虛擬現(xiàn)實技術在神經(jīng)外科臨床教學中的探索與實踐

林 偉，陳燕偉，董冀晨，賀亞龍

(空軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

20世紀60年代末，被稱為“VR教父”的美國空軍電氣工程師湯姆·弗內斯，首次研發(fā)了一種讓戰(zhàn)斗機飛行員在戰(zhàn)斗中可以獲得直觀三維航空電子數(shù)據(jù)的新技術，其標志著虛擬現(xiàn)實技術(VR)的誕生[1]。他退役后來到了華盛頓大學，在那里創(chuàng)立了人機接口技術(HIT)實驗室并繼續(xù)推進該項技術的研究。在醫(yī)學領域，早期的VR技術首先在牙醫(yī)和青少年白血病護理團隊中得到廣泛運用，目的主要是轉移和分散患者對手術或治療過程中對疼痛的注意力，這是VR技術首次運用到醫(yī)學領域[1]。隨后，VR技術逐步擴展到其他醫(yī)療領域，例如部分眼科疾病的手術模擬訓練和老年癡呆的輔助治療等[1]。

雖然虛擬現(xiàn)實指的是一種特定的技術，但這種稱謂現(xiàn)在通常是被用作統(tǒng)稱。除了虛擬現(xiàn)實(VR)，其相關技術還包括增強現(xiàn)實(AR)和混合現(xiàn)實(MR)。其具體區(qū)別如下：VR是一種計算機生成的3D模擬環(huán)境，用戶可以完全沉浸其中；AR是將計算機生成的虛擬圖像投影到現(xiàn)實世界的實體上；MR也是將虛擬對象投影到真實實體上，但這些對象“在空間上具有感知能力和響應性”，允許用戶與投影的3D圖像進行交互[2]。在本文中，我們依舊使用VR技術來統(tǒng)稱所有的虛擬現(xiàn)實相關技術。

目前，VR技術在醫(yī)學教育上也逐步在擴大應用范圍，發(fā)揮了越來越重要的作用，受訓對象包括醫(yī)學本科生、研究生教育、進修醫(yī)師培訓、住院醫(yī)師培訓，?？漆t(yī)師培訓等[3]。在醫(yī)學教育中，使用VR技術可以讓學生看到更為直觀的3D解剖結構，從而更加深刻地理解組織結構之間的毗鄰關系。有研究發(fā)現(xiàn)教學中使用VR技術可以使學生的注意力更加集中、更好地調動其學習積極性并提高了其對教學的滿意度[4]。而外科住院醫(yī)師在患者手術前使用VR技術模擬手術，則可以快速提高手術技能，縮短學習曲線[4]。

VR技術在神經(jīng)外科繼續(xù)教育中的應用是一個日益活躍的研究領域，具有廣闊的發(fā)展前景。本文將對VR技術在神經(jīng)外科中的應用進行探索與實踐。

1 當前神經(jīng)外科的應用現(xiàn)狀

1.1 手術計劃

VR技術目前已逐步成為神經(jīng)外科培訓的重要工具，能夠將二維斷層成像[包括計算機斷層掃描(CT)和計算機斷層掃描血管成像(CTA)，以及磁共振成像(MR)和血管成像(MRA)等]數(shù)據(jù)重建成為3D(三維)影像，這些技術可以幫助神經(jīng)外科醫(yī)生迅速掌握手術技術并完善術前計劃[5]。這項技術不僅可以讓外科醫(yī)生在虛擬現(xiàn)實中使用3D工具進行模擬解剖[6]，針對不同患者形成獨特的影像數(shù)據(jù)，利用這些3D影像進行模擬手術，了解手術入路過程中所涉及的神經(jīng)、動脈以及皮質結構，達到手術計劃真實化，個體化的目的，使術前準備更加充分和完善[7]。而且，VR技術可以在術中使用外科顯微鏡將已提前做好的手術計劃3D圖像直接覆蓋到外科醫(yī)生的光學視圖上，以實現(xiàn)3D圖像與現(xiàn)實解剖結構完美融合，實時指導手術進程[8]。

隨著新的軟件工具進一步開發(fā)，不但允許神經(jīng)外科醫(yī)生修改這些圖像的閾值、著色和透明度等，還允許醫(yī)生在使用前對手術器械進行取樣以實現(xiàn)術前計劃更加貼近實際術中操作。例如，在開顱動脈瘤夾閉術前，通過對手術中各種型號的動脈瘤夾進行采樣，利用軟件重建到虛擬現(xiàn)實程序中，模擬手術過程來測試各種大小、曲度、形狀動脈瘤夾的使用效果，以最終指導真實手術中動脈瘤夾的選取。有研究表明，該方法可以降低術中顱內動脈瘤的破裂概率，降低死亡率以及術后復發(fā)率。即使對于已破裂動脈瘤，術前發(fā)生蛛網(wǎng)膜下腔出血的情況下，該技術仍然適用并非常有效[9]。

1.2 手術模擬器

目前諸如Dextroscope(Volume Interaction Ltd，Singapore)的手術模擬設備已實現(xiàn)神經(jīng)外科醫(yī)生不再需要模擬鼠標和鍵盤的形式進行操作，而是使用3D顯示器或投射成像虛擬工作空間，結合3D專用手柄來生成模擬手術。這些手術模擬器可以利用真實患者數(shù)據(jù)實現(xiàn)個體化模擬，精確定位還原腫瘤邊界、腦回和腦溝等解剖結構[10]。這項技術已經(jīng)逐步運用于顱內腫瘤切除、動脈瘤夾閉合動靜脈畸形切除、腦神經(jīng)微血管減壓和深部腦電刺激植入等各種神經(jīng)外科亞專業(yè)手術中，與對照組相比，術前利用手術模擬器組可以縮短手術時間、減少出血量、降低并發(fā)癥[11]。

隨著AR技術的發(fā)展，進一步推進了神經(jīng)外科手術模擬器的進步，逐步向術中應用過度，初步達到虛擬投影與顯微鏡下視圖相結合，實現(xiàn)外科醫(yī)生在手術過程中的操作與虛擬影像同步發(fā)生變化，實現(xiàn)完全融合，這是VR技術的又一重大進步[12]。而且，將腫瘤直接投射到患者身上的試驗性術中應用也正在測試中，將虛擬影像直接投影到患者實體上，以便術者可以減少對頭盔顯示器和監(jiān)視器的依賴，避免分散手術中的注意力[13]。

1.3 顱腦外科

與脊柱外科相比，顱腦外科的VR應用相對較晚。自1985年，由于VR技術運用成本的相對降低、使用便捷性的提高以及學習環(huán)境的低風險性，使這一技術逐步完善并整合到顱腦外科的臨床培訓中[14]。諸如Neuro Touch、Immersive Touch等手術模擬器作為顱腦手術技能訓練的輔助工具在許多醫(yī)學機構開始廣泛運用，而且這些訓練系統(tǒng)提供了不同級別、不同難度的手術訓練項目，可以針對不同水平的培訓人員加以調整。

精準的手術導航和完善的術前規(guī)劃一直是神經(jīng)外科手術的重要基礎。3D重建成像技術的完善，為VR技術在術前手術計劃制定及術中導航使用提供了技術基礎。由陳德勝醫(yī)院(新加坡國家神經(jīng)科學研究所)所研發(fā)的Neuro Planner是一種無框架腦立體定向設備，該設備可以將多種2D影像資料進行三維重建、融合，形成3D影像資料，并對腫瘤、血管等重要目標組織進行同時標記描繪，還可以進行術前手術入路模擬，術中實時導航指引手術路徑，最終為手術精準實施提供保障[15]。

這些神經(jīng)導航設備的運用過程中，研究者發(fā)現(xiàn)由于腦脊液的釋放等因素會產(chǎn)生腦漂移，影響了術中導航的精確性和有效性。因此，導航設備術前所重建的影像在術中需要實時修正[16]，術中腦成像系統(tǒng)(IBIS)是一個新近研發(fā)的可以解決這一問題的系統(tǒng)，其利用術中超聲進行實時標記定位，識別術前成像和術中真實情況之間的差異，并進行實時修訂，以提高術中導航的精度與準確性[17]。

1.4 腦血管外科

腦血管外科是神經(jīng)外科重要的亞專業(yè)，由于腦血管走形的復雜性和多變性，其診療過程都需要更加依賴術中成像技術，因此VR技術的臨床應用為腦血管疾病的診斷和治療帶來了巨大的進步。VR技術允許術者在術前能夠更好地了解動脈瘤的大小、基地、朝向、與載瘤動脈精確關系及所處周圍腦組織的解剖結構特征[18]以便更精準地進行手術。2016年進行的一項研究，評估了使用沉浸反饋式平臺開發(fā)的實時觸覺反饋VR動脈瘤夾閉模擬器的有效性。結果證明，與對照組相比，術前利用模擬器進行手術預演，可以明顯縮短手術時間，降低手術并發(fā)癥[19]。除了動脈瘤外，該技術目前也應用于急性腦缺血性卒中的機械取栓培訓中，該系統(tǒng)可以完全模擬真實腦血管造影、機械取栓的手術全過程，操作順序及設備也與手術設備完全一致，顯著提高了受訓神經(jīng)外科醫(yī)生的手術技能水平[20]。

2 虛擬現(xiàn)實技術在神經(jīng)外科應用中的問題與挑戰(zhàn)

由于神經(jīng)外科的解剖復雜、手術難度高、風險大，造成了神經(jīng)外科?？漆t(yī)生成長周期較長的特點。VR技術展示了其在神經(jīng)外科領域應用的獨特優(yōu)勢。例如，VR技術通過重建三維影像，可以幫助醫(yī)生理解大腦結構之間的復雜空間關系，降低了神經(jīng)系統(tǒng)解剖的學習難度；基于VR技術的手術模擬器，再現(xiàn)了術中情景，使術者熟練掌握不同疾病的手術細節(jié)及重點，縮短了培訓者由理論向實踐的過度周期；術中VR技術的運用，可以縮短手術時間，降低手術風險，減少患者醫(yī)源性損傷。另有針對血管內治療技術培訓的研究發(fā)現(xiàn)，術前使用配備觸覺反饋技術的VR設備進行手術模擬，可以降低術中術者和患者的輻射暴露時間，提高術者的手術熟練程度。

盡管VR技術的應用為神經(jīng)外科領域帶來了諸多益處，但自2009年8月加拿大醫(yī)生David Clarke第一次利用VR技術進行術前練習并制訂手術計劃以切除顱內腫瘤以來，其在神經(jīng)外科的應用過程中也逐步出現(xiàn)了多種挑戰(zhàn)[21]。例如，臨床實用性仍不明確、使用成本高以及逐步出現(xiàn)的醫(yī)學倫理等問題。

首先，VR技術相關的培訓課程因機構和特定設備的不同而并不一致，且國內外也并無統(tǒng)一的培訓流程和考核標準，使其在神經(jīng)外科臨床培訓中的效果大打折扣。一方面，這種額外的培訓課程也增加了臨床醫(yī)生的工作量，特別是對于培訓項目已經(jīng)安排得非常密集的住院醫(yī)師規(guī)范化培訓學員以及神經(jīng)外科?？婆嘤枌W員，也影響了他們參加培訓的積極性。另一方面，對于已完成?？婆嘤柌⒊钟袑？茍?zhí)業(yè)證書的高年資神經(jīng)外科醫(yī)生，尤其是臨床經(jīng)驗豐富的具有高級職稱的醫(yī)生主觀上不愿投入更多的時間接受培訓，或并沒有完全認同這種新技術對于自身手術技能的提高作用。

其次，價格高昂的設施和維護成本仍然是VR技術在神經(jīng)外科運用的一個重要障礙。目前，我國除了少部分重點教學性綜合醫(yī)院購買部分相關設備，并初步探索了培訓流程外，絕大部分醫(yī)院仍未開展。反之，對于開發(fā)VR技術相關設備的醫(yī)療技術公司，由于市場推廣緩慢，應用前景仍不明朗，資金回籠受限，也限制了其研究和開發(fā)新技術和設備的速度與動力[22]。因此，我國醫(yī)學院校等大型醫(yī)療培訓機構也在逐步嘗試解決這個問題，并提出了一些切實可行的方案。例如，醫(yī)科大學的教學醫(yī)院設立臨床技能培訓中心，將該技術不僅運用于神經(jīng)外科，也拓展至其他外科。通過規(guī)模經(jīng)濟有效地降低每次使用的成本，減輕了機構的財務負擔。當然，這一戰(zhàn)略需要技術公司開發(fā)能夠兼容不同外科專業(yè)的硬件和軟件，使醫(yī)院的多學科之間共享這項技術。這樣醫(yī)院只需購買具有運行不同軟件程序的相同硬件，就可以實現(xiàn)神經(jīng)外科、整形外科、普通外科等專業(yè)醫(yī)生都參與到這樣的培訓中。這種成本分攤模式可推廣各大醫(yī)院VR技術的應用，促進技術公司的研發(fā)，推動這項技術的進步與發(fā)展，最終使廣大患者從VR技術所輔助的外科手術中獲益。

再次，隨著VR技術從解剖教學、術前計劃、模擬手術、術中導航到術中輔助指導手術的臨床應用逐步深入，醫(yī)學界也逐漸出現(xiàn)了關于該技術在醫(yī)學倫理方面的質疑及爭論。由于VR技術在臨床手術中的參與程度的不斷加深，再加上新興的人工智能技術的融入，手術決策的重心有從手術外科醫(yī)生個人的主體轉移到計算機的趨勢，導致醫(yī)學倫理問題呈指數(shù)級增加。對于這一問題，也需要醫(yī)療機構與技術研發(fā)公司深度合作，盡快開展大規(guī)模多中心臨床研究，對VR輔助手術和常規(guī)手術之間進行更直接、全方位的比較，進一步分析該項技術在神經(jīng)外科手術中的作用及益處，以明確其是否值得醫(yī)學領域花費時間、成本和精力進行深入研發(fā)和廣泛實施。

3 結論

VR技術經(jīng)過迅速發(fā)展，已經(jīng)初步實現(xiàn)了將基于患者2D影像學數(shù)據(jù)經(jīng)計算機重建后的3D圖像成功的投射于手術中的患者實體。其實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實融合，優(yōu)化了術前計劃、改進了的手術入路，其甚至已經(jīng)拓展至最先進的手術機器人領域。VR技術在醫(yī)學教育和神經(jīng)外科培訓領域也逐步顯示出了強大的優(yōu)勢，該技術給醫(yī)學本科生、神經(jīng)外科實習生、參加住院醫(yī)師/神外?？埔?guī)范化培訓的醫(yī)生提供了通過增強視覺空間學習理論知識的機會，以及通過手術模擬來縮短神經(jīng)外科手術培訓周期的機遇。該技術為培訓人員提供了大量的模擬手術訓練機會，且不會增加患者醫(yī)源性損傷的風險。在開顱手術、血管內介入手術、脊柱手術等眾多神經(jīng)外科亞專業(yè)手術中，VR技術不斷提高其運用價值、拓展運用領域，有望大幅提高神經(jīng)外科疾病的診治水平。

然而，VR技術自問世的半個多世紀以來，逐步遇到了諸如臨床實用性仍不明確、使用成本高以及初步浮現(xiàn)的醫(yī)學倫理等問題。關于如何解決這些問題，進一步推動該項技術的應用與進步，都需要醫(yī)療培訓機構以及技術研發(fā)公司進行進一步的深度合作。通過降低使用成本、成立VR技術設備共享機構、開展多中心大樣本量的隨機對照臨床研究等方法，明確VR技術的實用性、降低使用門檻，使該項技術在神經(jīng)外科領域能夠廣泛有效的應用，使廣大醫(yī)生及患者受益。