新兴技术在冠脉介入手术仿真中的应用与研究

王 玓 联通（江西）产业互联网有限公司 南昌市 330000

0 引言

心血管疾病长期占我国居民死亡病因首位（44%以上），严重威胁人民健康。而介入手术是行之有效的重要诊疗方法，医生在X线下，经外周血管使用专用的医疗器械进入心血管的病变部位，然而复杂的介入手术、术者学习门槛高，周期长术者学习门槛高、风险高。至今，介入手术技能的训练教学还是以师带徒的传统模式为主，在导师的指导下，学习医生直接对病人行侵入性操作学习和实践。这种传统培训方式有太多不足之处，如效率低、风险不可预测、花费大，不利于患者及技术的健康发展。2020年国家卫健委统计，心血管疾病患者为3.3亿人口，每年递增速度为15%，人均医疗费用为4.5万元每人次。利用5G、云、AR（VR）等新兴技术先进性、创新性构建的血管介入手术仿真平台是医疗科学技术的一大进步，造福患者，切实为患者减轻经济负担。

1 实践内容

构建基于云+5G的分布式的架构，研究面向全国范围的、开放式在线手术训练仿真技术，以便于手术流程和技术更新，同时为实时远程诊疗构建平台。

打造VR模拟血管内手术介入培训环境来为受训医生提供介入手术和血管造影之类逼真的实践仿真操作平台。

对模拟操作进行评价的参数包括一些临床的参数、X光线透视照射时间、总的相关操作时间以及造影液的使用计量等可得到整体临床技能的医技训练优化结果。

2 研究内容及方向

研究使用区域内的5G网络以及云资源服务承载移动互联网服务应用以及各类应用平台（如VR仿真实训平台）要求。

研究在云端利用模型几何特征识别与优化方法实现三维模型的建模与表达，结合多精度模型组织与管理方法实现云端三维模型的访问控制，为云端业务承载能力保障奠定基础。在这两个研究的基础上，为终端提供内容投送。实现数据资源快速加载，实现实时交互，实现计算云端化，终端设备轻量化。

研究基于计算机图形学为基础的三维数字环境虚拟仿真，利用虚拟仿真环境的技术来建模获得三维数据在真实环境及真实的人体心血管系统当中，从而构建出虚拟的、沉浸式高仿真模拟手术环境。最终通过实时三维图形生成技术完成整个模拟手术环境，为整个模拟培训装置提供相关的虚拟环境与视觉图像支撑。

研究建立仿真手术考核测评体系，以5G 云+AR（VR）医疗手术仿真交互为基础，打造仿真操作评价平台。操作者进行虚拟仿真手术操作时，拥有独立的账号和密码，考核的评价可以在操作人员操作中进行，在系统中体现，包括对仿真操作过程中一些例如支架置入精准度、血管内的介入器械使用的情况，造影液的一些使用计量、X光0线u透视的时间以及总的操作时间等进行收集和记录，系统内自动生成相关过程报告。

采用模糊综合评价法对整个操作流程的质量给出相应评价，建立完整过程类的评价体系，经过反复一段时间的虚拟仿真的手术操作，操作者可以发现实际操作与自身思维路径的偏差，可以及时调整自己的思路；还可以让操作者体会操作的要点，对操作过程能更好地熟悉，将仿真操作与考核测评相结合，能够提升整体临床技能与医技优化。

融合5G+云VR技术和远程实验室技术打造面向全国范围的血管介入手术仿真操作程序，将拟人仿真手段和云端交互式实验方式应用到血管介入手术的应用当中，将改变传统单机模拟培训操作模式。

结合虚拟仿真平台，通过头戴式眼镜，将三维病理解剖学影像投射到临床医生的视网膜上和患者的生理体征相结合，达到虚实融合的目的，从呈现上比原先屏幕更直观有效和具象，在医学临床和教学呈现形式上实现重大突破。依据真实血管介入手术流程与标准，基于模糊综合评价法建立的血管手术仿真测评考核体系与系统，是为操作者知识和技能改进提供的支撑服务，是对仿真操作程序人性化服务的体现，更是对我国仿真手术程序建立标准评价体系的案例参考。

在仿真手术过程中，操作者的手术视频、评分信息等数据在平台内传播，如果缺少保密技术手段，缺乏保密威慑，数据的接收者可对数据任意拍照转发，极易造成数据泄露。同一份数据发给多个单位后，一旦数据发生泄露，很难追查到泄露源。本项目通过建设基于区块链的数据溯源系统，可将需要流通的数据加入水印标识，水印标识包含数据所有者标识，授权的使用方标识，以及加注时间戳等信息。让数据拷贝、转换、截取等数据处理过程中，标识信息依然有效。对于发现的可疑数据进行数据溯源，通过数据中的水印信息，可确认数据泄露者。对于发现的可疑数据进行数据自鉴，通过判断数据中是否存在水印信息，可确认数据是否从本单位流出。

3 主要创新点及功能亮点

应用5G技术搭建云平台，通过5G、云、VR、AR虚拟仿真等新兴技术模拟虚拟的病人、整体手术室的环境以及手术流程的思维训练和临床把病历的情况，通过病历数据库的建立，模拟出不同病例下的手术操作来达到医学专科培训以及临床术前规划的效果，5G、云、VR、AR虚拟仿真等新兴技术会在未来的住院医师的教育以及心血管医师的培养中发挥越来越重要的作用。

构建基于云+5G架构的血管介入手术仿真平台，首先规范模拟手术流程和模拟数据资源，以云数据库和分布式存储方式存储基础信息数据库和模拟数据资源。其次以手术仿真培训需求为出发点，依据手术培训流程，结合虚拟培训考核标准，进行设计和研发。

使用云平台+5G MEC方式进行部署，使用5G网络进行通信，在5G大宽带的作用下，模型资源无须提前下载到本地，需要时直接从云端加载，降低终端设备的运算负担。

4 应用成效

运用5G+云的基础架构，利用低时延，大带宽的特性，能更好地打破时空限制，再利用标准化软硬件平台的特性，便于能够更好地向全国推广。

搭建医疗病例的数据库以及虚拟手术交互平台，在手术标准依据下，建立高仿真高精度的病例、手术环境、医疗器具及手术专业流程等，让受训者通过平台反复地操作训练，有利真正意义的手术操作，从而在短时间内培养出更多的医疗人才，有丰富经验的医师还可以利用平台深化操作步骤以及探索尝试新的技术。

建立了严格标准的考核测评平台，通过测评报告可以做出客观的评价，医生等操作人员测评达标后再进行真实病患的接触，能更好地保障患者的安全。

5 经济社会效益

能够在医学领域进有效的专业教学，实现产、学、研多点的融合，能够突破时空限制，模拟虚拟的真实环境避免教学风险。

可以对冠心病的介入领域进行有效的专科培训，提高基层市县医院心血管专科医生的冠脉介入技术以及提高医师救治和医疗服务能力水平，进一步实现“大病不出县”目标。

还可以针对建设VR病案以及医疗资源相关大数据库，组建新型医疗信息化人才队伍，通过研究产出自主知识产权的论著、软著和专利等。

6 结束语

通过5G、云、VR、AR虚拟仿真等新兴技术实现的针对冠脉介入手术领域仿真交互技术的应用能够有效系统地针对血管疾病的介入领域进行教学，同时实现快速和自主学习，将会在未来的住院医师的教育以及心血管医师的培养中发挥越来越重要的作用。同时可以结合江西本省VR 产业优势，赋能医疗产业，驱动产业创新，提高教学人才培养的效率和能力，为实践健康中国战略，为医学教育事业的发展以及进一步保障人民生命安全和身体健康发挥积极的推动作用。