面向冠脉介入训练的患者专用动态数字-物理双胞胎：集成混合现实方法

背景与目标：精确的术前规划和有效的医师培训对于冠脉介入至关重要。尽管医学成像技术取得了进展，但将静态或有限动态成像数据转化为综合性动态心脏模型仍然具有挑战性。现有培训系统缺乏对心脏生理动态的准确模拟。本研究基于 4D-CTA 构建全面的动态心脏模型研究框架，集成数字双胞胎技术、计算机视觉和物理模型制造，为介入心内科提供精确、个性化的工具。方法：采用来自一位年龄为 60 岁、具有三支血管冠脉狭窄的女性的 4D-CTA 数据，我们对心室和冠状动脉进行分割，构建动态模型，并实现基于骨骼皮肤权重的血管变形模拟，覆盖 20 个心脏相位。使用医用级硅胶制造了透明血管物理模型。我们开发了心脏输出分析和虚拟血管造影系统，实现了基于三角测量立体视觉的导丝 3D 重建，并通过血管造影验证和主动脉旁切手术 (CABG) 培训应用评估了系统。结果：虚拟血管造影与真实血管造影的形态一致性达到 80.9%。导丝运动的 Dice 相似系数范围为 0.741-0.812，平均轨迹误差小于 1.1 mm。透明模型在 CABG 培训中显示出优势，允许直接可视化，同时模拟搏动心脏的挑战。结论：我们的患者专用数字-物理双胞胎方法有效再现了冠脉血管的解剖结构和动态特征，为教育和临床规划提供了具有视觉和触觉反馈的动态环境。