增强现实在血管和血管内手术:范围综述

简介

基本原理

新兴技术正在迅速改变血管外科手术。特别是，血管内技术的引入为寒武纪技术进化的大爆发在硬件方面[1]及软件[2］．

其中一项技术就是增强现实(AR)，它旨在通过计算机生成的实时虚拟信息输入，提供对真实环境的直观增强，从而提高临床医生的能力。增强现实技术处于从虚拟现实(VR)到现实生活的连续统一体上，在虚拟现实中，用户沉浸在完全虚拟的环境中。AR允许虚拟世界和现实世界之间的最小交互，而混合现实(MR)涉及现实世界和虚拟世界的组合，其中两个元素都能够相互作用[3.］．

血管手术并发症，如伤口感染，与剥离程度、伤口大小和手术时间有关[4］．AR的解剖定位可能有助于减少并发症和改善整体结果。尽管在英国，“第一次就做好”计划使用了血管手术标准化的原则来改善结果[5]， AR有希望考虑到个体患者的解剖和病理，同时通过提供术中指导来标准化技术方法。

外科AR使用了一系列技术，包括日常智能手机设备[6]和商业产品，包括AR头戴式显示器(HMDs)，它为开发人员提供了灵活性，允许临床医生体验直接覆盖在当前现实上的虚拟内容[3.］．

在许多外科专科和亚专科中，AR作为一种重要的培训工具的潜力已被确定[7］．随着越来越专业化的手术实践，更多的患者有合并症，以及普遍的外科培训的伦理挑战，受训者越来越依赖于模拟。仿真已被证明可有效降低培训风险和成本[8］．VR和AR都已成功应用于外科模拟[9];然而，实时信息叠加到现实世界和AR提供的灵活性可以使其成为一个更真实和适应性更强的仿真工具[10］．

关于AR在血管外科应用的文献极为有限[11］．最近一篇关于hmd和智能眼镜在血管手术中的适用性的综述强调了AR hmd在许多外科专业中的应用。然而，本综述中只有4篇论文特别报道了与血管外科相关的应用[11］．到目前为止，AR光谱技术在血管和血管内手术领域的应用还没有综述。

目标

本综述旨在系统检索文献，确定AR在血管和血管内手术中的当前应用，总结关键结果和学习点，同时确定这一不断发展的领域未来研究的途径和差距。

方法

协议

在听取PROSPERO(国际前瞻性系统评价登记册)和PRISMA-ScR(范围评价的首选报告项目和元分析扩展)的建议后，选择了范围评价[12]来确保有效性。

合格标准

纳入标准为(1)英语研究，(2)使用牛津循证医学中心2011年证据水平的至少V级证据，(3)AR在血管或血管内手术中的使用，以及(4)适用于临床实践或培训报告。

排除标准为(1)综述文章或会议摘要，(2)非英语文章，(3)缺乏可用全文的文章，(4)在血管外或血管内手术中使用AR，以及(5)仅使用VR。

搜寻及资讯来源

对MEDLINE、Scopus和Embase数据库进行了系统搜索，允许访问一系列全球临床、科学和工程研究。从一开始到2021年1月8日，所有用英语撰写的研究都被包括在搜索中。

在所有3个数据库搜索中，系统搜索字符串中使用了以下关键词:(“增强现实”或“全息透镜”或“图像叠加”或“daqri”或“神奇飞跃”或“沉浸式现实”或“扩展现实”或“混合现实”或“头戴式显示器”)和(“血管手术”或“血管内”)。没有限制。

证据来源的选择

首先，两名作者(AS和JE)在没有勾结的情况下，根据标题和摘要进行了盲法和独立的选择过程，第三位作者(JS)就差异进行了咨询。接下来，通过分析全文来选择符合条件的研究。

数据项

对每项研究进行单独评估，并寻找以下变量进行数据收集:研究年份、类别(血管内手术[主动脉、外周、静脉或内脏手术]、开放手术和训练)、应用研究或概念和设计、患者数量(如果该研究是临床应用)、偏倚风险(使用的工具见下一节)、研究组和操作员的特征、方法和结果、成像类型和显示类型(如果适用)。

个别证据来源的批判性评估

采用Cochrane工具评估随机试验的偏倚风险2和非随机试验干预的非随机研究的偏倚风险[13，14］．对于那些包括人类参与者但不符合上述评分工具标准的研究，使用了约翰娜·布里格斯研究所批判性评估清单，并根据该清单得出分数。的分数是1分是的，得分为0.5分不清楚的分数为0分没有．结果以百分比表示。百分比越高，偏倚风险越低。

数据图表制作过程与综合

从符合条件的研究中提取数据到证据表中，总结如下:发表年份、研究设计类型、患者数量、方法和结果。第二个表格展示了更多的技术方面的研究，包括成像的类型，跟踪或注册的方法，和显示。证据表中收集的数据被用来定义讨论的主题。任何与AR在血管和血管内手术中的应用相关的数据都可以被合成。

结果

证据来源的选择

从3个数据库的初始搜索中共识别出726篇文章，其中32篇(4.4%)符合纳入和排除标准并被纳入最终结果。请参阅图1有关详细信息，包括排除文章的原因。

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证据来源的特点

共有32篇适用于血管手术和血管内手术的文章符合纳入标准。纳入的文章分为三类:血管开放手术、血管内手术(如适用，可细分为主动脉手术、内脏手术、外周手术和静脉手术)和训练(多媒体附件1［6，15-45])。许多研究在临床前应用，44%(14/32)包括有限数量的人类研究人群。没有具有等效结果指标的人体研究进行比较定量数据分析。

关键的评价

只有在对人类研究人群进行评估的情况下才能进行质量评估，这在44%(14/32)的研究中。由于本研究未纳入随机试验，故未采用Cochrane偏倚风险评估。在临床研究中，6%(2/32)为队列研究[15，19]，根据Cochrane非随机试验偏倚风险工具，发现它们具有中度偏倚风险[13］．在32项研究中，1项(3%)为病例对照研究[25]根据乔安娜布里格斯研究所关键评估检查表，得分为55%，7项(22%)为案例系列研究[28，32，37-40]其中SD(16.1%)平均分为70% (SD 16.1%;范围50%-80%)，3例(9%)为病例报告[16，36，39平均分65%(范围40%-95%)。

这些文章被进一步细分为研究，重点是概念及设计反映了该技术在血管外科的早期阶段和直接进行的研究应用到手术、训练或模拟。

结果综合

概述

与AR概念发展相关的研究占38%(12/32)，其余研究应用于临床和模拟环境。在32项研究中，29项(91%)涉及从临床成像中获得血管的数字结构(多媒体附件2［6，15-45])，包括非对比计算机断层扫描(CT)、CT血管造影、圆锥束CT (CBCT)、磁共振血管造影、常规超声(US)、血管内超声(US)、三维超声(3D US)。

虚拟数据被处理成虚拟对象，并在屏幕、投影仪、监视器或AR HMD上显示给临床医生。完成处理需要几个步骤，包括分割以将模型缩小到感兴趣的区域(例如，主动脉)，通常通过Hounsfield scale进行阈值划分，然后使用3D计算机生成的表面网格，通过在模型中填充孔或缺陷来优化网格，有时使用切片机将模型分解为不同的解剖部分[41］．

登记及追踪

注册和跟踪是增强现实的重要组成部分，允许以可用的方式对齐虚拟和真实数据。注册通常使用标记进行，其中现实世界中的特定模式或解剖标记被用作对应于来自医学成像的虚拟标记的参考[10］．这可以手动执行，也可以使用跟踪器。由于技术进步，可以实时关联真实和虚拟数据中的模式，现在可以实现无标记跟踪[46，47］．集成或外部光学传感器(红外或彩色)可用于跟踪标记或识别患者解剖结构的模式。近年来，同时跟踪深度和颜色的红、绿、蓝深度相机使实时跟踪现实世界成为可能[48］．电磁跟踪是一种有用的方法，用于跟踪地表以下深处的仪器[26］．在许多情况下，例如微软HoloLens，各种传感器输入用于混合跟踪[49］．

这些技术的挑战包括解剖结构的可变形性;例如，当坚硬的血管内装置插入血管时。这些变化可能导致配准错误，这在临床上具有重要意义，例如，在血管内动脉瘤修复术(EVAR)中，复杂的内脏解剖。格罗尔等人[24]提出了计算算法，允许3D模型的一些精确变形，以便与2D透视配准。另一个解决这一问题的创新跟踪解决方案是在血管造影导管尖端安装电磁跟踪器，它可以提供导管在空间中的3D位置和方向的准确信息，如Garcia-Vasquez等人所使用的[27］．

或者，正如Shi等人提出的那样，导管尖端的血管内US可用于在血管内手术期间使用磁跟踪器创建血管的3D模型，以实时定位导管[29］．Parrini等人[21]测试了徒手外部磁铁的使用，作为一种手段，引导磁性血管内设备到他们的目标，使用AR血管模型在一个幽灵。

血管内手术

考虑到血管内手术对成像的固有依赖，AR的潜在好处很早就被发现了，特别是在关键步骤中提高临床医生对3D解剖的理解，以及减少时间、辐射和造影剂照射[50］．图像叠加技术在世界范围内用于复杂的血管内工作，通常依赖于将活体透视与来自x线、CT或磁共振成像的2D或3D图像合并。

EVAR和主动脉疾病

在选择性和紧急情况下，EVAR越来越多地用于复杂和常规肾下腹主动脉瘤的修复。

AR可视化现在已用于规划和EVAR导航，Rynio等人的案例报告[16]描述了使用AR HMD将主动脉瘤和骨骼(位于动脉瘤后方的脊柱)投射为3D全息图，以响应手势和语音命令。

由Fukuda等人于2013年制定的“3D路线图”[34]使用术前CT成像，其中骨髓减影和使用髂骨和腰椎作为标志，导致创建一个图像覆盖，以指导主动脉内移植。这减少了数字减影血管造影(DSA)的需求及其相关风险，最终产生了融合成像。

融合成像已用于混合血管手术室的血管内导航，特别是在复杂的开孔evar中。该技术利用术前3D CT成像将血管结构覆盖到围手术期2D透视图像上，目的是减少透视时间、造影剂剂量和整体手术时间。据Kaladji等报道，该方法也可用于常规手术室，可移动c型臂，在常规主动脉内移植术中效果良好[25］．Koutouzi等[32]修改了这种模式，要求二氧化碳DSA来确认ct衍生的3D血管覆盖层的准确配准，以避免肾功能不良或造影剂过敏的患者使用碘造影剂。

卡拉迪等[33]继续成功地证明了在6例患者的术前或围手术期使用融合成像来执行EVAR，而不使用任何碘造影剂。严重慢性肾病患者行CT平扫。人工绘制EVAR规划中心线，分割处理后标记关键解剖点或着陆区。术前三维图像叠加重建与这些标记，然后投影到二维透视成像，以指导放置主动脉内膜移植，无需使用造影剂(图2)．术后双重监测中未发现动脉内渗漏，术后CT成像显示主动脉内移植物定位误差极小，肾功能无明显下降。

Schulz等人对101名患者的研究[19]在2016年测试了在接受常规肾下静脉内瓣膜造影的患者中单独使用图像覆盖。融合图像叠加使用术前CT血管造影图像与术中CBCT图像与术中DSA图像进行比较。虽然在大多数患者(占患者队列的68%)中观察到< 5mm的准确性，但在一些患者中注意到显著的偏差，包括9例患者(占患者队列的9%)的显著尾侧偏差，这将导致覆盖最低位置的肾动脉，导致显著的手术发病率。因此，建议进行造影剂注射研究，以插管最低的内脏血管。

Koutouzi等[28]描述了一种技术，旨在使用图像覆盖来降低胸椎静脉内置换(TEVAR)过程中覆盖肋间动脉的风险，这可能会影响脊髓灌注，导致肢体麻痹。术中采用CBCT与术前CT血管造影进行3D-3D配准，以提高准确性。一旦校准到实时透视，这个重叠的3D模型被用来指导TEVAR和避免预先规划的肋间动脉。报告7例，无脊髓损伤。

图像叠加技术的一个常见问题是术前CT扫描创建的刚性3D模型的不可变形性。加西亚-瓦斯奎兹等人[27尝试使用3D US来创建患者解剖结构的实时模型，佩戴AR HMD的临床医生可以看到。结合von Haxthausen等人使用的电磁导管尖端跟踪系统[26]，这一概念已被提出用于完全无辐射和静脉造影的EVAR，并在带有主动脉瘤3D模型的幻影模型上进行了测试[27］．这个概念取得了可喜的进展(图3）;然而，关于注册准确性的问题仍然存在。

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血管内-周围动脉疾病

血管内技术正被应用于有合并症的患者中日益复杂的手术问题。在航行曲折的船只时，减少辐射和对比暴露的潜力使AR技术的应用更具吸引力。

吕等[36]描述了通过AR系统与CT血管造影图像衍生的透视图像叠加成功的逆行腓骨通路。操作人员佩戴AR眼镜引导针头轨迹。病例报告强调了技术困难，包括需要手动注册，以及必须将AR HMD上的虚拟点与患者腿部的基准标记对齐。此外，在AR HMD上调整针路轨迹需要获得新的技术技能。

Goudeketting等人的工作[37]重点研究了经皮髂骨病变血管成形术术前磁共振造影图像融合的准确性。根据血管造影专家的说法，他们发现导丝和血管内导管并没有引起明显的血管移位来影响图像融合。

斯维尔德罗等[15]回顾性比较了颈动脉支架植入2D-3D图像融合(46例患者)和未植入(70例患者)。磁共振成像或CT血管造影图像叠加在实时2D透视上。他们观察到，使用这种技术明显改善了插管时间，减少了辐射暴露。

Endovascular-Venous疾病

与动脉介入相比，血管内静脉介入可能更具挑战性，因为缺乏血管钙化和血管壁厚度减少的标志。施魏因等[38]利用图像融合技术与磁共振静脉造影成功地对4例中心静脉闭塞患者进行再通。人们认为磁共振静脉成像图像融合提高了临床医生的信心和困难静脉血管内导航的安全性。

开放手术

概述

“传统的”开放血管手术越来越多地被新的血管内技术所取代，如前所述，结合组织变形的问题，可能解释了为什么AR在该领域的研究较少。

Mochazuki等人在下肢血运重建手术中成功地展示了一种新的图像覆盖系统的使用[40］．该系统使用术前CT成像帮助定位目标远端吻合点，并以分支动脉为参考点(图4)．

现代手机有多个传感器，可以用于ar辅助手术。方便使用(大多数运营商都有移动电话)的好处和成本使它们成为一个有吸引力的选择。ar辅助手术系统由Aly [6在血管手术过程中提供3D指导。智能手机使用CT血管造影图像生成融合患者解剖结构的3D引导模型，并比较了旋转跟踪和位置跟踪在规划髂股绕道术以及股总动脉血管内鞘放置(图5)．

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机器人手术

AR与机器人辅助手术的使用在世界范围内引起了越来越多的学术兴趣。Pietrabissa等[39]成功地使用AR HMD将CT血管造影的手术解剖结构叠加到患者身上，用于术前规划，指导套管针的放置和解剖，从而最大限度地减少使用达芬奇手术系统的干扰。虽然机器人辅助手术在血管干预中越来越普遍，但AR的使用仍处于采用和研究的早期阶段。

训练及模拟

在我们的综述中，已发表的关于AR血管和血管内训练的研究仅占16%(5/32)。在这5篇论文中，1篇(20%)将其应用于血管外科医生的培训，而4篇(80%)专注于设计概念。

曼吉纳等[41]测试了从CT血管造影图像中创建主动脉3D模型的概念，使用了许多编程工具和平台，包括团结，ARToolKit,Pro /工程师．创建了一个模型主动脉，具有与VR和AR跟踪技术相结合的潜力，以创建一个精确的训练和教育工具，应用于开放和血管内训练。

Bartesaghi等[43]使用类似的技术创建了主动脉的3D模型，投影到人体模型上，以实现EVAR的3D AR模拟。原始模型来源于CT血管造影图像，通过网格分割建立模型。该软件针对模拟和硬件人体模型之间的相互作用进行了优化，允许外科受术者学习EVAR的步骤。

类似地，Anderson等人[45]描述了基于pc机的介入放射学AR模拟系统的发展(图6)．该系统允许通过触觉用户界面设备实时操作导管和导丝，该设备在3d生成的血管模型上创建了仪器运动的手眼协调现实主义。内置了额外的增强功能，包括c臂的管理和后续冲洗和控制。这篇论文报告了来自神经系统和周围血管介入专家的良好的初始反馈，他们认为该系统具有75%的预期功能，对教育模拟很有用，需要进一步的工作来实现术前规划的充分真实性。

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克劳利等[42，51]基于曼吉纳等人的研究成果[41]，进一步探讨了EVAR MR模拟的概念。他们发现，通过创建一个固体3d打印的主动脉瘤模型，可以放置和操作真正的仪器(导丝、导管和输送设备)，从而实现模拟触觉的真实感。移动设备通过AR软件(ARToolKit或Daqri)为用户提供荧光数据，而3D模型提供触觉反馈。3d打印模型的局限性包括缺乏血管壁的可变形性和导管尖端对模型壁的反馈的真实性。该系统的可用性由医学院学生和大学讲师进行了测试。

Cheng等人设计了一个AR系统，用于美国引导的血管内手术训练[20.］．活体美国图像被转移到预扫描的主动脉和髂动脉模型，并扩展到计算机辅助的远程血管内手术模型。用户可以使用带有计算机生成图像的机器人设备导航血管内导管，以增强对空间导管的3D理解。幻影提供触觉和视觉反馈，旨在尽可能真实。

Rudarakanchana等[44]将模拟的概念应用于破裂EVAR的压力设置。这是通过将VR模拟器集成到整个团队在场的模拟血管造影套件中来实现的。共有10个小组接受了测试:5个由介入专家领导，5个由受训人员领导。这项研究测量了实现近端控制的时间、整个过程和透视时间。专家使用缩短的透视时间明显快于学员，这表明模拟模型对现实经验具有良好的适用性。特别是，通过反馈强调了模拟在改善团队沟通和人为因素技能方面的价值，这表明AR和MR模拟可以作为改善破裂EVAR结果的有用辅助手段。

我们的综述表明，获取数据用于显示的最常用的方式是CT血管造影(表1)， CBCT常用于患者在手术室的登记过程中。显示类型将取决于应用程序，包括一系列显示类型，图像融合研究使显示器成为最普遍的显示(表2)．

讨论

证据摘要

综述的研究表明，手术中的增强现实技术通常依赖于使用跟踪方法将虚拟图像或物体配准到真实患者上，该方法可以跟踪真实环境并将虚拟物体放置在正确的位置和方向上。我们的研究揭示了AR在血管手术中的广泛应用。图像叠加技术应用日益广泛，其在血管内治疗外周动脉疾病中的应用价值被报道[37]、深静脉疾病[38]、颈动脉支架植入术[15]，以及主动脉疾病[19，32]， tevar [28]，以及复杂的肠外炎个案[31，52])。有证据表明，它可以提高技术上的成功，同时减少手术时间、辐射剂量和对比量。

然而，对于图像配准的准确性仍然存在担忧，特别是对于更复杂的解剖结构[19］．一个常见的问题是血管结构的变形呼吸，手术操作，或伸出使用刚性支架输送系统的血管(如用于EVAR的髂动脉和目标内脏动脉)。新兴技术为提高叠加数据的实时准确性提供了新的解决方案。健壮的可变形配准算法或术中实时3D扫描仪是辅助ar引导的软或可变形结构手术的潜在解决方案。特别是3D和血管内US提供无辐射和无对比的模式，以创建术中使用的实时图像[27]，而电磁追踪则提供导管装置的同期空间信息[26］．这些技术的集成需要高水平的数据传输和处理，必须通过技术来满足，以防止滞后[53］．

AR hmd允许佩戴者免提访问直接覆盖在患者身上的虚拟数据。特别是对EVAR的几项研究已经显示出早期的希望，它们可以减少对辐射和对比照射的需求，同时提高准确性[26，27，31］．开放式手术和机器人手术的研究证实了这一点[39，54］．像HoloLens这样的AR hmd仍然存在一些技术问题，可能会限制它们的实用性。它们的重量(500-645克，取决于设备和制造商)会在长时间的手术过程中引起不适和疲劳。AR HMD的处理能力和内存有限，这可能会限制某些应用。沉浸式体验可能会受到有限的视野和投影大小的限制，而图像质量和计算时间将随着技术的发展而改善。对于合并和显示虚拟和真实信息的最佳方法，目前还没有达成共识，这样深度感知或焦点和视觉混乱就不会分散佩戴者的注意力。11，55］．

大多数纳入的研究(28/ 32,88%)描述了AR的小规模实施，研究参与者有限，研究中使用了广泛的AR硬件和软件平台。只有44%(14/32)的研究包括人类研究人群。随着AR在血管手术中变得越来越普遍，更多的证据将会出现，我们相信这些局限性将不再是一个问题。

相当一部分研究是临床前应用，并证明了概念验证结果。然而，AR解决方案适用于血管外科的广泛领域，包括本范围综述中强调的领域。

限制

本文检索了三个数据库(MEDLINE、Embase和Scopus)，以广泛评估AR在临床和教育方面的当前影响，同时也确定了潜在的未来应用范围。然而，在这个快速发展的领域，私营企业正在开发的AR应用程序并没有包括在我们的审查内容中。虽然我们的选择标准集中在血管和血管内手术，但它与应用于其他医学和外科专业的工作有显著的交叉，在介入放射学和相关外科专业的更广泛的发展将进一步通知血管和血管内手术的应用。

结论

AR已经显示出在一系列血管手术应用中，通过数字化增强临床医生的操作能力、降低手术风险和改善患者预后，提高准确性、减少手术时间、辐射暴露和造影剂剂量的潜力。临床医生对准确性和患者安全的要求很高，在对患者使用AR技术时，他们应该意识到潜在的技术缺陷，但也应该意识到潜在的好处。AR在外科模拟和教育中也被证明是一个越来越有价值的工具。随着技术的进步，可以预见的是，增强现实将越来越被依赖于作为外科手术的利器，增强现实将被发现更多的应用，这将使临床医生受益。未来的发展和研究应评估AR的使用是否能改善患者体验和临床效果，作为该技术改善结果和成本效益的客观衡量标准。