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扩增实境让眼科手术有依循 大学眼科黄宇轩推出CatAR技术

  • 蔡腾辉
大学眼科医师黄宇轩。蔡腾辉

目前,全台有超过五成民众为「眼盲族」,每日盯著屏幕看的平均时间超过8.4个小时。其中又以20~54岁的青壮年族群以9个小时的长度,超越整体平均,也因此青光眼、白内障、视网膜病变等问题随之而来。

目前白内障手术的原则是将水晶体震碎后取出,再置入人工水晶体,操作过程中对伤口处理的好坏,则会因为医师的年资和临床经验而有很大的差异。就好比飞行员有开飞机的模拟器,现在医疗也有手术模拟器,让医师能够在术前练习,借以拉近和临床实作的距离,降低手术中的出错率和提高伤口复原速度。也因此,为了提供更好的医疗过程与提高手术成功率,大学眼科医师黄宇轩和实验室团队共同开发了CatAR扩增实境技术,协助医师模拟眼部疾病手术过程。

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扩增实境技术目前已有导入部分白内障手术流程中,可进行术中眼球追踪及人工水晶体的定位。在术前先使用专用设备拍摄眼球外观,测量角膜的散光轴度,手术过程中便能不断定位,标示手术所需伤口的大小及置中性。接著使用高速超音波乳化机,将不透明的水晶体震碎后取出,再置入人工水晶体。现在的微创显微手术技术进展非凡,病患上午开刀,下午或隔日的视力就有可能恢复至1.0。

对于将扩增实境导入眼科白内障手术的发想,黄宇轩表示,其实很多医学上的特殊案例,都是可以透过平日先行学习和模拟突发状况要如何排解。过去经验较少的年轻医师,只能透过与资深、有经验的医师一起参与手术的机会,学习各种细节。然而,很多罕见的特殊案例,很难透过日常的手术流程学习。事实上,这些罕见案例的手术处理方式,其实都是有标准作业流程可以依循。因此黄宇轩认为,如果可以透过计算机模拟一般手术、突发事件、特殊案例等状况,那将会提升医师临床上的执刀效率和手术成功率。

在执行成功手术的许多必要条件当中,黄宇轩点出临床手感练习、伤口细微处理、术前训练模拟与熟悉器械都非常重要。想将科技导入医疗流程当中,就必须先了解与集成这两个领域。相对于医疗人员来说,因为信息人员对于医疗器械实际上的操作和应用不熟悉,所以就需要投注大量时间向信息团队说明和讨论扩增实境结合医疗的系统开发概念与细节。

为了让彼此更加熟悉3D技术与医疗器械之间的关系与可能的合作模式。黄宇轩从2013年开始,号召志趣相同的实验室硕士和高年级学士班学生,针对3D打印、AR、VR等技术和医疗之间的关系,每周开会1次。这样的状况持续了2年,才让团队之间互相了解。

研发出CatAR的团队,起初人数仅3~4人,却已在硅谷的全球计算机图学(SIGGRAPH)比赛当中大放异彩,得到全球前十名的殊荣。此外,在美国硅谷、北卡罗莱纳州的夏洛特市、日本都有参展,其中在使用者接口软件与科技User Interface Software and Technology (UIST)展当中,得到最佳展示奖。

目前除了白内障以外,视网膜剥离、黄斑部皱褶、黄斑部裂孔都是台湾人眼部开刀的主要原因。其中,视网膜手术的模拟将会是下一个发展的重点项目。黄宇轩表示,目前,CatAR技术尚未应用在眼科以外的手术训练,不过未来也有机会与其它科医师合作,陆续开发不同手术部位的相关模拟课程。

在全球关于眼科手术模拟的市场新科技面向上,目前较知名的有德国的EyeSi虚拟实境技术,也有类似的虚拟实境手术导入过程。不过在EyeSi操作的设备上,仅有一个圆孔状的伤口;但黄宇轩与研发团队设计的扩增实境技术CatAR,则可提供大小1.8~2.4mm,外观与真实相同的平行四边形伤口。透过CatAR提供的3D打印拟真模型,训练过程能够模拟伤口与眼球软硬度不同的组织状态,让医师在极为逼真的状况下学习。

黄宇轩表示,对于经验较少的医师来说,扩增实境技术能够帮助模拟临床状况,提升执刀顺畅度与成功率。对于经验较多的资深医师来说,除了能再精进原本的技术,更能够在模拟的情境下,大胆采用新技术。比方说,有时候厂商会推出新式的手术刀或是镊子等器械,然而,在现行手术过程当中,很难在短时间就转换采用。透过模拟技术,资深医师可以大胆在安全的环境中,尝试使用新的医疗器械,也可以在这样拟真的过程中,评估未来在真实临床手术中导入新器械的可能性。

此外,有了模拟真实临床的手术技术,资深医师的手术作法也能有不同的创新。过往医师可能会有些新的手术手法想要尝试,然而,每一次的手术都攸关病患的身体健康,若非具有很高把握的手术方法,大部分医师还是不会轻易尝试。然而,不尝试,就不会有新的突破与进步。透过拟真手术过程,不仅资深医师的技术转换风险降低,医师的执刀技术与新观念也较能够融入未来医疗的真实场域应用。

这套CatAR设备能进行远程联机,让远距手术学习与指导成为可能。另外并没有限制训练过程中使用的手术器械,因此各种技术都可在此平台上练习。目前尚无绑定何种临床手术才能透过扩增实境练习,若要集成各科别的手术训练系统,尚需信息人员与科别医师的持续努力与推动。

对于扩增实境协助临床手术的过程,黄宇轩认为,以半自动化手术来说,由于眼部结构与手术动作的自由度相对上较为单纯,不久的未来便有机会在眼科实现。全自动手术因为需要更复杂且稳定的计算机视觉技术,所以还需要更长的发展期。

扩增实境依照技术不同,可分为摄影穿透式(Video See-Through)与光学穿透式(Optical See-Through)两大类。CatAR与手机游戏精灵宝可梦GO一样,都是采用摄影穿透式技术,其特色是真实画面和虚拟画面是完全同步的,因此医师在执刀时所看到的画面不会发生虚实错开的状况。反过来说,光学穿透式则可能因为计算延迟,较容易出现虚实错开的状况,而干扰到医师的使用。

近期眼部医学的发展,透过光学设计技术,从原先的单一焦点,进展至可供远 / 近视和老花所使用的水晶体,而现在又推出了三焦点的人工水晶体。由于产业技术不断推陈出新,人工水晶体与天然水晶体的视觉效果已经是越来越接近了。

目前台湾尚无德国的EyeSi模拟训练设备,而由黄宇轩医师和实验团队共同研发CatAR扩增实境技术,未来则能提供医师做为眼科临床手术训练之用。此外,CatAR已于2018年4月在加拿大发表,也在台湾与美国都有申请专利,目前正在商品化的阶段。