用于设计患者特异性血管移植的虚拟现实心脏手术计划软件(CorFix):开发和试点可用性研究

简介

在全世界近1%的新生儿中，先天性心脏病是最常见的出生缺陷[1］．那些被诊断为单心室心脏缺陷(SVHD)的患者，一种罕见的先天性心脏病，经历混合循环的含氧和脱氧血液流动。SVHD患者接受3个阶段的挽救生命的手术——norwood, Glenn和fontan——引导缺氧血液流向肺部，而不经过心脏。第一阶段，即诺伍德手术，重建主动脉弓，将其连接到右心室，并放置一个全身至肺动脉分流器[2］．在II期Glenn手术中，通过连接上腔静脉(SVC)和右肺动脉(PA)建立上腔肺吻合术[3.，4］．第三阶段，Fontan手术，包括在下腔静脉(IVC)和PA之间缝合血管移植物，使静脉血被动地流向肺部进行氧合。当fontan术后循环不能提供理想的血流动力学时，患者可能有PA压升高、PA解剖异常、房室瓣膜返流和心室功能不佳的风险增加[4］．

医学成像扫描和3d打印技术的进步已经显示出定制Fontan移植物的巨大潜力。其中一种定制化方法被称为组织工程血管移植(TEVGs)，它使用生物相容性材料促进新组织的生长，包括胶原蛋白、血管肌肉和内皮细胞[5，6］．新组织生长的一个显著优势是开放性[7]，允许植入的移植物随着患者的生长而生长[8］．与同类合成移植物相比，它也被认为具有更强的抗血栓性和更低的传染性[9］．这些特点可以支持方丹手术的长期效益。TEVG包括3d打印技术，如铸造、静电纺丝和模块化结构，可以制造任何形状的TEVG支架[10］．由于合成移植物传统上受限于特定的设计(如圆柱形管状和分叉状)，能够制造支架允许更多针对患者的操作。

3d打印支架可采用多种方法建模，包括计算机辅助设计(CAD)软件[11，移植物建模软件(如surgm [12])和无约束黏土建模[13］．CAD软件是用于参数化接枝设计的最广泛的工具[11，14，15］．尽管CAD很受欢迎，但它复杂的参数化设计过程需要大量的培训和实践，这对医生来说是一个重大的挑战。surgm和无约束粘土建模是两个很好的替代方案，使医生能够更容易和快速地执行建模任务。surgical是一款基于平板电脑的心脏手术计划软件[12］．它提供孔填充，狭窄修复和Fontan移植设计功能。在外科手术中，直径、中心线和吻合区域被定义，支持圆柱形Fontan移植物的设计。使用surgm设计的移植物可能与原生下腔静脉的尺寸不匹配，因为它们仅限于圆柱形设计[16］．此外，由于解剖结构是复杂的和体积的，缺乏深度感知可能会挑战设计过程。无约束黏土建模涉及在3d打印的全腔肺连接(TCPC)解剖模型上成型物理黏土[13］．这种方法不需要大量的训练来操作。然而，依靠3d打印的TCPC解剖结构和粘土很难进行精确控制，微小的形状变化可能会产生巨大的后果。此外，使用这些技术，详细的查看和报告、设计保存和未来的编辑都不是很直接的。

仅生产移植物设计的能力不足以优化Fontan程序。如果不考虑每个移植物设计内部的流动，患者发生并发症的风险可能会增加。多项研究强调了低索引功率损耗(iPL)的重要性[17，18]，肝脏血流均衡分布[19，20.]，以及较低的非生理性壁剪切应力百分比(%WSS) [13］．高iPL与更大几率的运动不耐受相关[21]， HFD不平衡与肺动静脉畸形相关[22]，低%WSS区域与更高的血栓形成几率相关[23］．可以使用物理模型或计算流体动力学(CFD)模拟来评估这些血流动力学性能。物理安装需要3D打印一个移植模型，并在其中运行模拟血液的液体。先进成像技术，如4D流磁共振成像，光学成像方法，如粒子图像测速[24，用于测量流场，用于计算WSS和HFD。iPL可由印刷移植物边界处的压力传感器测量[25，26］．然而，这些方法需要对每一个设计修改进行打印和测试。因此，测量血流动力学性能的物理设置是劳动和时间密集的。物理测试也受到空间分辨率、信号噪声和分割误差的限制。作为一种计算流体流动的数学方法，CFD可以减少甚至克服这些限制[27，28］．它可以在计算机上可视化任何形状的移植物内的多个流动特性，而不需要购买任何设备或打印实际模型。CFD模拟的准确性得到了广泛的认可，并已得到多项体内和体外研究的验证[25，29-31］．然而，在连接3D建模和CFD的工具方面还需要进一步的开发。执行这些任务的大多数可用工具都很复杂，需要数小时的培训。在我们之前的研究中，我们开发了我们的第一个虚拟现实(VR)血管移植设计软件原型，CorFix [32］．CorFix的第一个原型集诊断、管状移植物设计、自由形态移植物设计和三维输出功能于一体。诊断功能包括旋转、放大和缩小、解剖剪辑、注释和截图。该自由形式的移植物设计包括用于操纵所设计管状移植物表面网格的推和拉方法。即使是经过CAD培训的工程师对该软件进行评估，CorFix在时间和移植设计质量上都优于CAD软件。在本次研究中，我们开发了一个显著改进的CorFix第二版本，修改了VR界面，增加了分叉接枝设计、设计导出和导入以及CFD可视化功能。虽然工程师被证明有能力完成移植设计任务，但我们在这里关注的是使医生能够管理设计任务的能力并进行评估。通过改进CorFix软件，我们希望消除手术可行性和偏好评估的不确定性。我们还希望通过避免多方之间来回的沟通，减少针对患者的手术计划的沟通和讨论时间。本研究有两个目的:(1)评估医生和工程师对该软件的使用，(2)探索以数值和图形格式查看血流动力学模拟结果的影响。 Our study included usability testing and design performance evaluations where we compared CorFix designs created by 4 medical doctors and 1 biomedical engineer for an actual surgical case.

方法

伦理批准

本研究由国立儿童医院调查审查委员会批准(参考编号:Pro00009721)。

医学图像的选择与获取

通过磁共振成像获得了一个匿名的fontan术后成像数据集。数据集被导出为DICOM文件，然后使用Mimics软件(Materialise)手动分割成两个3D模型:(1)TCPC模型和(2)不带TCPC解剖结构的心脏模型(图1a).对TCPC解剖结构进行CFD模拟，评估其血流动力学性能。在实验中，缝合的血管移植物几乎从TCPC解剖结构中移除，产生了包括IVC和Glenn(即PA和SVC)在内的2个独立的解剖结构。使用SolidWorks软件(Dassault Systèmes)将原生下腔静脉表面向下挤压10 mm，以显示原生下腔静脉的方向(图1b)。

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CorFix发展

VR手术规划软件CorFix是基于Unity 3D引擎开发的。软件运行平台是一台Alienware Aurora R8(戴尔)，搭载英特尔酷睿i7-9700处理器，NVIDIA GeForce RTX-2080Ti, 16gb内存。使用Oculus Rift S在全沉浸式VR中显示CorFix。触摸控制器(Oculus Rift)集成到系统中与界面交互。CorFix以前被设计为执行简单的诊断(如缩放、旋转、标签、标尺和剪切)和建模(如切割血管、参数化建模和自由形式建模)任务。这个版本的CorFix有一个修改的用户界面，以适应在VR、建模软件(如CAD)或CFD方面没有受过训练的临床医生。该界面允许用户在短时间内直观地设计患者特定的血管移植，并在工作流程中集成图像分析。

嫁接设计的CorFix接口

Corfix接口被设计为支持简单的内存回忆，允许一个简短的、1次的、10分钟的教程。虚拟剪贴板被用作菜单和Oculus控制器信息的访问点。最上面一行包含了支持管状或分叉移植物设计的图标。图标的设计与相应的几何和解剖结构的颜色和形状相匹配。在剪贴板的中央，有一个Oculus控制器及其功能的图表。最下面一行是设计过程完成时所需的菜单(图2)．“保存3D”菜单选项包括导出设计的嫁接到3D格式的OBJ文件。“保存草图”菜单是作为一个新开发的功能来保存当前的嫁接设计以供将来编辑。

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设计导出和导入功能

导入过程保存了重建移植物设计所需的所有信息，使用与构建导管相同的算法。它首先保存心脏，格伦和移植物的转换信息。然后存储贝塞尔曲线的位置和半径。然后，这些数据按上述顺序导出到一个CSV(逗号分隔值)文件中。设计导入特性的工作原理是从上到下解析保存的文件，然后按此顺序重构场景。

开叉设计特点

分支移植物的最小设计参数为2个吻合区和1个分裂区(图3a).为了确定吻合位置，修改了中心蓝色球体。两个黄色的球体位于它们各自的几何控制点附近，用于定义椭圆的半径。触摸控制器可以抓取和调整这些黄色球体。随后，通过对椭圆的极坐标方程，计算并存储了沿椭圆的多个半径。

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这些计算出的点被连接到椭圆的中心，形成三角形网格，形成一个曲面。用两条三次Bezier曲线来确定分叉移植物的路径和周长。第一个Bezier曲线使用原生下腔静脉表面的中心和用户定义的吻合区域。第二个贝塞尔曲线使用另一个吻合区域的中心和用户指定的移植物分裂区域。路径公式如下:

P (t) =P ₀(1 +t）^3.+P ₁（3t(1 -t）²) +P ₂（3t ²(1 -t) +P _3.（t ^3.）(1）

在哪里P₀而且P_3.为锚点，表示两个不同曲面的中心点;而且P₁和P₂定义路径方向和强度的句柄是否带有变量t从0到1 (图3)．用户可以选择添加任意数量的锚点，以便对路径进行更精确、更复杂的控制。添加额外的锚点将单个贝塞尔曲线分割为两个三次贝塞尔曲线。在每个锚点自动创建两个相邻的句柄。沿着路径连接椭圆网格和原生IVC曲面需要以下3个插值步骤:

∆=r ₁- - - - - -r ₀ （2）

f（t） （3）

r_t＝r ₀+∆∙f（t）（4）

其中，∆为从一个中心点到另一个中心点的半径之差。例如,r₁可能是吻合区域的一条半径r₀可能是原始下腔静脉表面的半径之一。f（t)为内插调整因子t．这封信t表示贝塞尔曲线上的任意位置。的中心点r₀而且r₁定义为0和1t．

血流动力学仿真可视化

血流动力学模拟结果以。h5格式输出。由于Unity不支持.h5格式，所以我们使用MATLAB (MathWorks)开发了一个数据导入和转换脚本。该脚本由3部分组成:数据大小、血流动力学性能总结和原始WSS值。数据大小行汇总了被模拟的嫁接设计的数量和原始WSS值的总长度。血流动力学性能总结包括每个移植物的iPL、%WSS和HFD信息。原始WSS值由移植的x、y和z坐标上的实际WSS值组成。这些部分被连接到一个CSV文件中，然后导入到Unity中。默认情况下，最小和最大WSS设置为0和1,分别。最大WSS可以通过向右滚动剪贴板上的滑块来更改。滑块的最大阈值是通过计算CSV文件中的最大WSS值自动确定的。所有WSS值非零的点都使用图形处理单元加速渲染，并显示有关该点云的相关数据。图形处理单元加速方法实现了与滑块对应的实时点云渲染。呈现的点云是可抓取和旋转的，供用户详细研究或匹配其方向与当前设计的移植视图(图4)．

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CFD模拟

基准血流动力学性能参数

血流动力学参数包括iPL、%WSS和HFD。iPL是Fontan移植物和PA之间的压差的无因次值。它是用病人的体表面积归一化的。高iPL值增加心脏功能和运动能力恶化的机会[33］．iPL的计算方法如下:

iPL = （5）

其中BSA是患者体表面积，是静压，ρ是血液的密度，是速度,问是流量，和问_年代等于所有入口流速的总和的全身静脉流量。WSS被定义为血液对移植物表面产生的力。健康的静脉WSS生理范围在1到10之间达因/厘米²．如果WSS低于较低的阈值，则移植物表面血栓形成的机会可能增加[34］．小于1的面积之比达因/厘米²已经被确定为非生理性区域。其占总面积的百分比为%WSS，计算方法如下:

在哪里N_一个WSS值的数量是否小于1达因/厘米²在嫁接上为WSS值的总数。HFD是来自方滩的分流与PA的比率。不平衡的血流分流可能导致肺动静脉畸形的高风险[35］．采用单向耦合拉格朗日粒子跟踪方法计算了HFD。这包括在IVC (N)释放无质量的无穷小粒子_{印度河流域文明})．通过PA (N_LPA和N_战)则按以下方式计算:

总粒子的数量是不同的，取决于进口的表面积。粒子之间的间距相等。本研究将每个基准参数的健康范围设置为iPL低于0.03，%WSS低于10%，HFD比在40%到60%之间。

CFD模拟

采用Ansys Fluent 19 (Ansys Inc)对进口和出口边界进行扩展。进气道、IVC和SVC被挤压了其最大直径的10倍。出口，即左PA和右PA，被挤压了50毫米。这些扩展作为一个机制，以发展一个稳定的血流速度剖面。采用牛顿流体和刚性壁假设求解三维稳态Navier-Stokes方程进行CFD模拟。通过计算雷诺数来评估患者解剖结构的层流。

飞行员可用性测试

招聘

位于华盛顿特区的国家儿童医院的机构审查委员会批准了这项研究。这项研究通过向住院医生、研究员、心脏专家和医学工程师发送电子邮件的方式进行宣传。共招募了5名志愿者，包括1名4年住院医师，1名3年心脏科医师，1名儿科重症专科医生，1名儿童心脏外科医生和1名生物医学工程师。所有参与者在参与前都给予了知情同意。

实验过程

在实验前，所有参与者都被询问他们对Fontan程序和血管移植的知识。那些对这些主题没有很好理解的学生被给予了一个简短的指导。本教程在3张PowerPoint (Microsoft)幻灯片中介绍了SVHD患者的解剖、SVHD的外科修复和Fontan移植物的形状。然后，所有参与者都接受了关于3个基准参数的教程，这些参数将被计算出来，以确定他们Fontan移植设计的性能。本教程没有包含任何关于每个基准参数和移植设计参数之间关系的信息。被试被告知，%WSS与iPL呈负相关。在VR环境中可视化地提供了每个基准参数的健康范围，作为参考。上一篇教程是关于CorFix接口的，花了大约10分钟。所有参与者都没有VR的经验，要求CorFix教程包括硬件(Oculus)的信息。在CorFix教程中，参与者戴上装备，通过口头反馈完成以下主题:导入解剖结构，与解剖结构交互，设计基本的管状和分叉Fontan移植，使解剖结构透明，可视化CFD结果，并修改现有的管状设计。

在确认没有关于VR设备或CorFix软件的进一步问题后，参与者创建并导出1个分叉和1个管状方檀移植物的3D模型(图5)．移植体的设计没有时间限制。实验的第二部分包括评估患者解剖结构和其他6个有1个设计参数变化的解剖结构的血流动力学性能。这些变化包括缝合区域向左、向右和向上倾斜;吻合区小的吻合区小的;并向左右两边偏移缝合区域。这些解剖结构在3个基准参数中都不是最优的。所有参与者都对设计做出个人决定，以找到进一步修改之前设计的管状移植物的模式或改进。参与者不需要修改他们的设计。在设计修改结束时提供了三份硬印的调查。 The entire experiment was scripted to provide a uniform experience.

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调查

所有参与者在实验前都填写了一份数字人口调查，包括他们的职位、VR体验水平、Fontan程序的知识和经验，以及流体动力学培训水平等问题。在研究结束时提供了三份硬印的调查报告。系统可用性量表(SUS)和有用性、满意度和易用性问卷(Use)被用来衡量系统的可用性。为了确定使用VR设备时的疾病水平，提供了模拟器疾病问卷(SSQ)。

结果

设计时间

参与者平均花5.49分钟制作一个管状移植物和13.40分钟制作一个分叉移植物。在制作好管子后，修改它的形状平均花费2.92分钟。这一次包括回顾原生患者模型和6个设计变体。设计时间和实际设计汇总见表1而且图6．

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血流动力学性能

本机Fontan病人

未经修改的患者Fontan数据集显示血流动力学表现欠佳。55.36%的Fontan解剖处于非生理最佳WSS条件下，HFD不平衡，72.72%的肝流量流向左侧PA, iPL为0.0086，表明解剖内流量变化最小(图7)．

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管状和分叉移植物

每个参与者产生1个管状和1个分叉方檀移植物。对每种接枝设计进行了CFD模拟。详细的血流动力学结果载于图8．不管移植物的形状如何，所有参与者都能够创造出比手术病例低得多的%WSS设计。然而，没有一个设计在10%或以下的安全范围内。分叉方檀移植物的HFD一般在40% ~ 60%之间。所有移植设计的iPL值均高于原生Fontan手术病例。

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管状接枝改性

所有参与者被要求根据本地Fontan手术病例回顾7种Fontan移植物设计变化。7种设计变化均不适合患者。这些变化是为了帮助参与者识别对每个血流动力学基准参数有贡献的重要设计参数。在评估设计变化后，参与者被给予自由修改他们的管状移植物设计，以尝试优化血流动力学参数。所有改良管状Fontan移植物的患者都能降低%WSS，平均改善7.02%，范围从2.32%(心脏介入医师)到13.28%(生物医学工程师;图9)．

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调查

CorFix在SUS问卷调查中的平均得分为57分，最低得分为42.5分，最高得分为67.5分。平均的SUS值表明我们的原型的可用性是边缘的。USE平均总分(表2)的满分是4.38分(满分为7分)。这表明CorFix提供了很好的有用性、满意度和易用性。与USE相关的4个维度的结果是(1)有用性(平均3.75,SD 1.03)，(2)易用性(平均4.47,SD 1.38)，(3)学习易用性(平均5.10,SD 1.13)，(4)满意度(平均4.60,SD 1.64)。

SSQ (表3)显示，在不到30分钟的时间内使用VR来设计、检查和修改Fontan移植物仍然会导致高水平的恶心、动眼症和定向障碍问题:平均而言，参与者对SSQ的每个参数分别给出11.45、24.26和16.70的答案。SD分别为10.45、26.48和30.18。定向障碍的高SD是由于5个参与者中有3个报告没有定向障碍问题。

讨论

所有参与者都能够在有限的培训下成功地使用VR软件设计患者专用导管。尽管所有参与者都没有VR经验，而且CorFix的可用性被评为可接受的边缘，设计管状和分叉的移植分别花了不到6分钟和14分钟。我们使用花在任务上的时间作为任务难度和用户采用度评估的替代品，因为有可靠的文献表明，在成人学习者中，花在任务上的时间与任务难度相称[36，37］．即使对设计进行了修改，也可以在不到20分钟的时间内为每位患者规划一个Fontan程序。考虑到外科医生繁忙的工作量和病人护理的紧急性质，能够在不到20分钟的时间内为病人评估和定制手术似乎对目前的外科工作流程有利。研究结果反映了近期其他针对其他外科手术的研究，表明虚拟现实是可行的和潜在的有用的，但满意度受限于设备的技术限制和迷失方向的体验[38-40］．

所有参与者都表示，如果对他们的设计进行实时血液动力学分析，他们就能更好地找出设计的缺陷。因此，我们计划进一步开发CorFix软件，以增加实时模拟和可视化功能。我们的系统已经实现了按钮和指针的颜色变化和触觉反馈(即震动)，以支持虚拟场景中的交互性。然而，许多参与者在深度感知和互动性方面遇到了困难。抓取设计控制点甚至点击虚拟菜单上的按钮是经常被观察到的。开发一种能够更好地支持触觉反馈的功能或设备，可能会增强软件的可用性和固有的学习性。

与管状移植物设计相比，分叉移植物设计在改善肝脏血流分布到健康范围方面更成功。在实验中，所有参与者被要求回顾7个不同的管状方檀移植物，这些移植物来自实际的外科病例，尽管这些设计变化都不是最佳的手术。我们假设参与者能够找到设计参数和血流动力学性能之间的模式。我们的研究表明，当参与者在回顾其他案例后决定修改他们的设计时，他们能够通过降低%WSS设计出更理想的移植物。平均降低了7.02%。具有较强流体动力学教育背景的生物医学工程师显示最大%WSS降低率为13.28%。考虑到较低的%WSS与Fontan移植物血栓形成风险较低有关，该设计可为患者提供显著的长期改善。因此，我们推断，用颜色显示问题区域，如等高线图，可能有助于没有工程背景的医生充分识别低%WSS。iPL和HFD的改善在整个参与者中并不一致。与%WSS不同的是，这些血流动力学参数仅以数值形式显示。 We hypothesize that with supplementary graphical visualization, users may be able to improve iPL and HFD more easily.

随着像CorFix这样的移植物建模和评估软件的发展，医生可能能够轻松地定制Fontan移植物，并找到一个长期受益的最佳移植物配置。我们计划进一步开发CorFix，增加实时CFD模拟和移植物自动优化功能，以支持移植物设计和评估过程。我们的下一项研究将包括许多这些变化，并专注于招募更多的心脏外科医生，并针对更多的患者手术病例进行测试。

尽管有3个月的广告宣传和2个月的额外数据收集期，但由于医生数量和他们的可用时间有限，本研究的招募样本很小。我们能够包括具有不同水平的医疗经验的个人，这提供了广泛的用户范围，并支持重要的初步见解。我们未来的研究将涉及更多的参与和更多的患者案例，以补充目前的结果。

这篇论文报道了一个VR软件的设计为特定的血管移植的设计，在一个试点可用性研究中证明了可行性和初始可用性。所有参与者都能在最少的训练下设计出针对患者的移植物设计，设计一个管状移植物平均只需要5.49分钟，设计一个分叉移植物平均只需要13.40分钟。参与者评价设计软件具有良好的有用性、满意度和易用性。在设计过程中，需要进一步改进设计以可视化血流动力学，需要更大的研究来充分比较VR设计与当前最先进的外科手术程序。