实时渲染体积三维成像技术在沉浸式虚拟现实（VR）中用于先天性胸廓畸形（CTM）婴儿手术规划的潜力

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：The potential of Real-Time rendered-volume 3D Imaging in immersive virtual-reality (VR) for surgical planning in infants with congenital thoracic malformation (CTM)

婴儿先天性胸膜肺畸形（CTM）手术规划中，VR技术作为数字孪生可提升空间认知与诊断准确性，尤其在辅助经验不足外科医生制定更精准的肺叶切除术方案（lobectomy推荐率57% vs 50%, p=0.046）。尽管评估时间增加（203.2±117.4秒 vs 124.1±69.7秒），但VR在病理诊断正确率（82.1% vs 73.2%）和手术决策支持方面具有显著优势。研究为智能医院整合VR数字孪生技术提供了临床依据。

　　### 解读：虚拟现实技术在婴儿先天性胸廓畸形手术规划中的应用

先天性胸廓畸形（Congenital Thoracic Malformation, CTM）是一类复杂的肺部异常疾病，涵盖了多种肺部结构异常，如先天性肺气道畸形（Congenital Pulmonary Airway Malformation, CPAM）、肺隔离症（Pulmonary Sequestration, PS）、支气管囊肿、支气管闭锁、先天性肺叶过度充气、先天性大透亮肺叶（Congenital Large Hyperlucent Lobe, CLHL）以及血管异常等。这类疾病在婴儿中的诊断和术前评估一直是临床挑战，尤其是在影像学技术受限的情况下。传统的低剂量计算机断层扫描（CT）虽然被广泛用于术前评估，但由于婴儿的体型较小，高分辨率影像难以获得，同时，低剂量CT在空间分辨率方面也存在一定的局限性。因此，术前评估的准确性常常受到影响，尤其是在识别复杂解剖结构和病理特征时。

为了克服这些挑战，研究人员开始探索数字化技术，特别是虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术在CTM术前评估和手术规划中的应用。VR技术通过创建三维（3D）模型，能够提供更加直观、互动的影像展示方式，使医生能够在更真实的空间环境中理解患者的具体解剖结构和病理特征。这一技术的应用不仅提升了诊断的准确性，还为手术策略的制定提供了更加个性化的支持。本研究旨在探讨VR技术在婴儿先天性胸廓畸形术前评估和手术规划中的作用，以及其在提升诊断精度和手术策略制定中的潜力。

### 术前评估的挑战与VR的引入

婴儿的先天性胸廓畸形通常通过产前和产后超声检查，以及针对性的磁共振成像（MRI）进行初步诊断。然而，超声和MRI在某些情况下可能无法提供足够的细节，尤其是当需要精确判断病变范围、与周围结构的关系时。低剂量CT扫描作为术前评估的常用手段，虽然可以减少辐射暴露，但其空间分辨率仍然不足以清晰显示复杂的解剖结构。因此，传统CT图像在某些情况下可能会遗漏关键的病变信息，导致术前评估的不确定性。

为了提高CT图像的诊断价值，研究者引入了VR技术，通过将低剂量CT图像重建为三维模型，使得医生能够在虚拟环境中进行互动式探索。这种三维重建技术不仅能够提供更清晰的影像信息，还能帮助医生更直观地理解病变的立体结构，从而在术前制定更精确的手术计划。此外，VR技术还可以用于模拟手术过程，帮助医生在实际操作前进行预演和调整策略。

### 研究方法与设计

本研究回顾性分析了14名接受疑似CTM手术切除的婴儿病例，时间范围为2020年9月至2023年2月。所有病例的CT图像均进行了匿名化处理，并重建为交互式的VR模型。八名外科医生分别使用传统二维CT图像和VR三维重建图像对这些病例进行了评估，评估之间间隔了三个月的“洗脱期”（washout period），以避免记忆偏差。评估内容包括病理检测的准确性、诊断的正确性、病变定位的精确性以及手术方案的制定等。

研究结果显示，VR和传统CT在病理检测方面均达到了100%的敏感度，表明两种方法在识别CTM方面具有相似的准确性。然而，在某些特定方面，VR显示出优势。例如，在识别多叶病变（multilobar involvement）和纵隔移位（mediastinal shift）方面，VR的识别率分别达到了29%和36%，而传统CT分别为21%和29%。这表明VR能够提供更全面的空间信息，帮助医生更准确地判断病变的范围和位置。

在手术方案的制定方面，VR组的外科医生更倾向于推荐肺叶切除（lobectomy），比例为57%，而传统CT组仅为50%。这一差异具有统计学意义（p=0.046），说明VR技术能够显著影响手术策略的选择。此外，VR评估的时间明显长于传统CT评估，平均时间为203.2秒，而传统CT平均为124.1秒（p<0.001）。尽管VR评估耗时更长，但其在手术方案预测的准确性方面表现更优，达到了95%，而传统CT仅为84%。

### VR技术的优势与局限性

VR技术的主要优势在于其能够提供更加直观和交互式的影像信息，使得医生能够在三维空间中更全面地理解病变的解剖结构和空间关系。这种三维可视化技术有助于医生识别复杂的病变模式，如多叶病变和纵隔移位，从而更准确地制定手术方案。此外，VR还能够提高医生的空间认知能力，使他们在术前对病变的立体分布有更清晰的认识，这在传统二维影像中是难以实现的。

然而，VR技术也存在一些局限性。首先，VR评估的时间较长，这可能影响其在临床中的广泛应用。其次，尽管VR在某些方面表现出色，但其在诊断准确性方面的优势并不显著，尤其是在参考放射学报告的情况下，VR的准确率仅比传统CT略高（96.9% vs. 90.6%）。此外，研究中并未评估术中准确性和术后并发症等临床结果，这可能限制了VR技术在实际手术中的应用价值。

### 对外科医生的影响

研究还发现，VR技术对经验较少的外科医生具有特别的价值。在评估过程中，初级医生在使用VR技术后，表现出更好的解剖识别能力和决策能力。这表明VR技术不仅可以帮助经验丰富的医生，还能弥补经验不足的医生在临床训练中的不足。此外，VR技术还能够促进跨学科合作，使得不同专业的医生（如新生儿科医生、放射科医生和重症监护医生）能够在同一平台上进行讨论和决策，从而提高整体的诊断和治疗效果。

### VR在智能医院生态系统中的应用前景

随着数字技术的发展，VR技术在智能医院生态系统中的应用前景广阔。当前的医疗影像数据可以通过医院的图像存档与通信系统（PACS）进行导出，并结合人工智能（AI）分割技术，实现更加自动化和精确的三维重建。此外，VR技术还可以与现有的手术机器人系统相结合，为术中导航和操作提供更加直观的参考。在未来的智能医院中，VR技术有望成为术前评估和手术规划的重要工具，不仅提升手术的精准度，还能增强医生的协作能力和培训效果。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了一定的成果，但其局限性也不容忽视。首先，研究是回顾性的，且仅在单一中心进行，这可能导致样本选择偏差。其次，研究样本量较小（n=14），这可能影响结论的普适性。此外，研究并未评估术中准确性和术后并发症等关键指标，因此无法全面判断VR技术在临床中的实际效果。未来的研究需要更大规模、多中心的前瞻性试验，以验证VR技术在术前评估和手术规划中的长期效益，并探索其在经济和资源分配方面的可行性。

另一个重要的研究方向是开发更加先进的预测性数字孪生模型，这些模型不仅能够反映解剖结构，还能模拟病变的功能变化和术后恢复情况。例如，通过模拟术后肺部的生长和通气能力，医生可以在术前更好地预测手术效果，并制定更加个性化的治疗方案。此外，未来的VR技术还可以结合触觉反馈（haptic feedback）功能，使医生在虚拟环境中获得更真实的触感体验，从而进一步提升手术模拟的真实性和有效性。

### 结论与展望

综上所述，VR技术在婴儿先天性胸廓畸形的术前评估和手术规划中展现出重要的潜力。尽管其在诊断准确性方面的优势并不显著，但在识别复杂病变和制定个性化手术方案方面具有显著的优势。VR技术能够提升医生的空间认知能力，特别是在处理多叶病变和纵隔移位等复杂情况时，能够提供更清晰的影像信息。此外，VR技术对经验较少的医生具有特别的辅助作用，有助于缩小不同经验水平医生之间的差距，促进团队协作和精准医疗的发展。

未来的研究应进一步探索VR技术在智能医院生态系统中的集成方式，以及其在手术机器人和导航系统中的应用潜力。同时，还需要开展更大规模、多中心的前瞻性研究，以评估VR技术在临床中的实际效果，并探讨其在资源分配和成本效益方面的可行性。随着技术的不断进步，VR技术有望成为精准医疗和智能医院建设的重要组成部分，为婴儿先天性胸廓畸形的诊断和治疗提供更加科学和个性化的支持。