杜克大学: 3D VR血流改善心血管治疗决策

杜克大学: 3D VR血流改善心血管治疗决策

原创：武汉协和医院主院区血管外科 Lauretta、Lyu（吕平）

个性化血流建模得益于虚拟现实界面

杜克大学的研究人员开发了一种流体动力学模拟器，可以模拟体内的血液流动，包括单个血细胞的运动。研究人员希望该系统最终能被临床医生用于为个别病人建立血流模型，并帮助病人做出治疗决定，比如支架的放置。

通过测试系统的各种图形用户界面，研究团队了解到，无论是虚拟现实系统（Virtual Reality, VR）还是传统的计算机，参与者都很容易使用，但大多数人更喜欢VR界面，这表明它可以帮助增加用户对系统的接受度。

参与这项研究的研究人员阿曼达·兰德尔斯（Amanda Randles）说：在米国，心血管疾病仍然是头号死亡原因，改善治疗计划和结果的能力仍然是一个重大挑战。随着VR/AR设备的成熟和可用性，我们需要了解这些技术在与这些数据交互中所能发挥的作用。她还指出这项研究对于开发未来对抗心血管疾病的软件来说是非常必要的一步。

这个研究小组已经开发这个软件超过十年了。到目前为止，他们已经证明，该技术可以利用生物医学成像的数据来为个别病人的血管建模。此外，如果需要，该系统还可以模拟全身的血液流动。

然而，在最初的版本中，这个系统并不容易使用，需要计算机编程语言的知识，这意味着临床医生无法使用它。为了解决这个问题，研究人员开发了一个图形用户界面，并在最近试验了几种用户可以与3D血管模型交互的方法，包括传统的计算机显示器和鼠标方法以及沉浸式虚拟现实方法。

他们通过让学生和研究人员在三维模拟中模拟心血管程序，例如支架置入，来测试这些界面。参与者可以很容易地使用不同的界面，但最喜欢的还是VR头盔。

人们更喜欢3D界面，兰德尔斯指出，如果他们更喜欢它，他们就更有可能使用它。这也可能是一个有趣和令人兴奋的方式，让学生参与有关血管系统和血液动力学的课程。

接下来看看来自杜克大学de消息...

3D VR血流改善心血管护理

3D界面提供细胞水平的全身血流建模，以研究和治疗心血管疾病

日期：

2020年5月13日

摘要：

杜克大学（Duke University）的生物医学工程师正在开发一种大型流体动力学模拟器，该模拟器可以以亚细胞分辨率对通过整个人体动脉系统的血流进行建模。这项工作的目标之一是为医生提供一个虚拟现实系统，该系统可以通过模拟病人的特定血管系统来指导他们的治疗计划，并准确预测诸如支架放置、导管插入和其他几何变化等决定将如何影响手术结果。

然而，临床应用的最大障碍之一是开发一个用户界面，使临床医生可以在不需要任何计算机科学专业知识的情况下轻松地探索他们的选择。正如任何程序员都会告诉你的那样，设计一个流畅、直观的界面，让各种背景的人都能快速掌握，是一项艰巨的任务。

在5月7日发表在《计算科学杂志》(Journal of Computational Science)上的一项新研究中，杜克大学(Duke)的研究人员报告了他们为名为哈维（HARVEY）的血流模拟工具创建用户界面的初步尝试。他们研究了从标准的桌面显示器到沉浸式虚拟现实体验的各种界面，发现虽然用户可能喜欢使用标准的鼠标和键盘，但一些更具未来派风格的界面可能会成为广泛采用的关键。

杜克大学生物医学科学助理教授阿曼达·兰德尔斯说:“哈维目前需要C编码和命令行界面的知识，这确实限制了谁可以使用这个程序。”“本文介绍了我们开发的称为哈维的图形用户界面，以便任何人都可以使用哈维，无论他们是试图找出放置支架的最佳位置的外科医生，还是试图设计一种新型支架的生物医学研究人员。”

兰德尔斯开发哈维代码已经有近十年的时间了，她是哈佛大学纯物理学和应用物理学教授埃夫希米奥斯·卡西拉斯（Efthimios Kaxiras）研究组的博士生。在那段时间里，她已经证明哈维可以在更长的尺度上精确地模拟流经病人特定的主动脉和其他血管几何形状的血流。她还展示了该程序可以在整个人体的尺度上模拟3D血液流动。

将哈维投入使用，兰德尔斯帮助研究人员了解了脑动脉瘤的支架治疗和动脉瘤的生长。她发明了一种快速、无创的方法来检查外周动脉疾病，并更好地了解循环中的癌细胞是如何附着在不同组织上的。随着代码计算能力的稳步发展和在现实应用中的实用性，兰德尔斯现在正在努力确保其他人能够充分利用其能力。

兰德尔斯说:“心血管疾病仍然是美国的头号死亡原因，改善治疗计划和结果的能力仍然是一个重大挑战。”“随着VR/AR设备的成熟和可用性，我们需要了解这些技术在与这些数据交互中所能发挥的作用。”这项研究对于开发未来对抗心血管疾病的软件来说是非常必要的一步。”

在这项新研究中，兰德尔斯和她的生物医学工程同事，研究助理哈维·Shi和研究生杰夫·艾姆斯（Jeff Ames）将他们一直在开发的哈维界面进行了测试。他们让医学生和生物医学研究人员模拟三种不同的情况——在两根血管之间放置导管，扩大或缩小血管的大小，或在血管内放置支架。测试用户使用标准的鼠标和电脑屏幕、“Z-space”半沉浸式虚拟现实设备或HTC Vive显示设备的完全沉浸式虚拟现实体验来尝试这些任务。

结果表明，在大多数情况下，无论是在数量上还是质量上，学生和研究人员都可以同等地使用标准的鼠标和键盘界面以及完全沉浸式VR界面。这种半沉浸式显示基本上是一种特殊的指向工具，结合了显示器和3D眼镜，不过，它排在其他两款设备之后，因为用户在适应独特的硬件设置和控制方面存在一些问题。

该研究还提出了其他模拟工作流程的通用设计架构，详细描述了哈维的设计原理，可以扩展到类似的平台。

虽然研究没有发现在质量和效率方面，最具沉浸感的界面和最不具沉浸感的界面之间有任何主要的区别，兰德尔斯确实注意到用户对设备的反应有很大的不同。

“人们更喜欢3D界面，”兰德尔斯说。如果他们更喜欢它，他们就更有可能使用它。这也可能是一个有趣和令人兴奋的方式，让学生参与有关血管系统和血液动力学的课程。”

兰德尔斯说，她计划进行实验，看看她的3D血流界面是否能帮助医学生更好地记住重要的知识。在未来，像这样的工具可以帮助治疗计划，例如使用更直观的虚拟现实界面放置支架。兰德尔斯还希望这些类型的工具将促进个性化流空间中的生物医学研究。

哈维（Harvis）：用于血液动力学修改和模拟的交互式虚拟现实工具

亮点

•介绍了用于与大规模并行血管血流模拟进行交互的计算平台。

•这个集成平台支持2D和VR显示。

•首次针对血液动力学模型的2D和VR设备的用户比较研究。

•2D和完全沉浸式VR表现出比半沉浸式VR更高的血管介入准确性。

摘要

心血管疾病（CVD）在米国影响了超过9000万成年人。近年来，计算血流动力学模型已有助于提高我们对CVD进展的理解；然而，这样的研究工作流程可能具有挑战性，操作起来也不直观。因此，我们开发了哈维，这是一个软件平台，具有用于执行血管模拟的灵活GUI和用于几何修改和流动可视化的支持VR的界面。哈维的目标是简化和整合这一过程，用于研究和未来的临床应用。

我们还提出了一项用户研究(n=26)，评估2D和VR显示器上血管建模的交互作用。

TIPS: 图形用户界面(Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口)

关键词

生物医学可视化；用户研究；数据分析平台；设备比较

哈维·Shi（Harvey Shi）拥有杜克大学生物医学工程和计算机科学专业的BSE（Bachelor of Science in Engineering, 工程学理学士）学位。他目前是杜克大学的研究助理。他的研究兴趣包括并行计算，个性化医学和交互式数据可视化。

杰夫·埃姆斯（Jeff Ames）获得了物理学和工程学学士学位。康奈尔大学计算机科学专业的博士学位。他正在攻读博士学位。杜克大学计算机科学专业。他的研究涉及科学的可视化和数据分析。绩效分析；和分布式数据结构。

阿曼达·兰德尔斯（Amanda Randles）是杜克大学生物医学工程系的Alfred Winborne Mordecai和Victoria Stover Mordecai助理教授。她获得了博士学位。她拥有哈佛大学的应用物理学博士学位和计算机科学硕士学位。她拥有杜克大学的物理学和计算机科学学士学位。从2013年至2015年，她担任劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的劳伦斯研究员。在读研究生之前，她在IBM的Blue Gene超级计算机上工作。她曾获得ACM Grace Murray Hopper奖，NIH早期独立奖，被提名为2017年麻省理工学院TR35有远见者。她的研究专注于生物医学模拟和高性能计算。