虚拟现实技术在冠状动脉瘘和冠状动脉异常起源外科诊疗中的价值

2020
12/11

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华西医院胸心外科杂志
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虚拟现实技术可以让医生在术前更清晰地了解冠状动脉瘘或起源异常解剖畸形部位及周围的空间结构。

邱海龙1,庄建1, 2,岑坚正1, 2,黄美萍1, 3,高强1, 2,陈寄梅1, 2,温树生1, 2,

许刚1, 2,崔虎军1, 2,蔡晓维1

1. 华南理工大学附属广东省人民医院 心外科 (广州  510080)

2. 广东省华南结构性心脏病重点实验室 广东省心血管病研究所 广东省人民医院(广东省医学科学院) 心外科 (广州

 510080)

3. 广东省华南结构性心脏病重点实验室 广东省心血管病研究所 广东省人民医院(广东省医学科学院) 介入导管室(广

州  510080)

通信作者:庄建,Email:zhuangjian5413@tom.com

关键词:虚拟现实技术;冠状动脉瘘;冠状动脉异常起源

引用本文:邱海龙, 庄建, 岑坚正, 黄美萍, 高强, 陈寄梅, 温树生, 许刚, 崔虎军, 蔡晓维. 虚拟现实技术在冠状动脉瘘和冠状动脉异常起源外科诊疗中的应用价值. 中国胸心血管外科临床杂志, 2019, 26(3): 217-221. doi: 10.7507/1007-4848.201811041

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摘要

目的 评估虚拟现实技术在冠状动脉瘘(coronary artery fistula,CAF)和冠状动脉异常起源(abnormal origin of coronary arteries,AOOCA)的外科诊疗过程中的应用价值。方法 2014 年 1 月至 2018 年 6 月期间,我院心外科应用虚拟现实技术辅助进行治疗方式决策和手术方案制定,对 4 例 CAF 与 4 例 AOOCA 患者实施外科治疗。CAF 患者中,男 1 例、女 3 例,年龄分别是 8 岁、16 岁、62 岁和 65 岁,AOOCA 患者中,男 1 例、女 3 例,年龄分别是 4 个月、2 岁、14 岁和 29 岁。结果 8 例患者虚拟心脏模型与真实心脏匹配程度好,虚拟现实技术在所有患者中都能把解剖畸形部位及其周围的空间结构信息直观全面地展示出来。4 例 CAF 患者全部经冠状动脉切口进行修补,其中 2 例为自体心包补片修补,另外 2 例为直接缝补;4 例 AOOCA 患者中,3 例行冠状动脉直接移植术,1 例行 Takeuchi 术式,2 例同期行二尖瓣成形术。手术全部顺利完成,恢复良好,无严重并发症出现。4 例 CAF 患者中,3 例无残余瘘,1 例有微量残余瘘;4 例 AOOCA 患者冠状动脉均通畅,其中 2 例术前中-重度二尖瓣反流的患者术后反流明显减轻。结论 虚拟现实技术可以让医生在术前更清晰地了解冠状动脉瘘或起源异常解剖畸形部位及其周围的空间结构信息,辅助医生在术前做出准确的治疗决策和制定详细的手术方案,保证手术安全性,有显著的临床应用价值。

正文

冠状动脉瘘(coronary artery fistula,CAF)指的是冠状动脉与心房、心室、肺动脉、冠状静脉窦、上腔静脉等空腔结构之间存在异常瘘道,人群发病率约为 0.002%[1],在所有心脏畸形里面约占 0.4%[2];冠状动脉异常起源(abnormal origin of coronary arteries,AOOCA)指的是冠状动脉异常起源于对侧冠状动脉窦、肺动脉或者高位起源等,其中左冠状动脉异常起源于肺动脉(anomalous origin of the left coronary artery from the pulmonary artery,ALCAPA)最为常见,发病率约为 1/300 000[3]。这两种畸形均可造成心肌缺血,发病时间因人而异,以心绞痛、运动耐量下降等心功能衰竭症状为主。对这两种病进行诊疗时,充分了解畸形的解剖结构是治疗成功的前提,而传统的超声、冠状动脉 CT 成像等检查得到的影像均为二维图像,医生难以全面了解畸形及周围的空间结构。

近年,虚拟现实(virtual reality,VR)技术在医学中的应用发展迅猛,VR 通过特定的设备,可让用户全面直观地观察到三维虚拟模型的内外结构,并与之交互。VR 技术早期应用于行为科学研究[4],后来陆续也有应用于卒中康复[5]、疼痛缓解[6]、医学教学[7]和手术技巧训练[8-9]等方面的报道,最近开始有个案报道其在心血管外科的应用,Ong 等[10]应用 VR 技术,重现了 1 例改良 B-T 分流术后的法洛四联症患者的心血管结构,并进行了二期手术管径大小的模拟,最后选择了合适大小的右室-肺动脉人工管道,在保证管道通畅不受胸骨压迫的同时,还最大程度保证了以后行经胸肺动脉瓣置换手术的方便程度,另外,他们还利用 2 例复杂先心病患者(1 例共同动脉干合并室间隔缺损和主动脉弓发育不良患者和 1 例手术后经历了体外膜肺氧合的大室间隔缺损合并右位心患者)的 CT 数据重建出 3D 数字模型并导入到 VR 系统中,让术者在术前通过 VR 技术对患者的心血管结构进行观察,得到更全面的解剖信息,从而更好地进行手术规划[11]。

我院心外科借助 VR 技术对 4 例 CAF 和 4 例 AOOCA 进行了治疗方式决策和手术方案制定,随后按照其方案成功手术矫治,旨在探讨 VR 技术在这类病变外科诊疗过程中的应用价值。

1   资料与方法

1.1   临床资料

2014 年 1 月至 2018 年 6 月,我院心外科在 VR 技术辅助下对 4 例 CAF 与 4 例 AOOCA 患者进行治疗方式决策和手术方案制定,并按照该手术方案进行了手术。患者年龄、性别及病变特征等一般资料参见表 1、表 2。CAF 诊断方法与标准:心脏彩超可见冠状动脉与心脏其他空腔结构存在分流信号,且心脏 CT 显示与心脏空腔结构之间存在异常瘘道;AOOCA 诊断方法与标准:心脏彩超及心脏 CT 均显示冠状动脉异常起源于对侧冠状动脉窦、肺动脉或者高位起源等。

1.2   虚拟现实技术应用

所有患者术前行冠状动脉 CT 成像,基于获取的冠状动脉 CT 图像数据,应用开源软件(3D Slicer)进行 3D 建模,表面进行平滑处理,得到 3D 数字模型(stereolithographic,stl),随后通过人工格式转换,输入到自主研发的软件中,医生戴上 VR 设备观察虚拟心脏,做出治疗决策和制定详细的手术方案。图 1 为 VR 平台环境图,图 1a 展示了医师真实应用场景,包括空间定位器、头戴显示器,控制手柄,同步显示器和主机,图 1b 展示了虚拟空间场景,包括心脏模型、探针、横切器、显示控制屏和手控模型,其中,探针具有内窥和做标记功能,横切器可以把心脏以任意角度位置做横切观察。图 2 为其中 1 例右冠状动脉异常起源于左冠窦合并狭窄的患者的应用示范:首先在外观图(图 2a)上整体观察升主动脉(ascending aorta,AAO)、右冠状动脉(right coronary artery,RCA)、左冠状动脉(left coronary artery,LCA)等解剖部位的空间结构情况,根据冠状动脉开口位置、AAO 粗细与长度等,确定可以行壁内冠状动脉去顶术;接着将主动脉虚拟剖开(图 2b~c),根据两个冠状动脉开口的位置,遵循适当远离的原则,标记合适的 AAO 切口;然后利用内窥功能,用探针从 AAO 外壁沿着插进内壁,沿着 RCA 壁内行走的路径标记出去顶切口的长度与具体轨迹,最后从侧面穿透的视角总览整个手术方案(图 2c),评估每个操作的合理性与可行性,如有不合理或不可行之处,则重新修改,直至满意为止。在 VR 技术辅助下制定的最佳手术方案精准指导下,手术成功实施。

2   结果

8 例患者全部可以在冠状动脉 CT 图像上清晰看到畸形结构,但是不能直观地了解畸形及周围结构的空间结构信息,而 VR 技术恰好能弥补 CT 的不足。通过主刀医生评价,全部患者的虚拟心脏结构模型与真实心脏匹配程度好。借助 VR 技术拟定的手术方案,8 例患者手术全部顺利完成,未出现严重并发症(手术方式及出院状态见表 1、2)。4 例 CAF 患者中,术后 3 例无残余瘘,1 例只有微量残余瘘(冠状动脉端开口口径约 1 mm);4 例 AOOCA 患者中,术后 4 例冠状动脉均通畅,2 例术前中-重度二尖瓣反流的患者术后反流明显减轻。

3   讨论

我们利用自主研发的 VR 辅助诊疗平台帮助医生对 4 例 CAF 和 4 例 AOOCA 例在术前进行精准的治疗方式决策和手术方案制定,所有患者手术过程顺利,围术期手术效果良好,没有发生严重的并发症,是新技术与临床结合的成功案例,同时也是医工结合的重要成果。

目前对于冠状动脉瘘,治疗手段分为介入封堵和外科手术,常用的封堵材料包括圈式封堵器材、血管封堵器、可脱卸式球囊、动脉导管未闭封堵伞和覆膜支架等[12-13],外科手术方式主要包括瘘管结扎、经冠状动脉修补和经心腔修补瘘口等;对于冠状动脉异常起源,目前共识是尽可能恢复正常的双冠状动脉供血系统,若是 ALCAPA,可以进行冠状动脉直接移植术[14]或 Takeuchi 术式[15],即构建肺动脉内隧道,将异常起源于肺动脉的冠状动脉开口和主动脉连接,若是冠状动脉异常起源于对侧冠状动脉窦的患者,可以采用壁内冠状动脉去顶术及冠状动脉移植术。

外科治疗时,必须根据冠状动脉畸形和周围结构的具体空间结构信息决定手术方式,而且冠状动脉属于小动脉,口径相对较小,手术必须避免冠状动脉损伤或缩小冠状动脉口径,这是手术的基本原则,也是手术难点之一。传统的超声心动图和冠状动脉 CT 成像等影像学检查和显示方式虽然可以让医生清晰地看到病变,但是只停留在二维层面上,往往需要经验丰富的医生术中反复探查后才能决定手术方案,而由于术前没有直观的了解,探查过程中可能需要切开肺动脉、切开右心房并拉开三尖瓣甚至切开右室等,这些操作均可能损伤心脏,延长手术时间,也存在损伤冠状动脉或误伤心脏其他结构(例如三尖瓣和肺动脉瓣)的可能性,因此过去往往需要经验丰富的主刀医生和团队来完成这一类手术,而且他们往往需要在术前反复与影像医生沟通了解畸形与周围结构的空间结构关系。

我们将 VR 技术应用于 CAF 和 AOOCA 患者的辅助诊疗,医生可以清晰直观地看到冠状动脉畸形及周围的空间结构,从而进行治疗方式决策和手术方案制定。对于 CAF 患者,通过 VR 技术的辅助,主刀医生进行治疗决策:根据瘘道情况,4 例全部经冠状动脉切口修补瘘口,其中 2 例进行自体补片修补,另外 2 例直接缝补;手术方案制定:主刀医生术前就确定了两端瘘口与周围结构的空间关系、瘘道走行,从而确定探查的动作细节、冠状动脉端切开的具体位置等,减少了对心脏的过多牵扯,减少失误的可能性,保证了手术安全。对于 AOOCA 患者,在 VR 技术辅助下,主刀医生进行治疗决策:术前可以清晰直观地看到异常起源冠状动脉的开口、正常冠状动脉开口、与主动脉的距离、主-肺动脉之间空间关系等空间结构信息,从而为患者选择合适的手术方式;手术方案制定:在本次研究的 4 例患者共涉及到了三种常见的手术方式:(1)冠状动脉直接移植术,主刀医生术前具体规划了主动脉切口位置与长度、肺动脉切口位置与长度、异常冠状动脉开口纽扣大小和移植缝合的位置等手术操作方案;(2)Takeuchi 术式,主刀医生术前具体规划了主动脉切口位置与长度、肺动脉切口位置与长度、主-肺动脉开窗具体位置和肺动脉内板障路径等手术操作方案;(3)壁内冠状动脉去顶,主刀医生具体规划去顶径线、粗细和如何避免损伤其他结构等手术操作方案。VR 技术辅助下带来的详尽的手术操作方案的制定,减少了损伤冠状动脉的可能性,保证了手术安全性,在单纯的传统二维影像资料辅助下是做不到的。特别是,我们应用的 VR 辅助诊疗平台为本院与西安电子科技大学自主研发的,无需一次性耗材,患者也不用行额外的检查,因此成本低,有利于大范围推广。

相比于传统二维影像资料,VR 技术可以让医生在术前更清晰地了解冠状动脉瘘或起源异常解剖畸形部位的空间结构信息,辅助医生在术前做出准确的治疗决策和制定详细的手术方案,保证手术安全性,有显著的临床应用价值,且成本低,值得推广应用。

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关键词:
冠状动脉瘘,肺动脉,CAF,外科,诊疗,起源,VR,患者

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