元宇宙醫學在血管腔內介入治療中的應用現狀與未來

徐文博，穆 蘭

2021 年以來，元宇宙一詞受到廣泛的關注并成為國際熱詞。元宇宙的概念最初起源于1981 年出版的科幻作品《真名實姓》 ，作者構建了一個通過腦機接口進入并獲得感官體驗的虛擬世界。在1992年出版的科幻小說《雪崩》中正式提出這一概念，作者描述了互聯網人通過化身與平行于現實世界的網絡世界進行感知交互。元宇宙是一個平行于現實世界運行的人造空間，是由虛擬現實（virtual reality，VR）、現實增強 （augmented reality，AR）、 混合現實（mixed reality，MR）等技術支持的，包括物質世界和虛擬世界以及與虛擬經濟整合在一起的網絡空間。現階段，元宇宙可看作是掛在AR、VR 眼鏡上的下一代物聯網，是基于數字技術構建的一種人以數字身份參與的虛實融合的三維數字世界［1］。

1 元宇宙醫學的提出及其蘊意

元宇宙本質上并非是新技術的應用，而是數字孿生、各種虛擬技術、區塊鏈等多種核心技術集合而成的綜合產物。元宇宙在很多方面都有廣闊的應用前景。元宇宙醫學應定義為將虛擬世界拉入現實世界并實現多維互動的混合現實醫學網絡平臺，通過平臺可進行元宇宙教學、會診、分級診療和臨床研究等。即元宇宙醫學是通過VR、AR 以及MR 等技術實施的物聯網醫學。白春學［1］認為，元宇宙醫學是在AR 眼鏡上實踐的物聯網醫學，AR 眼鏡可以將物聯網醫學提升為虛實融合的水平，使醫生能夠將常規的手工業作坊式診療模式提升為虛實 “云”專家全時空指導“端”醫生的診療工作。在元宇宙醫學中，虛實融合技術將有效增強參與者（醫生、患者）、真實環境（設備）和虛擬環境（虛擬醫生、患者和設備）三者之間的無縫融合，最終目的是達到自然逼真的效果，將虛擬世界拉入真實世界，并進行人機聯動的醫療服務。

元宇宙醫學虛實融合環境，需涉及高精度定位、虛擬與真實環境融合呈現、光學顯示、多感知交互等關鍵技術，同時需要在AR 眼鏡上展示物聯網智能診療和管理水平，特別是質量控制。因此，元宇宙醫學需要高端裝備研制、 復雜規劃與教育培訓、創新的質量控制技術。目前中國創立元宇宙醫學的條件已經成熟，2022 年2 月19 日，中國元宇宙醫學協會在上海成立，2022 年被稱為元宇宙醫學元年。

2 元宇宙醫學在醫療實踐和臨床教學中的應用

現階段我國人口老齡化趨勢顯著，伴隨而來的變化是老年慢性病患者數量呈逐年上升的趨勢，而慢性病的日常療養需要患者定期多次往返醫院。在元宇宙醫學模式下，患者可足不出戶通過穿戴各種智能終端設備，記錄上傳心率、呼吸、血氧等生命體征數據，可隔空進行數字化深度問診與日常健康監測管理。如梅奧醫療中心開發的慢性心血管疾病遠程監測平臺，該平臺可24 h 監測患者臨床信息和生理參數并自動上傳數據以輔助診療，整個過程完全不影響患者的正常生活。再如歐洲醫療專家研發的血氧飽和度監測軟件，能夠實現遠程同時監測多名不同患者的SpO2信號和脈搏率。此外，虛擬技術可用于輔助恐懼癥、抑郁癥、自閉癥等精神類疾病的治療。在恐懼癥輔助治療中，可應用擴展現實（extended reality，XR）技術建構患者視覺、聽覺和觸覺所感知而引起恐懼的特定情境，然后從醫治角度使患者暴露其中，幫助患者逐漸接觸適應所恐懼的事物，從而達到治療效果。

元宇宙醫學的出現為臨床教學提供了全新的模式。傳統的醫學教育培訓模式需要使用實物或者在人體上進行操作，或以文字、圖片等方式進行講授，而VR 技術可以幫助學生打造生動、逼真的學習環境，激發學生的學習興趣，有利于提高其學習效率和認知能力。在醫療技能培訓上，VR、AR、XR 與影像學技術相結合可在虛擬空間中模擬人體組織和器官，讓學生模擬操作，并且讓學生感受到手術刀切入人體肌肉組織以及觸碰到骨頭的感覺，有助于學生更快地掌握手術要領。在手術前，主刀醫生也可建立一個患者身體的虛擬模型，用其進行手術預演，提高手術的成功率。此外，XR 技術還可用于開展手術直播，使受訓醫生能直觀地、全方位地看到實際手術的操作過程［2］。該技術通過顯示、觸感、力反饋等設備，使受訓醫生沉浸在虛擬場景中進行手術操作和練習，體驗真實的手術過程。受訓醫生不僅可在醫院觀看這種培訓直播，還可應用手機APP 和VR 設備在異地學習。受訓醫生可以獲得與在手術現場一樣的沉浸式體驗，清楚地看到手術每一步的細節。

3 元宇宙醫學在血管介入治療中的應用

縱觀介入治療在近幾年的發展，醫務工作者不禁慨嘆，相比傳統醫療模式，元宇宙醫學無論在助力手術還是教育培訓等方面都有廣闊的前景。

3.1 元宇宙醫學助力血管腔內介入手術

機器人技術應用于臨床實踐始于20 世紀90 年代，主要用于外科手術領域。隨著機器人技術的進步，近年來血管腔內介入手術機器人逐步應用于臨床治療，如美國Hansen 公司的Magellan 血管介入機器人系統和Sensei X 射頻消融機器人系統，西門子醫療公司的CorPath 200 冠狀動脈和外周介入系統，法國Robocath 公司的R-oneTM冠狀動脈腔內介入系統。國內如海軍軍醫大學第一附屬醫院、北京天壇醫院等都自主研發了血管介入遠程數控機器人系統。目前臨床應用較為廣泛的是CorPath 200系統及其升級產品CorPath GRX。CorPath 200 系統于2012 年獲得美國食品藥品管理局（FDA）批準，設有獨立的防輻射介入式操控艙，機械臂就安裝在手術床邊便于操作，內置一次性無菌盒，盒內有導引導管的支撐軌道，在盒內可建立至冠狀動脈的通路，適用于5-7 F 導管、0.014 英寸冠狀動脈導絲、快速交換式系統（RX）及支架輸送系統［3］。截至2018年，CorPath200 和CorPath GRX 已在全球50 多個醫療機構成功治療了5 000 多例心血管病患者，醫護人員的輻射暴露減少了97.1%，患者未受到輻射影響［4］。CorPath GRX 系統（見圖1）主要用于腦血管領域，并于2019 年首次應用臨床，成功完成3 例頸動脈血管成形術和支架置入術以及7 例選擇性診斷性腦血管造影［5］。2020 年，多倫多西部醫院神經外科應用CorPath GRX 系統首次成功完成1 例遠程操控機器人輔助腦動脈瘤栓塞術治療，這預示著血管腔內介入元宇宙時代的到來［6］。

圖1 CorPath GRX 機器人系統

3.2 元宇宙醫學助力血管介入臨床教學與培訓

目前，元宇宙醫學應用于教學與培訓可實現教學場景虛實結合、 模擬操控訓練以及3D 模型替代患者等，給醫學培訓與教學帶來革命性的變化。MR技術通過對特定患者的血管進行三維模擬重建，醫學生能對目標區域進行拆分和重組，并能從各個層次與角度進行觀察，使學習和觀察更加生動形象且簡單直觀，不像傳統教學模式那樣受時間和空間的限制［7］。但由于血管介入手術的特殊性，僅對醫師通過模擬培訓是不夠的，近年來3D 打印模型訓練模擬器開始應用于血管介入教學，通過3D 打印技術制作特定的模型供醫學生或受訓醫生模擬練習。目前由于成本、工藝等因素的限制，訓練模型的復雜性差異很大，從最簡單的觀察模型到能夠學習基本導絲技能的訓練模型，再到附加脈動流環路的患者特定模型。但其訓練效果已經得到廣泛認可，K?rkk?inen 等［8］為住院醫生制作了腹主動脈（AAA）假體來模擬血管內主動脈修復（EVAR）。在總共22 次EVAR 模擬中，熟練的醫生可以顯著縮短手術時長以減少輻射積累。而另一項使用3D 打印主動脈模型進行主動脈瓣動脈造影模擬的研究也得出了類似的結論［9］。與計算機模擬相比，3D 打印模型的主要優勢是學員使用的導絲、護套、導管、植入物等都是真實手術使用的材料，同時還可以模擬導絲和導管行為以及植入物位置對血壓變化的影響，而且長期教學使用成本比計算機模擬更低。吳勵等［10］通過實證分析認為，3D 模型用于Stanford B 型主動脈夾層（TBAD），可為TBAD 手術規劃及醫師訓練提供更多可行方案，但在成本、材料等方面存在缺陷。姚麗等［11］認為，3D 打印技術在醫患溝通、手術規劃模擬訓練、心臟瓣膜選擇、精細的解剖結構展示、術中導航及并發癥的預測等方面展現出了傳統醫療模式不具備的獨特優勢。盡管3D 打印在血管介入治療和臨床培訓領域的應用尚處于起步階段，3D 模型也較為初級，隨著技術的進步，3D 模型將不斷升級以模擬更復雜的手術。

4 元宇宙醫學的未來

當前醫療領域正在積極引入各種虛擬技術（VR/AR/MR）、人工智能、區塊鏈、大數據、觸覺互聯網等技術，這些新興技術在患者診斷、治療以及醫師培訓等方面顯示出巨大的潛能［12］。

4.1 基于5G、AR、 觸覺互聯網等技術遠程指導介入手術

當前一線大城市的醫療資源相較于一些偏遠地區更為完善，使大量患者涌到大城市尋醫問藥，引發了看病難、入院難、醫療成本高的困境。元宇宙可以看作是當前醫學物聯網形態的升級版，而元宇宙醫學的發展和應用首先是基于醫學物聯網的遠程醫療。2019 年12 月以來，新型冠狀病毒（COVID-19）大流行期間遠程醫療快速發展，據統計2021 年3～6 月美國遠程醫療訪問量從每周1.2 萬人次上升至100 萬人次，同期英國遠程醫療服務占比也較之前翻了7 倍。元宇宙醫學時代的到來推動了血管介入治療朝著更加智慧化方向發展，如介入機器人的自主導航、遠程數控等。在未來可通過虛實融合、人機融合和虛實聯動技術結合物聯網全面感知、可靠傳輸和智能處理技術的策略，遠程操控血管介入機器人系統開展介入手術。盡管目前遠程指導血管介入手術的報道較少，但在其他領域遠程手術已有成功案例。如2021 年廣州呼吸科專家李時悅團隊遠程指導超聲支氣管鏡檢查； 上海六院骨科張長青團隊實現國內首次利用VR 技術通過好醫術APP 直播手術，全國近萬名外科醫生“現場”觀摩學習。

4.2 計算機輔助血管介入與虛擬技術結合模擬手術培訓

血管腔內介入手術機器人和3D 打印技術已經逐步應用于治療和培訓，但由于多種原因其普及速度較慢，如機器人操控和導航技術較為復雜，3D 打印材料成本高等。但應用VR/AR/MR 技術模擬人體組織器官的物理特性，并進行血管介入模擬手術培訓具有更廣闊的前景。2020 年美國康涅狄格大學已經開始使用VR 技術進行技能培訓，醫生佩戴虛擬設備（頭盔、眼鏡）在具有沉浸感、交互性和多源感知的手術場景中練習手術操作，可以真實地感知器械與組織器官的交互作用。此外，建立VR/AR/MR環境下的計算機輔助血管介入，可以對血管介入過程進行規劃訓練、模擬介入和可視化導航，并可降低手術模擬訓練成本和介入風險［13］。隨著人工智能、信息采集與存儲、5G 等技術的快速發展，血管內機器人輔助手術將會有遠程操控和智能規劃等拓展功能，通過對導航技術和力反饋技術的深入研究，介入手術機器人未來可實現自動送絲操作［14-15］。

5 結束語

元宇宙醫學的應用極大地推動了血管腔內介入治療的發展，在未來的臨床實踐中會有更多的患者選擇介入治療替代傳統外科手術，這對減輕患者痛苦與經濟負擔具有重要意義。盡管元宇宙醫學在我國的發展與應用尚處于起步階段，但各方應共同努力加快元宇宙醫療體系建設，建立相關的行業標準、法律法規、倫理規范等，以引領介入放射醫學的元宇宙建設與應用。