虛擬現(xiàn)實技術(shù)在心血管疾病領(lǐng)域的應(yīng)用

石晨卉 周亞萍 林冬銘 黃抒偉

我國城鄉(xiāng)居民總病死原因中，心血管疾病居首位，占居民疾病死亡率構(gòu)成的40%以上，且患病人數(shù)持續(xù)增長[1]。心血管疾病的診療康復(fù)一直是世界關(guān)注的熱點。隨著大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，計算機仿真技術(shù)在心血管疾病領(lǐng)域中的應(yīng)用也不斷增多。虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)是以計算機技術(shù)為核心，結(jié)合圖形學(xué)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多學(xué)科交叉的一項前沿科技[2]。該技術(shù)的應(yīng)用能夠生成逼真的感覺世界，讓用戶使用人的自然技能，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等，對虛擬世界進行感知交互，模擬真實體驗。國內(nèi)外對VR 在心血管疾病領(lǐng)域的研究從初步認知逐漸進入了一個新的層面。本文將進一步闡述VR 技術(shù)在心血管疾病領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 VR 技術(shù)在心血管疾病教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 VR 提升對心臟解剖學(xué)的理解掌握 VR 技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了超越二維屏幕的能力，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以使醫(yī)學(xué)生能夠非侵入性地理解三維器官解剖。國內(nèi)外學(xué)者紛紛將VR 技術(shù)引進課堂，充實解剖課，加深學(xué)生對心臟解剖的三維立體感，從而使學(xué)生能夠更加客觀深刻地理解心臟基礎(chǔ)解剖結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的血流動力學(xué)狀態(tài)。Triepels 等[3]對1148 篇文章薈萃分析發(fā)現(xiàn)，以考試分數(shù)為評價體系，基于計算機、VR 或增強現(xiàn)實的3D 學(xué)習(xí)方法優(yōu)于傳統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)。而多倫多大學(xué)的Maresky 博士對42 名醫(yī)科一年級學(xué)生進行了一項對照研究，在學(xué)習(xí)心臟解剖學(xué)之前，使其中的14 人參加了VR 心臟解剖學(xué)模擬學(xué)習(xí)的課程，在隨后測試中，發(fā)現(xiàn)接受VR 模擬的學(xué)生得分比對照組高23.9%（P＜0.001）[4]。李林林等[5]在阜外醫(yī)院根據(jù)患者構(gòu)建的先天性心臟病的VR 心臟解剖模型并且開展了相關(guān)VR 課程，18 名學(xué)員體驗了教學(xué)，得出了使用VR 的教學(xué)方式具有良好的教學(xué)效果，能夠滿足心血管外科學(xué)培訓(xùn)要求的結(jié)論。VR 技術(shù)提供了一個身臨其境的視覺空間環(huán)境，允許學(xué)習(xí)者與心臟解剖模型進行三維互動。而且有許多公司提供解剖課程的交互式人體解剖學(xué)3D 模型資源，比如Sketchfab軟件等，可以在PC、Mac 和移動設(shè)備應(yīng)用，加強醫(yī)生的學(xué)習(xí)便利性。

1.2 VR 輔助培訓(xùn)心血管疾病手術(shù)操作技能 VR技術(shù)在外科醫(yī)生手術(shù)培訓(xùn)的應(yīng)用中已經(jīng)十分成熟，特別是在腹腔鏡手術(shù)中的應(yīng)用[6-8]。但目前心臟介入手術(shù)住院醫(yī)生都是在導(dǎo)管室接受傳統(tǒng)的學(xué)徒制培訓(xùn)，培養(yǎng)一名能夠獨立操作的醫(yī)生不僅周期長，而且接受的輻射累計量多。Popovic 等[9]在研究中評估了VR 在冠狀動脈造影模擬訓(xùn)練中的有效性，此研究由20 名心臟科住院醫(yī)師參與其中，得出了與傳統(tǒng)基于導(dǎo)管室操作培訓(xùn)相比，基于VR 模擬器的冠脈造影培訓(xùn)提高了學(xué)員技能的結(jié)論。Raad 等[10]調(diào)查了美國26 位綜合胸外科住院醫(yī)師項目主任，他們一致認為利用VR 操作的機器人手術(shù)培訓(xùn)可以引用到胸腔綜合外科住院醫(yī)師計劃的擬議課程中，從而解決了大部分醫(yī)生現(xiàn)實中欠缺培訓(xùn)機會和練習(xí)時長的問題。而且VR 技術(shù)具有很強的適應(yīng)性，軟件更新使得新研發(fā)的資料可以實時導(dǎo)入硬件設(shè)備中，充實教育深度。利用MRI 與CT 可以進行三維成像（例如磁共振血管成像、3D 旋轉(zhuǎn)血管成像等），可以將一些罕見患者的圖像錄入到VR 教學(xué)數(shù)據(jù)庫中，以擴充醫(yī)生對疾病的認知及處理的廣度。

2 VR 技術(shù)在心血管疾病手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 VR 簡化心血管疾病術(shù)前評估 隨著科技不斷地發(fā)展，VR 技術(shù)已經(jīng)可以將平面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為立體可視化影像資料?；加袕?fù)雜心血管疾病的患者往往需要對其進行個性化的判斷，VR 具有的交互式渲染3D 環(huán)境非常適合用來幫助制定其術(shù)前計劃。Ong等[11]就展示了VR 技術(shù)在2 例患有復(fù)雜冠心病的嬰兒術(shù)前計劃中的新應(yīng)用。團隊利用VR 演示了患者心內(nèi)外解剖結(jié)構(gòu)的交互式實時3D 視圖，并據(jù)此討論制定術(shù)前計劃。Knecht 等[12]在指導(dǎo)成人先天性心臟病心律失常導(dǎo)管消融的術(shù)前計劃中，利用3D 打印技術(shù)和VR 進行心臟解剖成像評估。VR 技術(shù)參與的術(shù)前評估與傳統(tǒng)影像評估相比，其渲染環(huán)境技術(shù)造成的沉浸感可以更直觀地呈現(xiàn)手術(shù)相似環(huán)境。這種實時視圖在小組協(xié)作討論上具有便利性和準確性，是對傳統(tǒng)術(shù)前計劃方法的有益補充。VR 還有一個優(yōu)勢，那就是實時互動性。每個復(fù)雜心臟病患者的影像學(xué)資料術(shù)前都可以同時展示給相關(guān)心血管醫(yī)生、外科醫(yī)生、干預(yù)學(xué)家、麻醉師等人。不同地域的醫(yī)生通過實時VR 交流，可以實現(xiàn)更好的術(shù)前評估。

2.2 VR 緩解心血管疾病患者術(shù)前焦慮 心血管疾病術(shù)前圍手術(shù)期患者通常存在焦慮狀況，即使已經(jīng)宣教充分，但仍有部分患者夜間無法入睡，導(dǎo)致術(shù)前血壓，心率遠超于正常指標，少數(shù)患者還需服用藥物控制焦慮。Park 等[13]在對80 名兒童在家長的陪同下進行術(shù)前VR 手術(shù)室之旅的研究中表明，家長與孩子共同體驗VR 之旅，對降低孩子和家長的術(shù)前焦慮都是有效的。斯坦福大學(xué)露西爾·帕卡德兒童醫(yī)院進行的VR 項目，該計劃是在手術(shù)前一周利用VR 頭戴式耳機使患者反復(fù)觀看圍術(shù)期術(shù)前將經(jīng)歷的過程，為患者提供完全身臨其境的體驗。該項目旨在減輕計劃進行心血管手術(shù)患者的焦慮和壓力[14]。近年來，許多證據(jù)表明VR 通過為患者提供身臨其境的體驗結(jié)合傳授正念思想，使得接受心臟手術(shù)的患者緩解手術(shù)相關(guān)焦慮，為患者緩解心臟手術(shù)術(shù)前情緒提供了一項有利的方法。

2.3 VR 提升心血管疾病手術(shù)效能 VR 技術(shù)在心血管疾病手術(shù)中的應(yīng)用目前還處于初期階段。以色列施耐德兒童醫(yī)學(xué)中心的兒科心臟病小組與Realview Medical Image 公司進行合作，目的是評估在標準心導(dǎo)管實驗室創(chuàng)建實時3D 數(shù)字全息圖的可行性[15]。Realview 的高精度的實時3D 全息圖是使用3D旋轉(zhuǎn)血管造影和3D 經(jīng)食管超聲心動圖相結(jié)合創(chuàng)建的，可以實現(xiàn)包括全息圖像切換、標記、裁剪、縮放、旋轉(zhuǎn)等流暢操作。這是第一次在心導(dǎo)管實驗室內(nèi)證明這類研究的可行性。而美國的Opolski 團隊進行了一例真人概念驗證，將谷歌眼鏡（具有顯示和捕獲圖像和視頻的能力，且可以同時與周圍環(huán)境互動的光學(xué)頭盔顯示器的設(shè)備）應(yīng)用到手術(shù)中。三維CT 重建虛擬現(xiàn)實影像可以投影到眼鏡的玻璃屏幕上用來指導(dǎo)經(jīng)皮血運重建慢性閉塞的右冠狀動脈中[16]。這種穿戴式可視VR 提高了介入醫(yī)生舒適度和操作效率。在心臟外科手術(shù)中，手術(shù)室3D 工作站可以對心臟解剖和幾何結(jié)構(gòu)進行準確評估，尤其在患者接受體外循環(huán)和心臟減壓后。而且隨著未來VR 技術(shù)逐步成熟地應(yīng)用在心血管疾病術(shù)中，其作用將不僅僅局限于立體沉浸式地展現(xiàn)心臟心血管三維重建圖。

3 VR 技術(shù)在心臟康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 VR 與心臟康復(fù)的聯(lián)系 心臟康復(fù)是二級預(yù)防心血管疾病的主要手段，使用包括有氧體力活動，心理指導(dǎo)在內(nèi)的多學(xué)科行為生活方式調(diào)整方法，目的是改善心臟功能，減少再次住院，并提高患者生活質(zhì)量[17-18]。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合心臟和心理兩方面提出的雙心醫(yī)學(xué)，認為從病理生理學(xué)角度來看，不良的精神狀況與神經(jīng)內(nèi)分泌功能障礙、炎癥、內(nèi)皮功能受損等因素密切相關(guān)[19-20]。VR 技術(shù)以其沉浸式及便利性等優(yōu)勢可以促進心血管疾病患者的軀體康復(fù)與心理康復(fù)，目前開始運用在心臟康復(fù)各個階段中。

3.2 VR 豐富早期心臟康復(fù)手段 早期心臟康復(fù)包括Ⅰ期和Ⅱ期心臟康復(fù)，Ⅰ期心臟康復(fù)是在住院期間開展的心臟康復(fù)，而Ⅱ期心臟康復(fù)即院外早期康復(fù)[18]。Lucas 等[21]進行了一項應(yīng)用VR 對心臟外科手術(shù)患者進行康復(fù)治療的研究，得出利用VR 作為輔助康復(fù)治療的患者具有獨立性強、精力充沛、疼痛少、住院時間短、行走能力強等優(yōu)勢的結(jié)論。Ⅱ期心臟康復(fù)是心臟康復(fù)的核心時期，但是值得注意的是，Humphrey 等[22]回顧研究發(fā)現(xiàn)，在歐洲28 個國家/地區(qū)受訪者中，22 個國家（79%）的心力衰竭患者很少或通常沒有獲得Ⅱ期心臟康復(fù)。有多因素造成這個不良結(jié)果，首先，專業(yè)康復(fù)指導(dǎo)人員不足，其次，傳統(tǒng)的心臟康復(fù)項目雖然易于操作但是較為枯燥。而VR通過游戲進行的物理互動，使患者參與具有治療目的的游戲，并根據(jù)患者能力調(diào)整游戲強度水平，進一步促進患者參與積極性，從而增加對康復(fù)治療的堅持。目前在康復(fù)中使用Microsoft Kinect 的研究和項目也開始出現(xiàn)。Kinect 系統(tǒng)最初是為Xbox 游戲機開發(fā)的3D 體感攝影機，后被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域。而利用Kinect 開展身體康復(fù)系統(tǒng)，增強了患者堅持身體康復(fù)的動力，提高了患者的自覺性和獨立感[23]。近年來更多游戲領(lǐng)域的VR 技術(shù)經(jīng)過醫(yī)生及專業(yè)康復(fù)師的調(diào)整和監(jiān)督被用于早期心臟康復(fù)中。

3.3 VR 拓展家庭心臟康復(fù)前景 Ⅲ期心臟康復(fù)也稱社區(qū)或家庭康復(fù)期，此期的關(guān)鍵是維持已形成的健康生活方式和運動習(xí)慣[18，24]。國外大量研究證明，急性心肌梗死、心力衰竭等疾病都易致使患者產(chǎn)生抑郁障礙，降低患者對心臟康復(fù)的積極性[20，25]。鑒于全世界心血管疾病的經(jīng)濟負擔(dān)日益增加，開發(fā)一種合適社區(qū)及家庭的心臟康復(fù)方法變得越來越重要。運動型VR 游戲的設(shè)計提供了趣味性康復(fù)的可能性，并且它還可以通過網(wǎng)絡(luò)進行實時互動，培養(yǎng)患者良好的人際交流，康復(fù)進程也能及時反饋于專業(yè)的康復(fù)師。目前承載游戲的設(shè)備類似于微軟Kinect，任天堂Wii 等推出的視頻游戲機市場售價已經(jīng)在普通患者可接受范圍內(nèi)。Vieira 等[26]進行了一項為期6 個月對冠心病患者的家庭心臟康復(fù)專項鍛煉研究。在VR 和傳統(tǒng)康復(fù)環(huán)境中對比，結(jié)果表明VR 提高了患者選擇性注意和沖突解決能力。因此在未來幾年，不斷提高的新技術(shù)會使VR 作為心臟康復(fù)的常規(guī)選擇。

4 小 結(jié)

從術(shù)前計劃到術(shù)中使用，從患者心臟康復(fù)到醫(yī)生教育培訓(xùn)，VR 在心血管疾病方面的應(yīng)用和益處正在逐漸積累。各大公司對硬件和軟件的不斷創(chuàng)新，提高了VR 保真度，增強了用戶沉浸感。技術(shù)逐步的優(yōu)化使得VR 系統(tǒng)處理器在應(yīng)對復(fù)雜任務(wù)時的運轉(zhuǎn)速度不斷加快。但是VR 技術(shù)也存在著不足，其主要依托的顯示設(shè)備為頭戴式顯示器，只能在視場和角度分辨率之間做出折中處理，未能做到宣傳上的所見即所得。而且VR 產(chǎn)生的沉浸感會使部分患者暈眩。目前大型公司比如微軟等也在著手研發(fā)全息投影用來解決設(shè)備限制問題，而專業(yè)技術(shù)人員與醫(yī)療團隊通力協(xié)作，大范圍規(guī)避易致暈眩的VR 場景?？萍嫉牟粩噙M步使得VR 在心血管疾病領(lǐng)域具有一席之地，逐步深入與優(yōu)化VR 研究應(yīng)用，為其今后發(fā)展拓寬了道路。