混合現實技術在神經外科應用的研究進展

劉曦，滕楚北，李學軍

自21世紀初以來，隨著計算機圖形處理技術、計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)和B超等技術的飛速發(fā)展，計算機輔助手術(computer aided surgery，CAS)、計算機集成外部科學(computer integrated external science，CIS)和成像導航手術(imaging navigation surgery，IGS)等技術已越來越多地應用于現代醫(yī)療衛(wèi)生領域[1]?；旌犀F實(mixed reality，MR)是近年來出現的一個新概念，最早由Steve Mann教授提出，是虛擬現實(virtual reality，VR)和增強現實(augmented reality，AR)在三維應用中的結合[2]。MR為用戶提供了一個通過感知周圍物理環(huán)境結合數字虛擬模型而呈現的虛實融合圖像[3]。

MR技術已用于醫(yī)療衛(wèi)生領域的各個方面。一項新的研究表明，佩戴MR相關耳機能減少新冠肺炎流行期間的醫(yī)務人員職業(yè)暴露[4]。MR技術也在多個臨床科室推廣應用，如輔助全髖關節(jié)置換術、輔助肝臟腫瘤切除術、輔助先天性心臟病手術、輔助牙齒植入術和正頜手術等[5-8]。神經外科作為一個高風險、高技術難度的科室，將MR技術引入神經外科可以為患者提供更加精準、微創(chuàng)且個體化的治療方案，在一定程度上可以減少術中血管、神經以及重要功能腦組織的損傷，降低患者術后出現并發(fā)癥的概率，提高患者的生活質量?，F從醫(yī)學教育及訓練、醫(yī)患溝通以及術中導航等方面闡述MR技術在神經外科各個方面的應用。

1 VR、AR和MR的關系

VR是利用計算機技術構建一個三維的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬，但其中所有的東西都是虛擬的，是一個純粹的虛擬數字圖像。由于缺乏現實感覺，VR不能用于實際的操作程序，臨床醫(yī)生似乎很難沉浸于其中[9-10]。AR是利用電腦技術將虛擬的模型應用到現實世界，真實的環(huán)境和虛擬的結構實時地疊加到同一個畫面或空間。與VR相比，AR的重點是現實世界，而不是完全的人造環(huán)境[11-12]。AR、VR和MR的應用都旨在增強用戶當前的體驗或現實感[13]。 MR是數字現實加虛擬數字圖片，MR的關鍵點是與現實世界互動，及時獲取信息[14]。作為圖形學領域的一種新型技術，MR將計算機虛擬模型投射到用戶所在的真實世界中，在虛擬世界和真實世界之間建立交互反饋回路，增強了用戶體驗的真實感。MR系統(tǒng)主要有三個特點：現實與虛擬世界的結合、使用者與環(huán)境實時性交互、虛擬世界與現實的精確匹配[15]。在臨床醫(yī)學應用的各個方面，MR的這些特點是必不可少的，MR是一種比VR和AR更實用的技術。

2 MR技術硬件結構特點及在神經外科應用的基本流程

MR技術目前的主流設備為微軟公司開發(fā)的一種頭戴式Hololens眼鏡，其包括顯示單元、計算單元和三維空間操作系統(tǒng)。以微軟公司最新開發(fā)的Hololens 2為例，顯示單元是波導和光投影儀的結合，能完美還原全息影像的全貌和細節(jié)，并可以透明顯示現實環(huán)境，無障礙地進行面對面交流，屏幕采用目視跟蹤技術來適應用戶的目視位置，根據用戶眼球運動調整顯示顏色；計算單元保證其強大的3D渲染能力，能處理高精度全息影像，不會產生人設拖影和延遲，保證高幀率的混合現實體驗；三維空間操作系統(tǒng)采用手勢識別系統(tǒng)，使用戶能夠以觸摸、拖曳等方式與全息影像互動，這種互動方式能夠滿足校準過程中不同術式體位的要求。

MR技術輔助神經外科手術應用流程簡單(圖1)，無需大型設備，僅需要Hololens眼鏡和一臺電腦。首先獲取患者頭部CT及MRI的DICOM原始數據并導入三維重建軟件系統(tǒng)，使用多個不同模板進行可視化分割、提取及計算生成3D虛擬模型，使用不同顏色標記腫瘤、血管、神經及腦組織，再將經過重建及渲染的3D虛擬模型載入到混合現實設備中后，佩戴Hololens眼鏡將重建后的虛擬模型與患者頭皮校準吻合，最終實現基于混合現實技術的術前計劃、術前溝通及術中導航等[16]。

圖1 MR技術輔助外科手術的應用流程

圖2 Hololens眼鏡

3 MR技術在神經外科中的應用

3.1 醫(yī)學教育和訓練的應用 在目前的醫(yī)學教育過程中，由于醫(yī)療環(huán)境和倫理的限制，以及解剖標本的短缺，醫(yī)學教學成本一直在增加。MR技術把臨床教學過程從使用二維圖像和視頻轉變?yōu)榻换ナ揭苿迎h(huán)境，這幫助學生從三維層面更直觀地了解人體復雜的解剖結構，使學生得到更有效的學習和訓練[17]。 目前，MR手術模擬器正成為低年資醫(yī)生培訓的一個重要組成部分，因為其可以提供無風險、低成本的培訓。通過MR手術模擬器，低年資外科醫(yī)生能夠身臨其境地體驗復雜手術的操作過程和相關解剖，而無需擔心手術風險和意外，從而讓低年資醫(yī)生更快地成長，增強對復雜手術的理解[17]。在經驗豐富的醫(yī)生的幫助下，MR技術可以為外科訓練提供一個理想的平臺，通過反復的三維可視化交流和體驗，外科醫(yī)生可以更自然、更自信地提高自己的手術技能水平，而不會對患者造成傷害或危險[18]。對于神經外科來說，顱內解剖結構精細又復雜，對醫(yī)生的解剖認識和操作技能要求極高，利用MR技術進行輔助學習和訓練，能夠極大地提高專科醫(yī)生的培訓效率。

3.2 術前醫(yī)患溝通的應用 醫(yī)患之間的醫(yī)學知識背景和信息不對稱是醫(yī)患關系緊張的主要原因之一[19]。由于MR技術有三維、逼真、動態(tài)的特點，可以使患者及家屬更直觀地感受手術操作過程，對手術方案細節(jié)有更深的了解，提高患者對手術風險和并發(fā)癥的認識，加深醫(yī)患之間的相互理解和信任；從而減少醫(yī)療糾紛，改善不良的醫(yī)患關系。有研究報道了MR技術在復雜頸部骨折術前綜合管理中的應用，可以使醫(yī)患溝通簡單、準確且順利[20-21]。

3.3 中樞神經系統(tǒng)腫瘤手術的應用 中樞神經系統(tǒng)腫瘤包括起源于顱內及椎管內各組織的原發(fā)性腫瘤，以及由全身他處轉移至神經系統(tǒng)的繼發(fā)性腫瘤。膠質瘤、腦膜瘤、垂體瘤和神經鞘瘤等是人體常見的神經系統(tǒng)原發(fā)腫瘤，完整切除腫瘤同時保留正常神經功能是神經外科手術所追求的目標；而如何在術中實時精準定位并分辨腫瘤與周邊正常神經、血管的關系，是當前神經外科醫(yī)生關注的重點問題。MR技術能很好地解決上述問題，輔助顯微手術最大范圍地精準全切腫瘤，減少患者術后并發(fā)癥。

經過幾十年的發(fā)展，外科導航系統(tǒng)可以幫助醫(yī)生減少手術時間和患者的手術創(chuàng)傷，提高手術的準確性，提高手術成功率[22]。雖然現代導航技術的精度較高，但不能減少手術時間，需要復雜的術前校準和手術室空間占用[23]。Incekara等將佩戴Hololens眼鏡的術前腫瘤位置規(guī)劃與標準神經導航相比較，采用MR技術進行的腫瘤定位與標準神經導航系統(tǒng)沒有差異，總體中位數差異為0.4 cm[24]。手術醫(yī)生通過術前的CT或MRI影像，重建獲取全息影像信息，并以不同方式進行標記，同時通過術前標記腫瘤組織，實現“虛擬染色”，以獲得更直觀的腫瘤體表投影，為手術入路和手術切口的設計提供精確的定位，從而更精準、微創(chuàng)地切除腫瘤。

以竇旁腦膜瘤切除手術為例，MR技術可以將虛擬的患者模型包含頭部皮膚、顱骨、腦膜、腫瘤、血管等與真實患者的對應部位實時匹配，并實時跟蹤手術器械的位置。在透視患者器官的基礎上，可以避開重要的血管(尤其是引流靜脈)及重要的功能皮層，指引術者完全切除腫瘤以及受侵犯的硬腦膜，實現腦膜瘤的SimpsonⅠ級切除。以脊柱椎管腫瘤為例，MR可用于腫瘤節(jié)段的術前定位，也可用于輔助胸腰椎椎弓根釘置入。通過MR導航系統(tǒng)，神經外科醫(yī)生可以脫離傳統(tǒng)C臂X線機反復照射的條件，準確定位脊柱椎管病變節(jié)段和精準置入椎弓根釘，避免醫(yī)生和患者的輻射暴露。對于功能區(qū)腫瘤，在保護患者功能的基礎上最大限度切除腫瘤，是每個神經外科醫(yī)生畢生追求的目標。MR技術可以利用MRI相關序列和CT數據重建腫瘤和周圍重要結構的模型，供術者更加直觀地了解腫瘤周邊的動靜脈血管走行、神經纖維束傳導以及腫瘤與中央溝和中央前后回的關系，從而避開重要位置，精準微創(chuàng)切除腫瘤，提高患者術后生活質量。對于其他顱內腫瘤，MR技術通過三維重建，能給予術者更加立體的成像效果，幫助術者制定更加精準的手術方案，勾畫出更加微創(chuàng)的手術路徑，減少術中重要血管神經的損傷，提高手術質量和效率。

3.4 腦血管疾病手術的應用 顱內動脈瘤破裂出血的發(fā)生率居于急性腦血管病前列，僅次于腦血栓形成和高血壓腦出血。顱內動脈瘤破裂出血具有高致殘率和高病死率的特點，幸存者仍可再次發(fā)生出血，且再次發(fā)生出血的患者中40%～65%的患者會死亡。顱內動脈瘤目前主要的治療方式是動脈瘤介入栓塞和顯微鏡下動脈瘤夾閉。而顱內動脈瘤好發(fā)部位為頸內動脈，其位置深且穿插眼神經、動眼神經等重要組織結構，手術風險極大。臨床手術前，神經外科醫(yī)生可以將DSA、CTA或MRA等影像學資料多模態(tài)融合，運用MR技術三維重建動脈瘤的位置、大小、形態(tài)、瘤體指向、瘤頸寬度以及瘤周圍重要解剖結構，幫助術者選擇合適的手術入路、夾閉瘤頸的方向以及選擇合適的動脈瘤夾。雖然三維立體動脈成像技術已經被廣泛運用于臨床，但是其還無法同時顯現動脈周圍的神經、腦組織和顱骨等重要解剖結構。研究者分別應用虛擬現實和增強現實技術術前對患者動脈血管、動脈瘤、顱骨等構建一個3D虛擬模型，可以從任意角度進行觀察動脈瘤、模擬手術入路，降低手術風險[25]?；旌犀F實技術要更加優(yōu)于VR和AR，可以在手術過程中動態(tài)反饋、實時導航，更加有益于對動脈瘤的夾閉或者栓塞，提高手術效率和降低手術風險[26]。

腦動靜脈畸形(arterio-venousmalfaormation，AVM)是胚胎時期腦血管發(fā)育異常而形成的，是顱內血管畸形中最常見的一種類型[27]。AVM雖然在病理上屬于良性疾病，但是臨床上發(fā)病過程突然，如不及時救治預后不容樂觀。7.5%～15%的AVM患者常常合并動脈瘤，其中一半是多發(fā)動脈瘤，這使得AVM患者的治療更為棘手。AVM的治療手段眾多，包括顯微手術切除、栓塞、放射治療以及多方法聯合。目前首選治療方法是顯微手術切除[28]，但是AVM的位置、大小、形態(tài)及是否合并動脈瘤的確定，需要高度依賴神經外科醫(yī)生對影像學資料的判斷來經驗性選擇最佳手術方案。Ivan等在AVM手術中使用增強現實技術，將重建的動靜脈畸形團、供血動脈、引流靜脈以及顱骨模型導入顯微鏡目鏡中，術者根據圖像引導，精準地制定手術入路，術中避開重要血管神經或腦組織，既保證了手術的質量，還可提高手術效率[29]。

3.5 顱腦損傷的手術應用 顱腦損傷是一種臨床上較常見的創(chuàng)傷性疾病，具有高發(fā)生率和高病死率、致殘率的特點，占全身部位損傷總數的20%。原發(fā)性顱腦損傷是指外界暴力直接作用下引起的一系列病理生理變化造成的損傷，臨床上常見的是顱內血腫。

對于顱內血腫的治療血腫定位非常關鍵，目前血腫的定位主要依賴于CT影像和神經導航系統(tǒng)，但神經導航系統(tǒng)存在費用昂貴、準備步驟繁雜和耗時長等缺點[30]。因此，多數基層醫(yī)院都以CT影像確定血腫位置和估算血腫量。這種定位和入路選擇高度依賴于神經外科醫(yī)生的經驗，不確定性因素較多，導致血腫清除不滿意，手術損傷功能區(qū)等風險增大[31]。而MR技術可以快速利用影像學資料重建患者的血腫、重要血管、神經等的三維圖像，精準地計算血腫體積和位置，確定手術入路，設計手術切口，高效清除血腫并保護重要血管和神經。Sun等[32]報道利用VR和AR技術輔助完成了25例腦內血腫穿刺術,手術時間在40～70 min，平均血腫清除率達到97%, 且沒有患者出現手術后再出血，保障了穿刺的安全性和有效性。使用MR技術能夠輔助神經外科醫(yī)生準確快速定位出血灶，有助于顱內血腫患者得到及時有效的治療。

3.6 腦積水的手術應用 梗阻性腦積水多見于顱腦外傷、腦血管病和顱內占位性病變等疾病，可引起顱內壓急劇升高，嚴重者可致腦疝。

臨床上最常用治療方式是腦室穿刺外引流術，其可快速有效地緩解顱高壓急癥并動態(tài)監(jiān)測顱內壓。腦室穿刺外引流術手術路徑多是神經外科醫(yī)師依據頭顱體表解剖標志經驗性判斷假想位置及穿刺角度。手術醫(yī)生術中穿刺針是否進入腦室的判斷依賴于臨床經驗和手感，盡管目前已有X線導航穿刺的方法且確定了最佳X線劑量，但是由于個體差異，即每個人的腦室位置、體積、腦室各角的差異，會出現一次穿刺不成功，甚至多次穿刺的情況；這將會增加腦室周圍組織甚至血管受損的風險[33]。MR技術構建的 3D 虛擬模型與患者頭顱匹配后，手術醫(yī)生佩戴混合現實眼鏡Hololens，可實時定位腦室位置，調整進針角度，即可避開沿途重要結構，又可準確進入腦室，從而提高穿刺成功率。 Li等[34]將MR技術用于患者床旁腦室穿刺外引流術，證實該方法可行有效，能夠顯著提高穿刺手術成功率，縮短手術時間和減低手術風險。

4 MR技術的優(yōu)勢與局限性

4.1 MR技術的優(yōu)勢 (1)現實與虛擬結合，實時交互，精確匹配：不同于VR和AR，MR做到了虛擬與現實完美融合，開啟具有相互矯正功能的新視野，這顯著提高手術的安全性和精準性。(2)及時性：基于CT、MRI影像資料，與3D打印技術獲取模型至少需要10 h相比， MR圖像的產生僅僅只需要幾分鐘，對于緊急手術而言尤為重要[35]。(3)可變性：MR技術構建的虛擬結構可以渲染(虛擬染色)、擴大、分割、任意方位調整，術者可以根據體位變化調整模型，選擇合適的重建結構。(4)醫(yī)患溝通更充分：MR可以讓患者更直觀了解手術方式，解決了患者專業(yè)知識缺乏的問題，節(jié)省術前溝通時間。(5)能夠同時顯示周邊腦功能區(qū)、深部神經纖維束和重要血管、神經等解剖結構，可兼顧解剖、功能及其他更多影像信息實現多模態(tài)影像融合。(6)設備技術難度低，大多數基層醫(yī)院均可以運用。(7)使用過程耗時短、效率高，且醫(yī)生和患者不增加額外的放射線損傷。

4.2 MR技術的局限性 (1)MR構建3D虛擬模型來源于術前影像學資料，患者檢查配合度、造影劑的劑量、掃描層厚度以及檢查后病情動態(tài)變化都會使得模型與現實出現偏差。(2)虛擬與現實實時交互過程中，模型的手勢調整精確度需要多加關注，并且模型的調整會有一點延遲，對于手術進行稍有影響。(3)圖像注冊即虛擬3D模型與患者手術區(qū)域精準匹配，是MR技術最重要最困難的一步，目前腦部的定位僅依賴于傳統(tǒng)的頭部標記物，配準時間及精度難以把控。(4)神經外科手術多為顯微手術，佩戴MR技術頭戴式設備時，無法同時使用顯微鏡進行手術。(5)MR設備僅有視覺輸出，缺乏觸覺力反饋和其他感官的模擬。(6)MR技術無法解決導航過程中，釋放腦脊液后腦組織偏移的問題。

5 總結與展望

從MR在神經外科應用的研究進展看，MR技術輔助神經外科手術有待進一步發(fā)展和完善，如術中聯合應用超聲，實時、動態(tài)的獲得腦部病灶信息，操作方便、費用低廉[36]。對于功能區(qū)病灶切除，術中MR聯合使用神經電生理監(jiān)測，可為神經外科精準手術保駕護航，提供更加安全的保障。MR在輔助神經外科精準手術中具有可行性和實用性。MR還有助于培養(yǎng)高水平的神經外科醫(yī)生、促進醫(yī)患溝通、提高手術效率和成功率，推進了神經外科精準、微創(chuàng)和個體化手術的發(fā)展。綜上所述，MR技術輔助神經外科手術是安全可靠、實用且有前景的。