混合现实技术在法洛四联症术前评估中的应用

何潇一，叶卫华

解放军总医院第一医学中心 心脏大血管外科，北京 100853

法洛四联症是常见的复杂先天性心脏病之一，长期以来法洛四联症的诊断和术前评估主要依靠心脏超声，由于心脏超声提供的信息有限，术者在术中往往需要花费较多时间对心内结构进行探查，使手术时间、体外循环时间、主动脉阻断时间延长。随着成像技术的进步，涌现出许多提高诊断准确性和质量的新方法，如3D 超声心动图、CT 三维重建和MRI 三维重建[1-3]。其中研究较多的是CT 三维重建，目前已有多项研究将CT 和3D 打印技术结合应用于临床帮助诊断和治疗[4-5]。但3D 打印制作时间长、制作标准参差不齐、费用昂贵，限制其广泛应用[6-7]。混合现实技术是继虚拟现实技术之后出现的全新数字全息影像技术，在用户、现实世界和虚拟世界之间搭起一个交互反馈的信息回路。用户戴上混合现实成像眼镜后即可获得实时的全息影像内容，使人沉浸在现实和虚拟的混合场景中。混合现实技术目前已广泛应用于生活中，在医疗领域早期多将这项技术用于教学，后来逐渐运用于临床[8]。目前在骨科、普通外科、神经外科等学科的临床应用较为常见[9-13]。相比之下，在心脏外科的应用起步晚，数量少，且并没有检索到将混合现实技术应用于法洛四联症术前评估的相关报道[14-17]。我们的研究将探索混合现实技术在法洛四联症术前评估中的应用价值，提供临床应用证据。

资料与方法

1 资料 纳入2018 年8 月- 2019 年8 月在解放军总医院第一医学中心心脏大血管外科就诊，通过经胸心脏超声(Philips iE33，WA，USA)检查诊断为法洛四联症的连续病例。术前进行心脏CT 血管造影(CTA，GE Revolution CT，WI，USA)检查，CTA 扫描范围从锁骨下缘至心脏膈面横膈膜水平。对于不能配合检查的低龄儿童，心脏超声检查前口服水合氯醛(50～100 mg/kg)镇静，CTA检查前静脉泵入右美托咪定镇静。

2 术前混合现实3D 模型制作 将获得的原始CT 图像DICOM 格式文件，使用医学成像工作站(Visual3d Medical Technology，Beijing，China)重建并设计3D 心脏模型。使用Hololens(Microsoft，Redmond，USA)混合现实眼镜和平板电脑探索3D 心脏模型结构，可视化获取室间隔缺损的位置、形状和大小数据。由于不同检测技术存在成像维度不同，无法将测量的室间隔缺损各项数值进行全面对称性比较，因此将心脏超声二维图像的平面直径和估算面积与混合现实图像中立体图像的最长直径和估算面积进行比较，评价两种方法在术前评估法洛四联症中室间隔缺损大小、形状和位置方面的表现。

3 术中探查及手术方式 正中开胸后建立体外循环，使用HTK 液(CUSTODIOL，Bensheim，Germany)进行心肌保护，针对不同室间隔缺损类型分别选用经三尖瓣修补、三尖瓣+右心室切口修补或单纯右心室切口修补。对室间隔缺损位置、形态和大小进行探查，测量室间隔缺损大小，包括室缺的最长径线长度和垂直于它的短径线长度。修补材料全部采用涤纶补片，根据室间隔缺损的形态和大小对补片进行修剪。使用2/0 强生带垫片双头针缝线，采用间断缝合法，修补过程中注意保护传导束及主动脉瓣。

4 统计学方法 采用SPSS22.0 统计软件进行分析。计量数据以±s表示，两组组间比较采用配对样本t检验，三组间比较采用重复测量方差分析，两两比较采用Bonferroni 检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

结果

1 患者一般情况 纳入连续患者32 例，年龄0.5～40(8.5±12.9)岁。32 例全部进行法洛四联症根治术，其中单纯法洛四联症根治术4 例，法洛四联症根治术+动脉导管结扎术8 例，法洛四联症根治术+房间隔缺损修补术16 例，法洛四联症根治术+动脉导管结扎术+房间隔缺损修补术4 例。手术入路方面，30 例采用经三尖瓣修补，2 例采用经三尖瓣同时切开右心室术式修补。30 例保留了肺动脉瓣，2 例因肺动脉瓣严重钙化、狭窄，同期行肺动脉瓣置换术，无死亡病例。32 例法洛四联症患者室间隔缺损均不规则，20 例位于膜周部(图1，图2)，10 例位于室上嵴上方，2 例形状呈不规则长条形，自膜周部至主动脉瓣下(图3，图4)。

图1 混合现实技术展示的膜周部室间隔缺损心脏3D 模型Fig.1 3D model of perimembranous VSD by mixed reality technology

图2 混合现实技术展示的隐藏右心室部分的膜周部室间隔缺损心脏3D 模型Fig.2 3D model of perimembranous VSD after removal of the myocardium and right ventricle by mixed reality technology

图3 混合现实技术展示的自膜周部至肺动脉干下的室间隔缺损心脏3D 模型Fig.3 3D model of VSD from perimembranous to below pulmonary valve by mixed reality technology

图4 混合现实技术展示隐藏右心室部分的自膜周部至肺动脉干下室间隔缺损心脏3D 模型Fig.4 3D model of VSD from perimembranous to below pulmonary valve after removal of the myocardium and right ventricle by mixed reality technology

2 经胸心脏超声与混合现实3D 模型测量参数比较 心脏超声测量室间隔缺损的长径为(13.44±3.25) mm，估算面积为(150±72) mm2；混合现实3D 模型测量室间隔缺损的长径和短径分别为(17.19±2.29) mm 和(14.69±2.02) mm，估算面积为(203±54) mm2；术中实际室间隔缺损的长径和短径分别为(18.75±3.82) mm 和(14.31±3.11) mm，估算面积为(217±80) mm2。三组室间隔缺损长径组间比较差异均有统计学意义(P＜0.001)，混合现实3D 模型所示短径 (P=0.788)和估算面积(P=0.691)与实际室间隔缺损的差异均无统计学意义(P>0.05)。心脏超声测量右心室流出道狭窄处内径为(10.67±3.70) mm，大于混合现实3D 模型测量的右心室流出道狭窄处内径(10.52±3.66)mm，但差异无统计学意义(P=0.806)。重建设计单个3D 模型并能够用混合现实设备展示的平均用时为38.6 min。测量数据见表1。

表1 三种测量方法的室间隔缺损参数比较Tab.1 Comparison of parameters of VSD between three measuring methods

讨论

法洛四联症的四个主要病理畸形表现为右心室流出道狭窄、室间隔缺损、主动脉骑跨、右心室肥厚，其中右心室流出道狭窄和室间隔缺损对于疾病发生、发展及诊疗最为重要，因此更侧重于室间隔缺损和右心室流出道狭窄的比较和描述。外科医生对心脏结构和畸形的判断依赖于心脏超声结果和自身经验，心脏超声无法显示室间隔缺损的立体结构，结果报道的直径通常小于术中所观察测量到的直径。

在右心室流出道狭窄处内径的比较中，混合现实测量的内径更小，可能与混合现实呈现的是立体图像有关，这使观察者能够找到狭窄处的垂直切面从而获得最短径线。虽然混合现实测量的狭窄处内径小于心脏超声结果，但两者差异无统计学意义。在右心室流出道狭窄处结构及位置描述上，心脏超声可以进行准确诊断，不仅可以显示是否合并瓣膜狭窄，还能判断是否合并肺动脉瓣二叶畸形等瓣膜异常，并且可以准确诊断瓣下狭窄的具体位置以及是否合并瓣上狭窄。由于目前三维重建及混合现实技术无法较好地重建瓣膜组织，因此对于右心室流出道狭窄的展示较为困难。但对于肺动脉瓣上的狭窄，混合现实不仅可以显示狭窄的位置和直径，还可以立体直观地显示狭窄的肺动脉干与主动脉之间的关系，对手术方案的制定具有重要提示作用。

随着技术进步，许多能够展示器官3D 结构的技术已在临床中应用。3D 超声可以显示心脏的3D 模型图像，但其在对心血管结构的精确展示上还有一定差距。磁共振3D 成像技术既可呈现心脏3D 图像，还能绘制心血管的血流动力学图像[18]。但由于磁共振检查时间过长，儿童难以长时间配合，扫描层次过厚，图像呈现粗糙，并且制作复杂，费用昂贵，因此无法作为复杂先天性心脏病检查的首选。CTA 在临床中应用广泛，得益于CT 检查设备、3D 模型制作和设计软件的进步，使三维心脏模型成像技术得到质的飞跃，能够较为精确地展示心血管结构。

混合现实技术和3D 打印的应用均建立在3D 模型重建的基础上，但两者也存在许多差异。混合现实技术具有以下优势：1)允许用户对重建设计好的3D 模型进行深度感知和可视化操作，允许用户随意调整视角，对心脏进行旋转、放大、缩小，以及对心脏各个结构进行分割、透明、隐藏。如隐藏心房或心室，去探查内部结构，隐藏肺静脉或肺动脉，观察大血管之间的关系。这些在3D 打印中难以实现。2)3D 打印模型的质量受到3D 打印机质量和成本的影响[19]。不同质量的打印机创作出的模型可能差异巨大，甚至影响医生对心脏结构的判断。混合现实可以将重建好的3D 模型直接进行展示，减少了中间的影响因素，更好地还原了心脏模型的真实性。3)相比3D 打印，混合现实的成本更低廉，制作时间更短，产品储存、携带和传输更方便，更适用于以诊断为目的应用。

目前能够成熟地将混合现实技术运用在心脏特别是先天性心脏病的研究相对较少。Brun 等[20]通过对1 例右心室双出口患者的分析验证混合现实技术用于复杂先心病诊断的可行性。Ong 等[21]使用混合现实技术分析2 例先天性心脏病病例，从采集CT 数据到制作虚拟现实图像，观察患者围术期整体情况，对虚拟现实技术在复杂先天性心脏病中的应用价值进行描述。Liu 等[15]将混合现实技术用于结构性心脏病介入治疗。他们的研究均是对虚拟现实或混合现实技术用于先天性心脏病诊断的描述性评价。我们的研究以解决手术中实际问题为目的，增加了法洛四联症中室间隔缺损大小、右心室流出道狭窄处内径的计量数据比较，增加了数据支持和客观评价指标。同时也侧重对法洛四联症中室间隔缺损的位置、右心室面室间隔缺损的立体结构进行描述，以达到减少术中探查时间、体外循环时间和主动脉阻断时间的目的。将术中实际看到的室间隔缺损的位置、形状和大小与混合现实3D 心脏模型中的室间隔缺损进行对比，结果提示混合现实技术在估测室间隔缺损形状、大小方面较心脏超声更为可靠。利用混合现实技术确定室间隔的位置和形状需要借助几个因素来判断，分别是三尖瓣隔瓣，主动脉瓣无冠窦和右冠窦，距离肺动脉瓣的距离以及室间隔缺损是否平整。从这些方面，我们可区别出两种室间隔缺损的不同。此外，混合现实技术展示的是充盈状态下的心脏结构，在手术操作结束心脏复跳后，补片的大小和形状关系到进针点是否撕裂和是否发生残余分流，充盈状态下的室缺则能够帮助医生更好地进行判断和决策。

混合现实技术也存在局限性，如图像展示是在重建3D 模型的基础上，因此一个高质量的3D 建模至关重要，目前的技术只能重建心房、心室、主动脉、肺动静脉等主要结构，无法较好地重建瓣膜组织，瓣膜区显示模糊是限制其进一步应用的主要因素。

综上所述，混合现实技术可以准确提供法洛四联症中室间隔缺损的位置、形状和大小，能够帮助医生更好地了解心内外结构，为法洛四联症的术前评估提供了新方法。

利益冲突：无。