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擴增實境讓眼科手術有依循 大學眼科黃宇軒推出CatAR技術

  • 蔡騰輝
大學眼科醫師黃宇軒。蔡騰輝

目前,全台有超過五成民眾為「眼盲族」,每日盯著螢幕看的平均時間超過8.4個小時。其中又以20~54歲的青壯年族群以9個小時的長度,超越整體平均,也因此青光眼、白內障、視網膜病變等問題隨之而來。

目前白內障手術的原則是將水晶體震碎後取出,再置入人工水晶體,操作過程中對傷口處理的好壞,則會因為醫師的年資和臨床經驗而有很大的差異。就好比飛行員有開飛機的模擬器,現在醫療也有手術模擬器,讓醫師能夠在術前練習,藉以拉近和臨床實作的距離,降低手術中的出錯率和提高傷口復原速度。也因此,為了提供更好的醫療過程與提高手術成功率,大學眼科醫師黃宇軒和實驗室團隊共同開發了CatAR擴增實境技術,協助醫師模擬眼部疾病手術過程。

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擴增實境技術目前已有導入部分白內障手術流程中,可進行術中眼球追蹤及人工水晶體的定位。在術前先使用專用設備拍攝眼球外觀,測量角膜的散光軸度,手術過程中便能不斷定位,標示手術所需傷口的大小及置中性。接著使用高速超音波乳化機,將不透明的水晶體震碎後取出,再置入人工水晶體。現在的微創顯微手術技術進展非凡,病患上午開刀,下午或隔日的視力就有可能恢復至1.0。

對於將擴增實境導入眼科白內障手術的發想,黃宇軒表示,其實很多醫學上的特殊案例,都是可以透過平日先行學習和模擬突發狀況要如何排解。過去經驗較少的年輕醫師,只能透過與資深、有經驗的醫師一起參與手術的機會,學習各種細節。然而,很多罕見的特殊案例,很難透過日常的手術流程學習。事實上,這些罕見案例的手術處理方式,其實都是有標準作業流程可以依循。因此黃宇軒認為,如果可以透過電腦模擬一般手術、突發事件、特殊案例等狀況,那將會提升醫師臨床上的執刀效率和手術成功率。

在執行成功手術的許多必要條件當中,黃宇軒點出臨床手感練習、傷口細微處理、術前訓練模擬與熟悉器械都非常重要。想將科技導入醫療流程當中,就必須先瞭解與整合這兩個領域。相對於醫療人員來說,因為資訊人員對於醫療器械實際上的操作和應用不熟悉,所以就需要投注大量時間向資訊團隊說明和討論擴增實境結合醫療的系統開發概念與細節。

為了讓彼此更加熟悉3D技術與醫療器械之間的關係與可能的合作模式。黃宇軒從2013年開始,號召志趣相同的實驗室碩士和高年級學士班學生,針對3D列印、AR、VR等技術和醫療之間的關係,每週開會1次。這樣的狀況持續了2年,才讓團隊之間互相瞭解。

研發出CatAR的團隊,起初人數僅3~4人,卻已在矽谷的全球電腦圖學(SIGGRAPH)比賽當中大放異彩,得到全球前十名的殊榮。此外,在美國矽谷、北卡羅萊納州的夏洛特市、日本都有參展,其中在使用者介面軟體與科技User Interface Software and Technology (UIST)展當中,得到最佳展示獎。

目前除了白內障以外,視網膜剝離、黃斑部皺褶、黃斑部裂孔都是台灣人眼部開刀的主要原因。其中,視網膜手術的模擬將會是下一個發展的重點項目。黃宇軒表示,目前,CatAR技術尚未應用在眼科以外的手術訓練,不過未來也有機會與其他科醫師合作,陸續開發不同手術部位的相關模擬課程。

在全球關於眼科手術模擬的市場新科技面向上,目前較知名的有德國的EyeSi虛擬實境技術,也有類似的虛擬實境手術導入過程。不過在EyeSi操作的設備上,僅有一個圓孔狀的傷口;但黃宇軒與研發團隊設計的擴增實境技術CatAR,則可提供大小1.8~2.4mm,外觀與真實相同的平行四邊形傷口。透過CatAR提供的3D列印擬真模型,訓練過程能夠模擬傷口與眼球軟硬度不同的組織狀態,讓醫師在極為逼真的狀況下學習。

黃宇軒表示,對於經驗較少的醫師來說,擴增實境技術能夠幫助模擬臨床狀況,提升執刀順暢度與成功率。對於經驗較多的資深醫師來說,除了能再精進原本的技術,更能夠在模擬的情境下,大膽採用新技術。比方說,有時候廠商會推出新式的手術刀或是鑷子等器械,然而,在現行手術過程當中,很難在短時間就轉換採用。透過模擬技術,資深醫師可以大膽在安全的環境中,嘗試使用新的醫療器械,也可以在這樣擬真的過程中,評估未來在真實臨床手術中導入新器械的可能性。

此外,有了模擬真實臨床的手術技術,資深醫師的手術作法也能有不同的創新。過往醫師可能會有些新的手術手法想要嘗試,然而,每一次的手術都攸關病患的身體健康,若非具有很高把握的手術方法,大部分醫師還是不會輕易嘗試。然而,不嘗試,就不會有新的突破與進步。透過擬真手術過程,不僅資深醫師的技術轉換風險降低,醫師的執刀技術與新觀念也較能夠融入未來醫療的真實場域應用。

這套CatAR設備能進行遠端連線,讓遠距手術學習與指導成為可能。另外並沒有限制訓練過程中使用的手術器械,因此各種技術都可在此平台上練習。目前尚無綁定何種臨床手術才能透過擴增實境練習,若要整合各科別的手術訓練系統,尚需資訊人員與科別醫師的持續努力與推動。

對於擴增實境協助臨床手術的過程,黃宇軒認為,以半自動化手術來說,由於眼部結構與手術動作的自由度相對上較為單純,不久的未來便有機會在眼科實現。全自動手術因為需要更複雜且穩定的電腦視覺技術,所以還需要更長的發展期。

擴增實境依照技術不同,可分為攝影穿透式(Video See-Through)與光學穿透式(Optical See-Through)兩大類。CatAR與手機遊戲精靈寶可夢GO一樣,都是採用攝影穿透式技術,其特色是真實畫面和虛擬畫面是完全同步的,因此醫師在執刀時所看到的畫面不會發生虛實錯開的狀況。反過來說,光學穿透式則可能因為計算延遲,較容易出現虛實錯開的狀況,而干擾到醫師的使用。

近期眼部醫學的發展,透過光學設計技術,從原先的單一焦點,進展至可供遠 / 近視和老花所使用的水晶體,而現在又推出了三焦點的人工水晶體。由於產業技術不斷推陳出新,人工水晶體與天然水晶體的視覺效果已經是越來越接近了。

目前台灣尚無德國的EyeSi模擬訓練設備,而由黃宇軒醫師和實驗團隊共同研發CatAR擴增實境技術,未來則能提供醫師做為眼科臨床手術訓練之用。此外,CatAR已於2018年4月在加拿大發表,也在台灣與美國都有申請專利,目前正在商品化的階段。