增强现实技术在Stanford A 型主动脉夹层手术治疗中的应用研究进展

朱聪，柏亚明，蔺伟岸，余松华，王腾，张桂敏

昆明医科大学附属心血管病医院云南阜外心血管病医院心脏外科，昆明650000

主动脉夹层是主动脉内膜及部分中层撕裂后，血液经此撕裂口进入中层，受主动脉压力驱动，形成中层不同程度和范围的剥离，从而形成真、假腔的病理改变［1］。目前临床工作中常按照夹层原发破口的部位和累及范围分为Stanford 和DeBakey 两种，前者分为A、B 型，后者分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Stanford A 型主动脉夹层的夹层一般由升主动脉根部起，对升主动脉造成侵犯，也可涉及到主动脉弓部［2］。增强现实技术（Augmented-reality，AR 技术）是一种将计算机自动产生的虚拟网络信息与真实用户所能身处的真实世界有机结合的新兴信息技术，是现代虚拟信息实现系统技术中的一个重要技术分支［3］。AR 技术功能的实现建立在视觉技术基础上，它通过构成虚拟对象，并借助传感技术将虚拟对象写入增强现实系统之中，使虚拟对象、真实环境共同呈现在立体显示设备之中，从而提升用户的感官效果。随着科技的发展，AR 技术在工业、军队、医学和教育等领域得到了广泛的应用［4］。目前AR 技术已经广泛应用于各外科的临床工作中，且在Stanford A 型主动脉夹层术前规划、术中导航、教学培训、医患沟通等方面有明显的优势和广阔的前景，现将AR 技术在Stanford A 型主动脉夹层治疗中的应用研究进展进行综述，探讨AR 技术在Stanford A 型主动脉夹层应用的可行性、临床影响及发展趋势。

1 AR 技术在Stanford A 型主动脉夹层手术术前规划中的应用

目前胸腹主动脉CT 血管造影（CTA）是临床诊断主动脉夹层的金标准，并能明确显示出主动脉真假腔、内膜片、破口位置及分支血管受累情况，诊断准确率高［5］，心血管结构的解剖关系非常复杂、多变，随着经皮介入和外科技术的发展，心脏外科医生急需对这一复杂解剖结构进行空间识别，但是传统的二维图像通常是不直观的［6］，行CTA 检查时易受到视野盲区、患者体位等方面的影响，一方面会大大降低诊断准确率；另一方面，CTA 检查无法看清血管内部的病变，术者可能面临血管内部条件差、血管内部斑块的问题，使手术中的不确定性增加。Stanford A 型主动脉夹层是一种对患者生存质量造成严重影响的心血管疾病，该疾病大多是通过手术进行治疗，且近年来手术率明显提高。据统计，20 世纪90 年代末Stanford A 型主动脉夹层手术率为79%，至今已上升到90%［7］，孙立忠等［2］在Stanford 分型的基础上对Stanford A 型主动脉夹层又进一步的细化，这对制定手术方案有着重要的作用，比如是否需要主动脉根部的重建、主动脉弓置换的范围以及象鼻支架的使用等［8］。传统术前规划的制定通常是通过分析CTA 数据，但是依据二维影像较难形成对Stanford A 型主动脉夹层解剖结构和分型清晰的认知，导致出现规划遗漏、重点信息缺失等问题，令手术风险增加，也为医生间的交流带来了困难。由此，AR 技术为心脏外科医师提供了良好的术前规划帮助，将传统的CTA 影像数据导入AR 系统后，将生成更为客观、精准和个体化的数字化3D 模型［9］，可较为清晰地观察到破口位置、病变累及的范围，并对其重要的解剖结构进行标记、染色，比如原发破口真假腔部位、病变累及主动脉根部和弓部及三分支血管的情况等，从而更加直观地识别术野，确定手术路径，极大地降低了副损伤及其他并发症［10］，同时有利于医生对患者的病情与病症做进一步地分析，对手术的风险加以评估，使手术方案的制定更具针对性。LOW 等［11］通过使用AR 技术对术前进行合理规划，针对病变位置与相关情况进行了综合分析，从而有效地防止引流静脉的损伤。张俊新等［12］运用AR 技术对85 名肝脏肿瘤患者进行术前规划后，证实了术前训练切除的肝脏体积与实际术中切除的体积统计学上具有相关性。此外，手术方案确定之后，可运用AR 系统之中的图像分割以及三维可视技术等对患者的二维影像资料做进一步处理，极大地缩短手术时长。因此，面对Stanford A 型主动脉夹层这种解剖结构复杂、血管内部结构多变、分型种类繁多的疾病，相较于传统的影像学检查方法，AR 技术可以制定更加精准的术前规划。

2 AR 技术在Stanford A 型主动脉夹层手术术中导航的应用

在Stanford A 型主动脉夹层手术治疗的过程中，明确原发破口的位置以及假腔所累及的范围，对手术成功率的提升至关重要。在手术中，可将患者术前制作好的数字化3D 模型导入AR 系统之中，随后将Hololens 全息眼镜连接到计算机，其输出的数字化3D 模型不会遮挡真实的环境，而是将虚拟模型叠加在真实环境上。术者佩戴该眼镜进行观察，并通过手势和语音命令操纵全息图来了解病变的解剖位置，准确判断病灶，在不做任何切口的情况下直视机体内在的组织结构，即可“看穿”患者的皮肤［13］，降低了术者主观因素带来的影响，使其对手术的指导更加精准［14］，且对于术中主动脉周边重要组织的保护以及减少术中并发症有着重要的意义。AR 技术在其他类型的手术已经展现了良好的效果。BISSON 等［15］在腰椎间盘切除术中引入了AR 技术并对腰椎周围的解剖结构添加注解，帮助术者更好地定位，从实践来看具有较强的辅助定位效果。另有学者指出，使用AR 技术重建后的三维图像具有高度精准性，与人体位置的误差多为1. 0 mm。CHO 等［16］在36 例骨肿瘤切除手术中运用了AR 技术，其结果表明虚拟模型与自体组织切除的误差＜6. 00 mm。 OKAMOTO等［17］使用AR 技术对3 例患者进行肝细胞癌切除术，手术实际切除线与术前线之间的差值约为5 mm，使邻近血管得以保留，并且与常规的手术相比，每次手术所需的时间没有延长且失血量少。SUENAGA 等［18］运用AR 技术进行口腔颌面部手术模拟，研究结果显示，实体模型与虚拟模型各点之间的差值均未超过1 mm，表明两者模型具有较高的精准度。AR 技术的优势在于手术过程中虚拟模型并不会随术者观察角度的改变而出现某些变化，术者在手术过程中使用跟踪手势和语音命令的组合将模型手动导入到特定患者中，通过AR 技术识别深层血管的位置，并与传统影像学获得的位置进行比较，使在手术过程中避免损伤主动脉周围深层血管。通过AR 技术能够精准定位主动脉夹层破口的位置，以及测量病变累及主动脉弓的范围，可提前选取对应的人工血管型号并对其剪裁，加快手术的进行、降低麻醉时间和术后并发症。然而，AR 技术中的术中导航系统目前还处于发展阶段，并且在Stanford A 型主动脉夹层的术中应用还存在许多问题，包括：①术中当需要在血管上操作时，因实质变形，使得术中组织和预先建立的虚拟模型存在较大的差异；②技术支持不足，未能够和患者的实际情况相匹配；③虚拟模型有可能会遮蔽实际手术区域的一部分［19］；④HoloLens全息眼镜可扫描物体，但是又存在图形模糊的问题，需要通过软件来解决这种困难，从而使设备得以更好的运行，但是这样就会使成本增加，限制其技术的推广［20］。

3 AR 技术在Stanford A 型主动脉夹层手术教学中的应用

Stanford A 型主动脉夹层发病急，且该病常累及多器官，术中需要对脑及其他脏器保护，血管吻合口多，导致手术难度大［21］，对于心血管外科医生来说是一项挑战。在学习和提升Stanford A 型主动脉夹层手术技术的过程中，大部分是通过解剖图谱、动物血管模型和观摩手术实现的，但解剖图谱缺乏真实感，制备Stanford A 型主动脉夹层动物模型耗时长且成本较高，手术观摩又难以获得操作机会。3D 打印技术的诞生与不断的应用为个性化手术训练提供了一种新的方式，但考虑到其成本较高，无法在短期内得到普及应用［22］。因此，改善教学培训模式对心血管外科医生学习Stanford A 型主动脉夹层手术至关重要。传统的手术教学模式需要反复对术前的二维影像学资料进行研究，术中才能与真实的解剖关系相对应。而AR 技术能够直观、立体地将解剖结构呈现在观察者的面前，使观察者明确周围组织的关系，使心外科医生在一个真实世界的“操作”练习手术并了解周围的组织，AR 技术对于传统教学而言起到了良好的补充作用［23］。GRAHAM 等［24］借助AR 技术生成虚拟模型与真实环境相融合的3D 膝关节模型，并使医生们进行膝关节置换手术训练效果良好。同时，学习者可对同一模型进行解剖，并对内部组织结构的观察更加全面，对于患者而言，也能够在一定程度上降低手术风险与经济负担［25］。贺志青等［26］随机抽取60 名研究对象，将其分为增强实验组与传统对照组，结果显示在医学教学中引入AR 技术，可帮助心血管外科医生更加形象、全面地了解学习心脏解剖学知识。尹任其等［27］用3D打印技术构建一套血管模型，并尝试结合AR 技术，研发一款AR 血管外科手术教学系统，将其48名研究对象随机分为AR 教学组和传统教学组，结果表明，相较于传统模式上的教学手段，AR 教学系统的应用优势更为明显。因此，AR 技术的应用与发展是时代的趋势，是优化传统教学模式的有效手段［28］。

4 AR 技术在Stanford A 型主动脉夹层医患沟通中的应用

面对医学知识匮乏的患者及其家属，他们很难从传统的二维影像中充分了解病情，AR技术则很好的解决了这一问题，为医患间建立起了有效的沟通桥梁。通过对模型描述，可以使病患更加具体地了解自身疾病的危害以及实施手术的必要性，在术前谈话中能够使患者及家属更好的明确该疾病的风险和术中、术后较容易出现的并发症，使沟通过程变得更加高效［29］，有助于患者积极配合后续的治疗，促使医患关系更加和谐［30-31］。

综上所述，AR 技术作为一种新型的辅助手段，可在Stanford A 型主动脉夹层的临床治疗中发挥了独特的优势，为临床医师解决了现阶段的部分难题，其最终的目的是帮助术前制定个性化的手术方案、模拟手术操作以及更直观有效地与病患家属沟通，术中的导航作用使手术更加精准，避免了不必要的创伤，减少了患者围术期并发症，提高了手术治疗的效果。尽管AR 技术在外科手术中的应用不断深入，但对于Stanford A 型主动脉夹层这类起病急、死亡率高的疾病仍有一些困难亟待解决，一是重建数字化3D模型需要消耗术前准备的时间；二是术中导航的跟踪注册系统做不到完全与病变部位融合；三是因AR 技术属于一种虚拟与现实的实时交互，模型调整难免存在延迟的情况，模型角度调整无法确保百分之百的精准。当然，可以确定的是，随医学技术的不断发展，医学工作者的不断钻研，上述问题均可得到解决。目前AR 技术已熟练地运用大多数外科之中，对于心血管外科的运用较少，相信不久的将来AR 技术也会在心血管外科占有一席之地。