù)也會在心血管外科占有一席之地。