引用本文： 邱海龍, 莊建, 岑堅正, 黃美萍, 高強, 陳寄梅, 溫樹生, 許剛, 崔虎軍, 蔡曉維. 虛擬現實技術在冠狀動脈瘺和冠狀動脈異常起源外科診療中的應用價值. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2019, 26(3): 217-221. doi: 10.7507/1007-4848.201811041 復制
冠狀動脈瘺（coronary artery fistula，CAF）指的是冠狀動脈與心房、心室、肺動脈、冠狀靜脈竇、上腔靜脈等空腔結構之間存在異常瘺道，人群發病率約為 0.002%[1]，在所有心臟畸形里面約占 0.4%[2]；冠狀動脈異常起源（abnormal origin of coronary arteries，AOOCA）指的是冠狀動脈異常起源于對側冠狀動脈竇、肺動脈或者高位起源等，其中左冠狀動脈異常起源于肺動脈（anomalous origin of the left coronary artery from the pulmonary artery，ALCAPA）最為常見，發病率約為 1/300 000[3]。這兩種畸形均可造成心肌缺血，發病時間因人而異，以心絞痛、運動耐量下降等心功能衰竭癥狀為主。對這兩種病進行診療時，充分了解畸形的解剖結構是治療成功的前提，而傳統的超聲、冠狀動脈 CT 成像等檢查得到的影像均為二維圖像，醫生難以全面了解畸形及周圍的空間結構。
近年，虛擬現實（virtual reality，VR）技術在醫學中的應用發展迅猛，VR 通過特定的設備，可讓用戶全面直觀地觀察到三維虛擬模型的內外結構，并與之交互。VR 技術早期應用于行為科學研究[4]，后來陸續也有應用于卒中康復[5]、疼痛緩解[6]、醫學教學[7]和手術技巧訓練[8-9]等方面的報道，最近開始有個案報道其在心血管外科的應用，Ong 等[10]應用 VR 技術，重現了 1 例改良 B-T 分流術后的法洛四聯癥患者的心血管結構，并進行了二期手術管徑大小的模擬，最后選擇了合適大小的右室-肺動脈人工管道，在保證管道通暢不受胸骨壓迫的同時，還最大程度保證了以后行經胸肺動脈瓣置換手術的方便程度，另外，他們還利用 2 例復雜先心病患者（1 例共同動脈干合并室間隔缺損和主動脈弓發育不良患者和 1 例手術后經歷了體外膜肺氧合的大室間隔缺損合并右位心患者）的 CT 數據重建出 3D 數字模型并導入到 VR 系統中，讓術者在術前通過 VR 技術對患者的心血管結構進行觀察，得到更全面的解剖信息，從而更好地進行手術規劃[11]。
我院心外科借助 VR 技術對 4 例 CAF 和 4 例 AOOCA 進行了治療方式決策和手術方案制定，隨后按照其方案成功手術矯治，旨在探討 VR 技術在這類病變外科診療過程中的應用價值。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
2014 年 1 月至 2018 年 6 月，我院心外科在 VR 技術輔助下對 4 例 CAF 與 4 例 AOOCA 患者進行治療方式決策和手術方案制定，并按照該手術方案進行了手術。患者年齡、性別及病變特征等一般資料參見表 1、表 2。CAF 診斷方法與標準：心臟彩超可見冠狀動脈與心臟其他空腔結構存在分流信號，且心臟 CT 顯示與心臟空腔結構之間存在異常瘺道；AOOCA 診斷方法與標準：心臟彩超及心臟 CT 均顯示冠狀動脈異常起源于對側冠狀動脈竇、肺動脈或者高位起源等。
表1
4 例冠狀動脈瘺患者資料
表2
4 例冠狀動脈異常起源患者資料
1.2 虛擬現實技術應用
所有患者術前行冠狀動脈 CT 成像，基于獲取的冠狀動脈 CT 圖像數據，應用開源軟件（3D Slicer）進行 3D 建模，表面進行平滑處理，得到 3D 數字模型（stereolithographic，stl），隨后通過人工格式轉換，輸入到自主研發的軟件中，醫生戴上 VR 設備觀察虛擬心臟，做出治療決策和制定詳細的手術方案。圖 1 為 VR 平臺環境圖，圖 1a 展示了醫師真實應用場景，包括空間定位器、頭戴顯示器，控制手柄，同步顯示器和主機，圖 1b 展示了虛擬空間場景，包括心臟模型、探針、橫切器、顯示控制屏和手控模型，其中，探針具有內窺和做標記功能，橫切器可以把心臟以任意角度位置做橫切觀察。圖 2 為其中 1 例右冠狀動脈異常起源于左冠竇合并狹窄的患者的應用示范：首先在外觀圖（圖 2a）上整體觀察升主動脈（ascending aorta，AAO）、右冠狀動脈（right coronary artery，RCA）、左冠狀動脈（left coronary artery，LCA）等解剖部位的空間結構情況，根據冠狀動脈開口位置、AAO 粗細與長度等，確定可以行壁內冠狀動脈去頂術；接著將主動脈虛擬剖開（圖 2b~c），根據兩個冠狀動脈開口的位置，遵循適當遠離的原則，標記合適的 AAO 切口；然后利用內窺功能，用探針從 AAO 外壁沿著插進內壁，沿著 RCA 壁內行走的路徑標記出去頂切口的長度與具體軌跡，最后從側面穿透的視角總覽整個手術方案（圖 2c），評估每個操作的合理性與可行性，如有不合理或不可行之處，則重新修改，直至滿意為止。在 VR 技術輔助下制定的最佳手術方案精準指導下，手術成功實施。
圖1
VR 平臺環境
a：醫師真實應用場景；b：虛擬空間場景
圖2
右冠狀動脈異常起源于左冠竇合并狹窄
a、b、c：虛擬現實模型手術規劃圖；d：冠狀動脈 CT 圖像；e：超聲心動圖圖像；a：根據冠狀動脈走向規劃 AAO 切口；b：根據 LCA 和 RCA 開口及 RCA 壁內路徑規劃去頂切口；c：手術規劃總覽；AAO：升主動脈；RCA：右冠狀動脈；LCA：左冠狀動脈；RA：右心房；PA：肺動脈；LA：左心房
2 結果
8 例患者全部可以在冠狀動脈 CT 圖像上清晰看到畸形結構，但是不能直觀地了解畸形及周圍結構的空間結構信息，而 VR 技術恰好能彌補 CT 的不足。通過主刀醫生評價，全部患者的虛擬心臟結構模型與真實心臟匹配程度好。借助 VR 技術擬定的手術方案，8 例患者手術全部順利完成，未出現嚴重并發癥（手術方式及出院狀態見表 1、2）。4 例 CAF 患者中，術后 3 例無殘余瘺，1 例只有微量殘余瘺（冠狀動脈端開口口徑約 1 mm）；4 例 AOOCA 患者中，術后 4 例冠狀動脈均通暢，2 例術前中-重度二尖瓣反流的患者術后反流明顯減輕。
3 討論
我們利用自主研發的 VR 輔助診療平臺幫助醫生對 4 例 CAF 和 4 例 AOOCA 例在術前進行精準的治療方式決策和手術方案制定，所有患者手術過程順利，圍術期手術效果良好，沒有發生嚴重的并發癥，是新技術與臨床結合的成功案例，同時也是醫工結合的重要成果。
目前對于冠狀動脈瘺，治療手段分為介入封堵和外科手術，常用的封堵材料包括圈式封堵器材、血管封堵器、可脫卸式球囊、動脈導管未閉封堵傘和覆膜支架等[12-13]，外科手術方式主要包括瘺管結扎、經冠狀動脈修補和經心腔修補瘺口等；對于冠狀動脈異常起源，目前共識是盡可能恢復正常的雙冠狀動脈供血系統，若是 ALCAPA，可以進行冠狀動脈直接移植術[14]或 Takeuchi 術式[15]，即構建肺動脈內隧道，將異常起源于肺動脈的冠狀動脈開口和主動脈連接，若是冠狀動脈異常起源于對側冠狀動脈竇的患者，可以采用壁內冠狀動脈去頂術及冠狀動脈移植術。
外科治療時，必須根據冠狀動脈畸形和周圍結構的具體空間結構信息決定手術方式，而且冠狀動脈屬于小動脈，口徑相對較小，手術必須避免冠狀動脈損傷或縮小冠狀動脈口徑，這是手術的基本原則，也是手術難點之一。傳統的超聲心動圖和冠狀動脈 CT 成像等影像學檢查和顯示方式雖然可以讓醫生清晰地看到病變，但是只停留在二維層面上，往往需要經驗豐富的醫生術中反復探查后才能決定手術方案，而由于術前沒有直觀的了解，探查過程中可能需要切開肺動脈、切開右心房并拉開三尖瓣甚至切開右室等，這些操作均可能損傷心臟，延長手術時間，也存在損傷冠狀動脈或誤傷心臟其他結構（例如三尖瓣和肺動脈瓣）的可能性，因此過去往往需要經驗豐富的主刀醫生和團隊來完成這一類手術，而且他們往往需要在術前反復與影像醫生溝通了解畸形與周圍結構的空間結構關系。
我們將 VR 技術應用于 CAF 和 AOOCA 患者的輔助診療，醫生可以清晰直觀地看到冠狀動脈畸形及周圍的空間結構，從而進行治療方式決策和手術方案制定。對于 CAF 患者，通過 VR 技術的輔助，主刀醫生進行治療決策：根據瘺道情況，4 例全部經冠狀動脈切口修補瘺口，其中 2 例進行自體補片修補，另外 2 例直接縫補；手術方案制定：主刀醫生術前就確定了兩端瘺口與周圍結構的空間關系、瘺道走行，從而確定探查的動作細節、冠狀動脈端切開的具體位置等，減少了對心臟的過多牽扯，減少失誤的可能性，保證了手術安全。對于 AOOCA 患者，在 VR 技術輔助下，主刀醫生進行治療決策：術前可以清晰直觀地看到異常起源冠狀動脈的開口、正常冠狀動脈開口、與主動脈的距離、主-肺動脈之間空間關系等空間結構信息，從而為患者選擇合適的手術方式；手術方案制定：在本次研究的 4 例患者共涉及到了三種常見的手術方式：（1）冠狀動脈直接移植術，主刀醫生術前具體規劃了主動脈切口位置與長度、肺動脈切口位置與長度、異常冠狀動脈開口紐扣大小和移植縫合的位置等手術操作方案；（2）Takeuchi 術式，主刀醫生術前具體規劃了主動脈切口位置與長度、肺動脈切口位置與長度、主-肺動脈開窗具體位置和肺動脈內板障路徑等手術操作方案；（3）壁內冠狀動脈去頂，主刀醫生具體規劃去頂徑線、粗細和如何避免損傷其他結構等手術操作方案。VR 技術輔助下帶來的詳盡的手術操作方案的制定，減少了損傷冠狀動脈的可能性，保證了手術安全性，在單純的傳統二維影像資料輔助下是做不到的。特別是，我們應用的 VR 輔助診療平臺為本院與西安電子科技大學自主研發的，無需一次性耗材，患者也不用行額外的檢查，因此成本低，有利于大范圍推廣。
相比于傳統二維影像資料，VR 技術可以讓醫生在術前更清晰地了解冠狀動脈瘺或起源異常解剖畸形部位的空間結構信息，輔助醫生在術前做出準確的治療決策和制定詳細的手術方案，保證手術安全性，有顯著的臨床應用價值，且成本低，值得推廣應用。
冠狀動脈瘺（coronary artery fistula，CAF）指的是冠狀動脈與心房、心室、肺動脈、冠狀靜脈竇、上腔靜脈等空腔結構之間存在異常瘺道，人群發病率約為 0.002%[1]，在所有心臟畸形里面約占 0.4%[2]；冠狀動脈異常起源（abnormal origin of coronary arteries，AOOCA）指的是冠狀動脈異常起源于對側冠狀動脈竇、肺動脈或者高位起源等，其中左冠狀動脈異常起源于肺動脈（anomalous origin of the left coronary artery from the pulmonary artery，ALCAPA）最為常見，發病率約為 1/300 000[3]。這兩種畸形均可造成心肌缺血，發病時間因人而異，以心絞痛、運動耐量下降等心功能衰竭癥狀為主。對這兩種病進行診療時，充分了解畸形的解剖結構是治療成功的前提，而傳統的超聲、冠狀動脈 CT 成像等檢查得到的影像均為二維圖像，醫生難以全面了解畸形及周圍的空間結構。
近年，虛擬現實（virtual reality，VR）技術在醫學中的應用發展迅猛，VR 通過特定的設備，可讓用戶全面直觀地觀察到三維虛擬模型的內外結構，并與之交互。VR 技術早期應用于行為科學研究[4]，后來陸續也有應用于卒中康復[5]、疼痛緩解[6]、醫學教學[7]和手術技巧訓練[8-9]等方面的報道，最近開始有個案報道其在心血管外科的應用，Ong 等[10]應用 VR 技術，重現了 1 例改良 B-T 分流術后的法洛四聯癥患者的心血管結構，并進行了二期手術管徑大小的模擬，最后選擇了合適大小的右室-肺動脈人工管道，在保證管道通暢不受胸骨壓迫的同時，還最大程度保證了以后行經胸肺動脈瓣置換手術的方便程度，另外，他們還利用 2 例復雜先心病患者（1 例共同動脈干合并室間隔缺損和主動脈弓發育不良患者和 1 例手術后經歷了體外膜肺氧合的大室間隔缺損合并右位心患者）的 CT 數據重建出 3D 數字模型并導入到 VR 系統中，讓術者在術前通過 VR 技術對患者的心血管結構進行觀察，得到更全面的解剖信息，從而更好地進行手術規劃[11]。
我院心外科借助 VR 技術對 4 例 CAF 和 4 例 AOOCA 進行了治療方式決策和手術方案制定，隨后按照其方案成功手術矯治，旨在探討 VR 技術在這類病變外科診療過程中的應用價值。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
2014 年 1 月至 2018 年 6 月，我院心外科在 VR 技術輔助下對 4 例 CAF 與 4 例 AOOCA 患者進行治療方式決策和手術方案制定，并按照該手術方案進行了手術。患者年齡、性別及病變特征等一般資料參見表 1、表 2。CAF 診斷方法與標準：心臟彩超可見冠狀動脈與心臟其他空腔結構存在分流信號，且心臟 CT 顯示與心臟空腔結構之間存在異常瘺道；AOOCA 診斷方法與標準：心臟彩超及心臟 CT 均顯示冠狀動脈異常起源于對側冠狀動脈竇、肺動脈或者高位起源等。
表1
4 例冠狀動脈瘺患者資料
表2
4 例冠狀動脈異常起源患者資料
1.2 虛擬現實技術應用
所有患者術前行冠狀動脈 CT 成像，基于獲取的冠狀動脈 CT 圖像數據，應用開源軟件（3D Slicer）進行 3D 建模，表面進行平滑處理，得到 3D 數字模型（stereolithographic，stl），隨后通過人工格式轉換，輸入到自主研發的軟件中，醫生戴上 VR 設備觀察虛擬心臟，做出治療決策和制定詳細的手術方案。圖 1 為 VR 平臺環境圖，圖 1a 展示了醫師真實應用場景，包括空間定位器、頭戴顯示器，控制手柄，同步顯示器和主機，圖 1b 展示了虛擬空間場景，包括心臟模型、探針、橫切器、顯示控制屏和手控模型，其中，探針具有內窺和做標記功能，橫切器可以把心臟以任意角度位置做橫切觀察。圖 2 為其中 1 例右冠狀動脈異常起源于左冠竇合并狹窄的患者的應用示范：首先在外觀圖（圖 2a）上整體觀察升主動脈（ascending aorta，AAO）、右冠狀動脈（right coronary artery，RCA）、左冠狀動脈（left coronary artery，LCA）等解剖部位的空間結構情況，根據冠狀動脈開口位置、AAO 粗細與長度等，確定可以行壁內冠狀動脈去頂術；接著將主動脈虛擬剖開（圖 2b~c），根據兩個冠狀動脈開口的位置，遵循適當遠離的原則，標記合適的 AAO 切口；然后利用內窺功能，用探針從 AAO 外壁沿著插進內壁，沿著 RCA 壁內行走的路徑標記出去頂切口的長度與具體軌跡，最后從側面穿透的視角總覽整個手術方案（圖 2c），評估每個操作的合理性與可行性，如有不合理或不可行之處，則重新修改，直至滿意為止。在 VR 技術輔助下制定的最佳手術方案精準指導下，手術成功實施。
圖1
VR 平臺環境
a：醫師真實應用場景；b：虛擬空間場景
圖2
右冠狀動脈異常起源于左冠竇合并狹窄
a、b、c：虛擬現實模型手術規劃圖；d：冠狀動脈 CT 圖像；e：超聲心動圖圖像；a：根據冠狀動脈走向規劃 AAO 切口；b：根據 LCA 和 RCA 開口及 RCA 壁內路徑規劃去頂切口；c：手術規劃總覽；AAO：升主動脈；RCA：右冠狀動脈；LCA：左冠狀動脈；RA：右心房；PA：肺動脈；LA：左心房
2 結果
8 例患者全部可以在冠狀動脈 CT 圖像上清晰看到畸形結構，但是不能直觀地了解畸形及周圍結構的空間結構信息，而 VR 技術恰好能彌補 CT 的不足。通過主刀醫生評價，全部患者的虛擬心臟結構模型與真實心臟匹配程度好。借助 VR 技術擬定的手術方案，8 例患者手術全部順利完成，未出現嚴重并發癥（手術方式及出院狀態見表 1、2）。4 例 CAF 患者中，術后 3 例無殘余瘺，1 例只有微量殘余瘺（冠狀動脈端開口口徑約 1 mm）；4 例 AOOCA 患者中，術后 4 例冠狀動脈均通暢，2 例術前中-重度二尖瓣反流的患者術后反流明顯減輕。
3 討論
我們利用自主研發的 VR 輔助診療平臺幫助醫生對 4 例 CAF 和 4 例 AOOCA 例在術前進行精準的治療方式決策和手術方案制定，所有患者手術過程順利，圍術期手術效果良好，沒有發生嚴重的并發癥，是新技術與臨床結合的成功案例，同時也是醫工結合的重要成果。
目前對于冠狀動脈瘺，治療手段分為介入封堵和外科手術，常用的封堵材料包括圈式封堵器材、血管封堵器、可脫卸式球囊、動脈導管未閉封堵傘和覆膜支架等[12-13]，外科手術方式主要包括瘺管結扎、經冠狀動脈修補和經心腔修補瘺口等；對于冠狀動脈異常起源，目前共識是盡可能恢復正常的雙冠狀動脈供血系統，若是 ALCAPA，可以進行冠狀動脈直接移植術[14]或 Takeuchi 術式[15]，即構建肺動脈內隧道，將異常起源于肺動脈的冠狀動脈開口和主動脈連接，若是冠狀動脈異常起源于對側冠狀動脈竇的患者，可以采用壁內冠狀動脈去頂術及冠狀動脈移植術。
外科治療時，必須根據冠狀動脈畸形和周圍結構的具體空間結構信息決定手術方式，而且冠狀動脈屬于小動脈，口徑相對較小，手術必須避免冠狀動脈損傷或縮小冠狀動脈口徑，這是手術的基本原則，也是手術難點之一。傳統的超聲心動圖和冠狀動脈 CT 成像等影像學檢查和顯示方式雖然可以讓醫生清晰地看到病變，但是只停留在二維層面上，往往需要經驗豐富的醫生術中反復探查后才能決定手術方案，而由于術前沒有直觀的了解，探查過程中可能需要切開肺動脈、切開右心房并拉開三尖瓣甚至切開右室等，這些操作均可能損傷心臟，延長手術時間，也存在損傷冠狀動脈或誤傷心臟其他結構（例如三尖瓣和肺動脈瓣）的可能性，因此過去往往需要經驗豐富的主刀醫生和團隊來完成這一類手術，而且他們往往需要在術前反復與影像醫生溝通了解畸形與周圍結構的空間結構關系。
我們將 VR 技術應用于 CAF 和 AOOCA 患者的輔助診療，醫生可以清晰直觀地看到冠狀動脈畸形及周圍的空間結構，從而進行治療方式決策和手術方案制定。對于 CAF 患者，通過 VR 技術的輔助，主刀醫生進行治療決策：根據瘺道情況，4 例全部經冠狀動脈切口修補瘺口，其中 2 例進行自體補片修補，另外 2 例直接縫補；手術方案制定：主刀醫生術前就確定了兩端瘺口與周圍結構的空間關系、瘺道走行，從而確定探查的動作細節、冠狀動脈端切開的具體位置等，減少了對心臟的過多牽扯，減少失誤的可能性，保證了手術安全。對于 AOOCA 患者，在 VR 技術輔助下，主刀醫生進行治療決策：術前可以清晰直觀地看到異常起源冠狀動脈的開口、正常冠狀動脈開口、與主動脈的距離、主-肺動脈之間空間關系等空間結構信息，從而為患者選擇合適的手術方式；手術方案制定：在本次研究的 4 例患者共涉及到了三種常見的手術方式：（1）冠狀動脈直接移植術，主刀醫生術前具體規劃了主動脈切口位置與長度、肺動脈切口位置與長度、異常冠狀動脈開口紐扣大小和移植縫合的位置等手術操作方案；（2）Takeuchi 術式，主刀醫生術前具體規劃了主動脈切口位置與長度、肺動脈切口位置與長度、主-肺動脈開窗具體位置和肺動脈內板障路徑等手術操作方案；（3）壁內冠狀動脈去頂，主刀醫生具體規劃去頂徑線、粗細和如何避免損傷其他結構等手術操作方案。VR 技術輔助下帶來的詳盡的手術操作方案的制定，減少了損傷冠狀動脈的可能性，保證了手術安全性，在單純的傳統二維影像資料輔助下是做不到的。特別是，我們應用的 VR 輔助診療平臺為本院與西安電子科技大學自主研發的，無需一次性耗材，患者也不用行額外的檢查，因此成本低，有利于大范圍推廣。
相比于傳統二維影像資料，VR 技術可以讓醫生在術前更清晰地了解冠狀動脈瘺或起源異常解剖畸形部位的空間結構信息，輔助醫生在術前做出準確的治療決策和制定詳細的手術方案，保證手術安全性，有顯著的臨床應用價值，且成本低，值得推廣應用。
