混合現實技術在法洛四聯癥術前評估中的應用

何瀟一，葉衛華

解放軍總醫院第一醫學中心 心臟大血管外科，北京 100853

法洛四聯癥是常見的復雜先天性心臟病之一，長期以來法洛四聯癥的診斷和術前評估主要依靠心臟超聲，由于心臟超聲提供的信息有限，術者在術中往往需要花費較多時間對心內結構進行探查，使手術時間、體外循環時間、主動脈阻斷時間延長。隨著成像技術的進步，涌現出許多提高診斷準確性和質量的新方法，如3D 超聲心動圖、CT 三維重建和MRI 三維重建[1-3]。其中研究較多的是CT 三維重建，目前已有多項研究將CT 和3D 打印技術結合應用于臨床幫助診斷和治療[4-5]。但3D 打印制作時間長、制作標準參差不齊、費用昂貴，限制其廣泛應用[6-7]。混合現實技術是繼虛擬現實技術之后出現的全新數字全息影像技術，在用戶、現實世界和虛擬世界之間搭起一個交互反饋的信息回路。用戶戴上混合現實成像眼鏡后即可獲得實時的全息影像內容，使人沉浸在現實和虛擬的混合場景中。混合現實技術目前已廣泛應用于生活中，在醫療領域早期多將這項技術用于教學，后來逐漸運用于臨床[8]。目前在骨科、普通外科、神經外科等學科的臨床應用較為常見[9-13]。相比之下，在心臟外科的應用起步晚，數量少，且并沒有檢索到將混合現實技術應用于法洛四聯癥術前評估的相關報道[14-17]。我們的研究將探索混合現實技術在法洛四聯癥術前評估中的應用價值，提供臨床應用證據。

資料與方法

1 資料 納入2018 年8 月- 2019 年8 月在解放軍總醫院第一醫學中心心臟大血管外科就診，通過經胸心臟超聲(Philips iE33，WA，USA)檢查診斷為法洛四聯癥的連續病例。術前進行心臟CT 血管造影(CTA，GE Revolution CT，WI，USA)檢查，CTA 掃描范圍從鎖骨下緣至心臟膈面橫膈膜水平。對于不能配合檢查的低齡兒童，心臟超聲檢查前口服水合氯醛(50～100 mg/kg)鎮靜，CTA檢查前靜脈泵入右美托咪定鎮靜。

2 術前混合現實3D 模型制作 將獲得的原始CT 圖像DICOM 格式文件，使用醫學成像工作站(Visual3d Medical Technology，Beijing，China)重建并設計3D 心臟模型。使用Hololens(Microsoft，Redmond，USA)混合現實眼鏡和平板電腦探索3D 心臟模型結構，可視化獲取室間隔缺損的位置、形狀和大小數據。由于不同檢測技術存在成像維度不同，無法將測量的室間隔缺損各項數值進行全面對稱性比較，因此將心臟超聲二維圖像的平面直徑和估算面積與混合現實圖像中立體圖像的最長直徑和估算面積進行比較，評價兩種方法在術前評估法洛四聯癥中室間隔缺損大小、形狀和位置方面的表現。

3 術中探查及手術方式 正中開胸后建立體外循環，使用HTK 液(CUSTODIOL，Bensheim，Germany)進行心肌保護，針對不同室間隔缺損類型分別選用經三尖瓣修補、三尖瓣+右心室切口修補或單純右心室切口修補。對室間隔缺損位置、形態和大小進行探查，測量室間隔缺損大小，包括室缺的最長徑線長度和垂直于它的短徑線長度。修補材料全部采用滌綸補片，根據室間隔缺損的形態和大小對補片進行修剪。使用2/0 強生帶墊片雙頭針縫線，采用間斷縫合法，修補過程中注意保護傳導束及主動脈瓣。

4 統計學方法 采用SPSS22.0 統計軟件進行分析。計量數據以±s表示，兩組組間比較采用配對樣本t檢驗，三組間比較采用重復測量方差分析，兩兩比較采用Bonferroni 檢驗。P＜0.05 為差異有統計學意義。

結果

1 患者一般情況 納入連續患者32 例，年齡0.5～40(8.5±12.9)歲。32 例全部進行法洛四聯癥根治術，其中單純法洛四聯癥根治術4 例，法洛四聯癥根治術+動脈導管結扎術8 例，法洛四聯癥根治術+房間隔缺損修補術16 例，法洛四聯癥根治術+動脈導管結扎術+房間隔缺損修補術4 例。手術入路方面，30 例采用經三尖瓣修補，2 例采用經三尖瓣同時切開右心室術式修補。30 例保留了肺動脈瓣，2 例因肺動脈瓣嚴重鈣化、狹窄，同期行肺動脈瓣置換術，無死亡病例。32 例法洛四聯癥患者室間隔缺損均不規則，20 例位于膜周部(圖1，圖2)，10 例位于室上嵴上方，2 例形狀呈不規則長條形，自膜周部至主動脈瓣下(圖3，圖4)。

圖1 混合現實技術展示的膜周部室間隔缺損心臟3D 模型Fig.1 3D model of perimembranous VSD by mixed reality technology

圖2 混合現實技術展示的隱藏右心室部分的膜周部室間隔缺損心臟3D 模型Fig.2 3D model of perimembranous VSD after removal of the myocardium and right ventricle by mixed reality technology

圖3 混合現實技術展示的自膜周部至肺動脈干下的室間隔缺損心臟3D 模型Fig.3 3D model of VSD from perimembranous to below pulmonary valve by mixed reality technology

圖4 混合現實技術展示隱藏右心室部分的自膜周部至肺動脈干下室間隔缺損心臟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 經胸心臟超聲與混合現實3D 模型測量參數比較 心臟超聲測量室間隔缺損的長徑為(13.44±3.25) mm，估算面積為(150±72) mm2；混合現實3D 模型測量室間隔缺損的長徑和短徑分別為(17.19±2.29) mm 和(14.69±2.02) mm，估算面積為(203±54) mm2；術中實際室間隔缺損的長徑和短徑分別為(18.75±3.82) mm 和(14.31±3.11) mm，估算面積為(217±80) mm2。三組室間隔缺損長徑組間比較差異均有統計學意義(P＜0.001)，混合現實3D 模型所示短徑 (P=0.788)和估算面積(P=0.691)與實際室間隔缺損的差異均無統計學意義(P>0.05)。心臟超聲測量右心室流出道狹窄處內徑為(10.67±3.70) mm，大于混合現實3D 模型測量的右心室流出道狹窄處內徑(10.52±3.66)mm，但差異無統計學意義(P=0.806)。重建設計單個3D 模型并能夠用混合現實設備展示的平均用時為38.6 min。測量數據見表1。

表1 三種測量方法的室間隔缺損參數比較Tab.1 Comparison of parameters of VSD between three measuring methods

討論

法洛四聯癥的四個主要病理畸形表現為右心室流出道狹窄、室間隔缺損、主動脈騎跨、右心室肥厚，其中右心室流出道狹窄和室間隔缺損對于疾病發生、發展及診療最為重要，因此更側重于室間隔缺損和右心室流出道狹窄的比較和描述。外科醫生對心臟結構和畸形的判斷依賴于心臟超聲結果和自身經驗，心臟超聲無法顯示室間隔缺損的立體結構，結果報道的直徑通常小于術中所觀察測量到的直徑。

在右心室流出道狹窄處內徑的比較中，混合現實測量的內徑更小，可能與混合現實呈現的是立體圖像有關，這使觀察者能夠找到狹窄處的垂直切面從而獲得最短徑線。雖然混合現實測量的狹窄處內徑小于心臟超聲結果，但兩者差異無統計學意義。在右心室流出道狹窄處結構及位置描述上，心臟超聲可以進行準確診斷，不僅可以顯示是否合并瓣膜狹窄，還能判斷是否合并肺動脈瓣二葉畸形等瓣膜異常，并且可以準確診斷瓣下狹窄的具體位置以及是否合并瓣上狹窄。由于目前三維重建及混合現實技術無法較好地重建瓣膜組織，因此對于右心室流出道狹窄的展示較為困難。但對于肺動脈瓣上的狹窄，混合現實不僅可以顯示狹窄的位置和直徑，還可以立體直觀地顯示狹窄的肺動脈干與主動脈之間的關系，對手術方案的制定具有重要提示作用。

隨著技術進步，許多能夠展示器官3D 結構的技術已在臨床中應用。3D 超聲可以顯示心臟的3D 模型圖像，但其在對心血管結構的精確展示上還有一定差距。磁共振3D 成像技術既可呈現心臟3D 圖像，還能繪制心血管的血流動力學圖像[18]。但由于磁共振檢查時間過長，兒童難以長時間配合，掃描層次過厚，圖像呈現粗糙，并且制作復雜，費用昂貴，因此無法作為復雜先天性心臟病檢查的首選。CTA 在臨床中應用廣泛，得益于CT 檢查設備、3D 模型制作和設計軟件的進步，使三維心臟模型成像技術得到質的飛躍，能夠較為精確地展示心血管結構。

混合現實技術和3D 打印的應用均建立在3D 模型重建的基礎上，但兩者也存在許多差異。混合現實技術具有以下優勢：1)允許用戶對重建設計好的3D 模型進行深度感知和可視化操作，允許用戶隨意調整視角，對心臟進行旋轉、放大、縮小，以及對心臟各個結構進行分割、透明、隱藏。如隱藏心房或心室，去探查內部結構，隱藏肺靜脈或肺動脈，觀察大血管之間的關系。這些在3D 打印中難以實現。2)3D 打印模型的質量受到3D 打印機質量和成本的影響[19]。不同質量的打印機創作出的模型可能差異巨大，甚至影響醫生對心臟結構的判斷。混合現實可以將重建好的3D 模型直接進行展示，減少了中間的影響因素，更好地還原了心臟模型的真實性。3)相比3D 打印，混合現實的成本更低廉，制作時間更短，產品儲存、攜帶和傳輸更方便，更適用于以診斷為目的應用。

目前能夠成熟地將混合現實技術運用在心臟特別是先天性心臟病的研究相對較少。Brun 等[20]通過對1 例右心室雙出口患者的分析驗證混合現實技術用于復雜先心病診斷的可行性。Ong 等[21]使用混合現實技術分析2 例先天性心臟病病例，從采集CT 數據到制作虛擬現實圖像，觀察患者圍術期整體情況，對虛擬現實技術在復雜先天性心臟病中的應用價值進行描述。Liu 等[15]將混合現實技術用于結構性心臟病介入治療。他們的研究均是對虛擬現實或混合現實技術用于先天性心臟病診斷的描述性評價。我們的研究以解決手術中實際問題為目的，增加了法洛四聯癥中室間隔缺損大小、右心室流出道狹窄處內徑的計量數據比較，增加了數據支持和客觀評價指標。同時也側重對法洛四聯癥中室間隔缺損的位置、右心室面室間隔缺損的立體結構進行描述，以達到減少術中探查時間、體外循環時間和主動脈阻斷時間的目的。將術中實際看到的室間隔缺損的位置、形狀和大小與混合現實3D 心臟模型中的室間隔缺損進行對比，結果提示混合現實技術在估測室間隔缺損形狀、大小方面較心臟超聲更為可靠。利用混合現實技術確定室間隔的位置和形狀需要借助幾個因素來判斷，分別是三尖瓣隔瓣，主動脈瓣無冠竇和右冠竇，距離肺動脈瓣的距離以及室間隔缺損是否平整。從這些方面，我們可區別出兩種室間隔缺損的不同。此外，混合現實技術展示的是充盈狀態下的心臟結構，在手術操作結束心臟復跳后，補片的大小和形狀關系到進針點是否撕裂和是否發生殘余分流，充盈狀態下的室缺則能夠幫助醫生更好地進行判斷和決策。

混合現實技術也存在局限性，如圖像展示是在重建3D 模型的基礎上，因此一個高質量的3D 建模至關重要，目前的技術只能重建心房、心室、主動脈、肺動靜脈等主要結構，無法較好地重建瓣膜組織，瓣膜區顯示模糊是限制其進一步應用的主要因素。

綜上所述，混合現實技術可以準確提供法洛四聯癥中室間隔缺損的位置、形狀和大小，能夠幫助醫生更好地了解心內外結構，為法洛四聯癥的術前評估提供了新方法。

利益沖突：無。