混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

閆曉冬，侯建存，田青，張雅敏 天津醫(yī)科大學(xué)一中心臨床學(xué)院，天津3009；天津市第一中心醫(yī)院

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，數(shù)字醫(yī)學(xué)得到了不斷發(fā)展。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)等技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，為外科疾病精準(zhǔn)、個(gè)體化治療提供新的途徑[1]。MR是將VR和AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，將CT、MRI等傳統(tǒng)影像數(shù)據(jù)通過(guò)高效智能化圖像分割算法進(jìn)行3D重建渲染，進(jìn)而將3D虛擬模型通過(guò)頭戴式3D眼鏡投射至現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界及用戶間的實(shí)時(shí)交互[2]。臨床醫(yī)生利用MR技術(shù)，能夠任意變換重建器官及病灶的大小、顏色、透明度，可以從任意角度進(jìn)行立體觀察以辨別臟器的解剖結(jié)構(gòu)，從而輔助臨床手術(shù)方案制定、術(shù)中定位及精準(zhǔn)切除。同時(shí)，MR也為術(shù)前醫(yī)患間可視化溝通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)學(xué)教學(xué)等方面帶來(lái)諸多便利。本文就近年來(lái)MR技術(shù)在外科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 術(shù)前規(guī)劃

在傳統(tǒng)外科手術(shù)中，醫(yī)生依靠自身的醫(yī)學(xué)知識(shí)、臨床經(jīng)驗(yàn)以及想象力，將X線、CT、MRI等2D影像在大腦中將病灶信息恢復(fù)與重建，從而制定手術(shù)方案。這對(duì)于青年外科醫(yī)生而言是具有一定難度的，需要大量臨床實(shí)踐來(lái)補(bǔ)充，而MR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用恰好可以解決這一難點(diǎn)。一項(xiàng)針對(duì)8名泌尿外科醫(yī)生在術(shù)前應(yīng)用MR技術(shù)對(duì)腎臟腫瘤定位的評(píng)分調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果顯示，MR技術(shù)能更好地還原腎臟腫瘤與周圍血管、尿路的位置關(guān)系，為腎部分切除患者的術(shù)前規(guī)劃提供指導(dǎo)意義[3]。在肝臟腫瘤術(shù)前通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行MR重建，有助于術(shù)者了解病灶與周圍組織器官的關(guān)系、體積大小等信息，可顯著降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、減少術(shù)中出血量、縮短手術(shù)時(shí)間[4]。Wu等[5]基于MR技術(shù)設(shè)計(jì)出了一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以使術(shù)者更為直觀地觀察骨折的具體形態(tài)，以及周圍毗鄰的重要血管、神經(jīng)、脊髓等復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制定出最佳手術(shù)方案。Jiang等[6]以志愿者血管CTA數(shù)據(jù)制成的3D打印模型為基礎(chǔ)，利用模型在模擬手術(shù)室中對(duì)基于MR技術(shù)的血管定位系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行測(cè)試，在不同條件下測(cè)定MR圖像與實(shí)際模型特定標(biāo)記點(diǎn)之間距離，結(jié)果顯示最小誤差為1.35 mm、最大誤差為3.18 mm，均在臨床可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明MR技術(shù)可有效幫助外科醫(yī)生完成術(shù)前規(guī)劃。

2 術(shù)中導(dǎo)航

隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)生常常需要在小空間內(nèi)進(jìn)行手術(shù)，特別是在人體復(fù)雜的解剖部位，如心臟、肝臟、大腦、脊柱和骨盆，而這些部位往往分布著重要的血管和神經(jīng)。此外，有些疾病可能會(huì)導(dǎo)致患者出現(xiàn)解剖學(xué)變異，術(shù)前評(píng)估不精確可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。在肩關(guān)節(jié)假體植入術(shù)中，術(shù)者可以利用MR技術(shù)獲得全息立體圖像，從而選擇更好的手術(shù)視野，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性，并有效避免假體植入過(guò)程中損傷血管神經(jīng)[7]。

Kasprzak等[8]將經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并匹配到MR技術(shù)生成的心臟模型中，并成功利用MR技術(shù)定位狹窄部位，聯(lián)合二尖瓣球囊擴(kuò)張術(shù)治愈1例NYHA Ⅲ級(jí)的風(fēng)濕性二尖瓣狹窄患者。Lei等[9]將股骨骨折患者影像學(xué)圖像利用MR技術(shù)形成3D圖像，由此提供術(shù)中引導(dǎo)并完成全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。Incekara等[10]利用MR技術(shù)對(duì)顱腦腫瘤在顱腦表面皮膚范圍以及中心位置進(jìn)行定位，并與傳統(tǒng)神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示25例顱腦腫瘤患者中有9例經(jīng)MR定位的腦部腫瘤中點(diǎn)與神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)差異，總體中位誤差范圍在0.4 cm以內(nèi)。Wei等[11]研究顯示，采用MR技術(shù)輔助進(jìn)行的經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)較單純成形術(shù)可以準(zhǔn)確定位椎體位置及壓縮范圍，術(shù)中利用球囊擴(kuò)張可使錐體高度得到改善，同時(shí)減少了患者術(shù)中X線透視次數(shù)。Zhu等[12]對(duì)1例腎功能不全伴有肺栓塞患者應(yīng)用MR技術(shù)，成功放置下肢靜脈濾器，有效地減少了造影劑對(duì)患者腎功能的損傷，以及術(shù)中射線對(duì)醫(yī)務(wù)人員及患者的輻射損傷。

此外，MR技術(shù)可為術(shù)者提供更直觀的肝內(nèi)膽道及血管走行位置信息，為術(shù)者的術(shù)中判斷提供有效幫助[13]。有研究納入了15例需行腦室穿刺引流患者，術(shù)中應(yīng)用MR技術(shù)輔助腦室穿刺的手術(shù)時(shí)間為(40.20 ± 10.74)min，穿刺次數(shù)由傳統(tǒng)方法的(2.33±0.98)次縮減到(1.07±0.26)次，目標(biāo)偏差也由(11.26±4.83)mm縮減至(4.34±1.63)mm，說(shuō)明應(yīng)用MR技術(shù)可有效縮短腦室穿刺引流患者的手術(shù)時(shí)間、減少穿刺次數(shù)并且縮小目標(biāo)偏差[14]。此外，MR技術(shù)還可應(yīng)用于乳腺腫瘤[15]、胸壁腫瘤[16]等疾病的手術(shù)治療，有助于提高手術(shù)效率、縮短手術(shù)時(shí)間、精準(zhǔn)切除腫瘤。

3 教學(xué)培訓(xùn)

醫(yī)學(xué)院校傳統(tǒng)的解剖教學(xué)大多依賴于教師講解、人體標(biāo)本以及物理模型等方式，近年來(lái)由于醫(yī)療環(huán)境和醫(yī)學(xué)倫理的限制，真實(shí)人體標(biāo)本短缺，無(wú)法滿足教學(xué)需求。對(duì)于復(fù)雜的人體解剖構(gòu)造，單純的理論知識(shí)以及空間想象往往會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，難以深刻理解。MR技術(shù)能使抽象解剖從多角度、多層面進(jìn)行立體呈現(xiàn)，幫助學(xué)生更直觀地了解人體復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，使醫(yī)學(xué)生能夠得到有效學(xué)習(xí)[17]。Ruthberg等[18]進(jìn)行了一項(xiàng)針對(duì)48名醫(yī)學(xué)在校生的調(diào)查研究，結(jié)果顯示利用Hololens眼鏡進(jìn)行骨骼肌肉解剖教學(xué)可縮短操作時(shí)間，加深學(xué)生對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)的理解，使學(xué)習(xí)過(guò)程縮短。Kang等[19]將12個(gè)具有不同類型的雙出口右心室心臟樣本的CT數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為立體圖像，使用MR技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研究性觀察，并且將在立體模型上確定的形態(tài)特征與實(shí)際心臟標(biāo)本的觀察結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明MR技術(shù)可對(duì)空間復(fù)雜的先天性心臟病變提供高精度的立體顯示，并具有交互功能，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)其形態(tài)學(xué)的3D理解能力，并且對(duì)于教學(xué)及病例保存均具有一定價(jià)值。同時(shí)，傳統(tǒng)課堂教學(xué)具有模式單一和忽視學(xué)生體驗(yàn)過(guò)程的弊端，而MR技術(shù)可使醫(yī)學(xué)教育由2D圖像和視頻向交互式移動(dòng)性學(xué)習(xí)發(fā)生轉(zhuǎn)變[20]。

目前，MR技術(shù)因其無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、可重復(fù)的優(yōu)勢(shì)，正成為醫(yī)師培訓(xùn)的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。應(yīng)用MR模擬器，青年醫(yī)生可不必走進(jìn)手術(shù)室就有機(jī)會(huì)觀摩到復(fù)雜的手術(shù)操作。Maniam等[21]通過(guò)將MR與手術(shù)模擬器相結(jié)合，完整地呈現(xiàn)了顳骨的空間虛擬成像，并可在3D圖像中模擬手術(shù)鉆孔步驟，且具有可反復(fù)操作的優(yōu)勢(shì)。此外，在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中，運(yùn)用MR技術(shù)可以真實(shí)地模擬人體解剖、還原手術(shù)過(guò)程，從而提高醫(yī)學(xué)教學(xué)的形象化、交互性以及學(xué)生的3D空間感[22]。Brun等[23]對(duì)先天性心臟病患者的心臟結(jié)構(gòu)進(jìn)行MR技術(shù)重建，可有效幫助臨床醫(yī)生尤其是年輕醫(yī)生對(duì)于先天性心臟病復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的理解。Kobayashi等[24]將MR技術(shù)與中心靜脈穿刺及胸腔穿刺引流的臨床教學(xué)操作相結(jié)合，使得培訓(xùn)者的視覺(jué)提示和觸覺(jué)反饋增強(qiáng)，同時(shí)加強(qiáng)了教師與培訓(xùn)者之間交互性指導(dǎo)。Hooten等[25]提出了一種新的MR手術(shù)模擬器，可為醫(yī)學(xué)生模擬腦室造瘺術(shù)提供真實(shí)體驗(yàn)。

4 遠(yuǎn)程醫(yī)療與醫(yī)患溝通

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程診療需要通過(guò)圖片、視頻等途徑進(jìn)行，而利用MR技術(shù)可以使遠(yuǎn)程診療變得更為直觀，有助于提升遠(yuǎn)程醫(yī)療中醫(yī)生間的合作體驗(yàn)及效率[26]。線上專家借助MR技術(shù)可以完成異地、實(shí)時(shí)地對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)、術(shù)中指導(dǎo)及病例討論等。Hanna等[27]在尸檢時(shí)利用MR技術(shù)對(duì)人體標(biāo)本進(jìn)行全息投影，不僅可以實(shí)時(shí)分享信息，而且可以允許其他病理學(xué)家遠(yuǎn)程訪問(wèn)進(jìn)行指導(dǎo)，真正實(shí)時(shí)地在虛擬標(biāo)本上標(biāo)注感興趣的解剖區(qū)域。Wang等[28]利用Hololens系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程醫(yī)療指導(dǎo)系統(tǒng)，證實(shí)了MR技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的可行性及適用性。

目前，醫(yī)患關(guān)系緊張的原因之一在于患者及家屬對(duì)疾病認(rèn)識(shí)的不完全。MR技術(shù)具有可視、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等優(yōu)勢(shì)，術(shù)者可向患者及家屬更為直觀地顯示病變部位，介紹并模擬手術(shù)過(guò)程，使患者及家屬對(duì)疾病及手術(shù)方案更為了解[29]。Wu等[30]報(bào)道了MR技術(shù)在復(fù)雜頸椎骨折術(shù)前溝通的應(yīng)用，術(shù)者利用MR技術(shù)向患者及家屬全方位展示具體頸椎骨折的位置與形態(tài)，使其對(duì)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及手術(shù)方案有更深入的了解，同時(shí)使醫(yī)患溝通變得簡(jiǎn)單、順暢。

綜上所述，MR技術(shù)給醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)研究、醫(yī)患溝通、臨床治療等帶來(lái)顛覆性的變化，有助于促進(jìn)醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展。MR技術(shù)巨大的應(yīng)用前景有望使其成為外科治療的重要手段之一，并有助于推動(dòng)醫(yī)療服務(wù)向個(gè)性化、精準(zhǔn)化大趨勢(shì)發(fā)展。