翟建新 胡蘋蘋 楊超 王峻峰 晉云
1昆明理工大學(xué)附屬醫(yī)院 云南省第一人民醫(yī)院肝膽外科,昆明 650034;2云南省第一人民醫(yī)院數(shù)字醫(yī)學(xué)中心,昆明 650034
【提要】 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是繼虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后出現(xiàn)的一種新的數(shù)字全息圖像技術(shù),具有虛實(shí)融合、深度互動(dòng)、實(shí)現(xiàn)異時(shí)空?qǐng)鼍肮泊娴忍卣?,逐漸被各個(gè)學(xué)科所關(guān)注。近年來(lái),隨著醫(yī)學(xué)數(shù)字技術(shù)的推廣發(fā)展,混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用取得了很大的突破。本文主要介紹混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在胰腺外科尤其是教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀。
現(xiàn)階段無(wú)論是醫(yī)療技術(shù)的革新,還是臨床教學(xué)的發(fā)展,都越來(lái)越需要高新技術(shù)的加持。以虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality, VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality, AR)、混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality, MR)技術(shù)為代表的智能化數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,成功開啟了虛擬和現(xiàn)實(shí)的新紀(jì)元,使得醫(yī)療行為變得更加可視化。MR作為VR、AR從虛擬向現(xiàn)實(shí)的延伸,其突出的互動(dòng)性特征在醫(yī)療場(chǎng)景中得到了充分的發(fā)揮,在解剖教學(xué)、醫(yī)療操作培訓(xùn)、遠(yuǎn)程醫(yī)療教育等方面發(fā)揮了巨大的潛力[1],被選定為高等教育界最受關(guān)注的6項(xiàng)新興教育技術(shù)與實(shí)踐之一[2]。從2014年起,我國(guó)住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)制度建設(shè)正式啟動(dòng)后,臨床教學(xué)規(guī)范化受到了越來(lái)越多的重視,傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育模式已不能滿足多樣化的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育需求,MR技術(shù)利用其立體性、交互性、互動(dòng)性特點(diǎn),在心胸外科[3]、骨科[4]、肝膽胰外科[5]、泌尿外科[6]等臨床教學(xué)中的應(yīng)用得到了業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展,“人機(jī)交互”學(xué)科建設(shè)取得了較為顯著的效果,如利用頭戴式設(shè)備,以純虛擬數(shù)字畫面代替現(xiàn)實(shí)世界的VR技術(shù),以及將虛擬數(shù)字畫面疊加到現(xiàn)實(shí)世界中的AR技術(shù),但二者均不能完成虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的互動(dòng),MR很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。MR是在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶三者之間搭建成具有真實(shí)性、互動(dòng)性的可視化環(huán)境, 給用戶提供一種沉浸式體驗(yàn)與交互,使用戶能夠通過(guò)縮放、設(shè)置透明化程度來(lái)突出重要方面而隱藏其他方面,并在物理世界中實(shí)現(xiàn)與數(shù)字世界交互,探索虛擬和現(xiàn)實(shí)的數(shù)字信息。
1.MR在胰腺解剖教學(xué)中的應(yīng)用:胰腺屬于腹膜后位器官,位置深,周圍毗鄰的重要血管多,因此胰腺手術(shù)的要點(diǎn)及難點(diǎn)之一是術(shù)前腫瘤的精準(zhǔn)定位,腫瘤位置不同,相對(duì)應(yīng)的手術(shù)切除范圍也不同;難點(diǎn)之二是胰腺位置深,視野狹窄,周圍血管復(fù)雜,術(shù)中需依靠 CT、MRI 影像在醫(yī)師腦海中形成三維圖像來(lái)實(shí)施手術(shù),做到R0切除的前提下保留更多的胰腺組織和避免損傷血管,以及預(yù)防胰瘺的發(fā)生[7]。傳統(tǒng)的胰腺解剖教學(xué)互動(dòng)依靠教材、影像等在學(xué)生腦海中形成三維虛擬圖像,但鑒于上述胰腺解剖教學(xué)難點(diǎn),學(xué)生很難形成直觀、深刻的認(rèn)知,學(xué)習(xí)積極性不高。
經(jīng)過(guò)多次改革和實(shí)踐,目前認(rèn)為,相較于傳統(tǒng)的講授式教學(xué),案例教學(xué)法(case based learning, CBL)聯(lián)合多學(xué)科診療(multi-disciplinary treatment, MDT)教學(xué)模式,可以顯著調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性,很大程度上提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐能力[8]。將MDT聯(lián)合CBL教學(xué)應(yīng)用于胰腺癌專碩學(xué)生教學(xué)中,學(xué)生對(duì)于胰腺癌基礎(chǔ)理論理解更加深入透徹[9];但CBL+MDT模式仍舊是以教授基礎(chǔ)理論為主,缺乏胰腺立體形象的直觀展示。將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于胰腺外科教學(xué)中,對(duì)于學(xué)生的臨床理論知識(shí)以及影像資料的理解有很大的提升[10]。尤其在以追求病灶清除、臟器保護(hù)和損傷控制為目標(biāo)的精準(zhǔn)外科的教學(xué)中,更需要數(shù)字化、個(gè)體化的虛擬解剖的靈活運(yùn)用。將MR技術(shù)有效地結(jié)合到胰腺外科解剖教學(xué)中,很大程度解決了這一問(wèn)題。基于三維可視化的MR技術(shù)允許教師任意添加胰腺三維可視化數(shù)字素材(虛擬解剖)到不同的物理空間(現(xiàn)實(shí)環(huán)境)中,學(xué)生可以多維度去觀察胰腺病變部位,對(duì)不需要的胰腺周圍解剖部分進(jìn)行隱藏,實(shí)現(xiàn)輕松專注于特定的解剖部位,并使用縮放和添加不同顏色來(lái)辨別胰腺、占位病變以及脈管結(jié)構(gòu)關(guān)系,增強(qiáng)器官的立體感,對(duì)學(xué)生的理解和記憶有很大的幫助。MR的應(yīng)用不僅可以使學(xué)員通過(guò)視、觸、聽(tīng)直接與胰腺虛擬解剖樣本和現(xiàn)實(shí)實(shí)物進(jìn)行雙向互動(dòng),而且通過(guò)交互式應(yīng)用多維度獲得胰腺相關(guān)解剖理論知識(shí),并對(duì)相應(yīng)的臨床技能有了初步的認(rèn)識(shí)。國(guó)外有學(xué)者研究表明[11],相較于傳統(tǒng)的人體解剖教學(xué),將MR技術(shù)運(yùn)用到解剖教學(xué)中可以有效減少教學(xué)時(shí)間。同時(shí)在這次席卷全球的COVID-19疫情中,美國(guó)學(xué)者Wish-Baratz等[12]發(fā)現(xiàn),將MR技術(shù)運(yùn)用到遠(yuǎn)程解剖課堂中能夠極大地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力,學(xué)生可在線移動(dòng)數(shù)字解剖模型進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此,將MR技術(shù)運(yùn)用到胰腺解剖教學(xué)中將極大地提升教學(xué)效果。
2.MR技術(shù)在胰腺疾病診斷、術(shù)前手術(shù)規(guī)劃與模擬中的應(yīng)用:MR利用其三維可視化特點(diǎn),可以將胰腺周圍復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)直觀、清晰地展現(xiàn)在醫(yī)師眼前,通過(guò)體位的旋轉(zhuǎn)、不同解剖組織透視化程度的調(diào)整對(duì)比,清楚地將胰腺、占位病變部位、周圍血管及膽管的三維立體結(jié)構(gòu)暴露出來(lái),可準(zhǔn)確顯示腫瘤的形態(tài)及侵及范圍,對(duì)于胰腺腫瘤的良惡性診斷以及侵犯程度的判斷有很大的幫助[13]。
3D打印技術(shù)可以實(shí)時(shí)全方位旋轉(zhuǎn),清晰顯示腫瘤大小及與周圍血管、臟器空間毗鄰關(guān)系,還能行術(shù)前手術(shù)入路的多次演練,優(yōu)化確定個(gè)體化手術(shù)方案[14];但對(duì)于多個(gè)手術(shù)方案的演練,需要多個(gè)3D打印模型,造價(jià)高,打印時(shí)間長(zhǎng)。而且3D打印多是一體化打印,很難拆分觀察腫瘤與血管關(guān)系,這是其未能在臨床培訓(xùn)中心大規(guī)模普及的原因。
云南省第一人民醫(yī)院數(shù)字醫(yī)學(xué)中心自主開發(fā)的昆華微樂(lè)MR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是基于zSpace技術(shù)開發(fā)的高精度、智能化系統(tǒng),術(shù)前將薄層CT掃描的DICOM數(shù)據(jù)行三維重建,生成的可視化模型導(dǎo)入MR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)術(shù)前顏色區(qū)分人體結(jié)構(gòu)、改變臟器透明度、臟器切割、計(jì)算臟器體積、臟器內(nèi)窺、臟器穿刺、三維消融等功能。利用三維空間坐標(biāo)標(biāo)記不同組織、器官的空間位置,添加多個(gè)數(shù)字操控手術(shù)器械,可以讓學(xué)生在術(shù)前進(jìn)行預(yù)手術(shù)模擬,結(jié)合教師多維度的解析,行不同的手術(shù)入路方式,細(xì)化手術(shù)方案(圖1)。將模擬方案與術(shù)中主刀醫(yī)師實(shí)際操作相比較,總結(jié)自己的不足,真正調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,對(duì)提高學(xué)生的臨床操作能力有很大的幫助,同時(shí)也提高了手術(shù)小組醫(yī)師間的決策效率。
圖1 將三維重建模型導(dǎo)入到zSpace系統(tǒng)中,對(duì)不同組織設(shè)置透明度可清晰顯示胰腺鉤突占位性病變具體的位置(1A);通過(guò)不同方位的旋轉(zhuǎn)、對(duì)不同解剖組織設(shè)置透明度對(duì)比,可清晰展示胰腺鉤突占位對(duì)門靜脈、動(dòng)脈的侵犯以及腫瘤滋養(yǎng)動(dòng)脈(1B、1C);行不同的手術(shù)入路方式演練,精確計(jì)算出殘余胰腺體積(1D)
3.MR技術(shù)在醫(yī)患信息支持中的應(yīng)用:醫(yī)患信息不對(duì)稱是導(dǎo)致醫(yī)患矛盾緊張的主要原因之一[15-16]。由于患者醫(yī)學(xué)知識(shí)的匱乏,往往對(duì)一些胰腺疾病認(rèn)識(shí)不足,對(duì)醫(yī)師的期望過(guò)高。將MR技術(shù)運(yùn)用到術(shù)前醫(yī)患病情溝通中,將患者與醫(yī)師同時(shí)置身于數(shù)字虛擬-物質(zhì)現(xiàn)實(shí)空間環(huán)境里,通過(guò)對(duì)不同胰腺周圍解剖組織設(shè)置透明度,使患者能夠多維度了解胰腺占位病灶,對(duì)病灶有直觀、立體的認(rèn)識(shí);通過(guò)MR技術(shù)構(gòu)建的手術(shù)環(huán)境,醫(yī)師對(duì)手術(shù)過(guò)程大致演練,配合講解,患者及其家屬可以對(duì)胰腺疾病以及治療方案有更加直觀、清晰的理解,對(duì)術(shù)中手術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)也有了深度認(rèn)識(shí),很大程度上解決了醫(yī)患溝通矛盾[17]。同時(shí),充分告知患者手術(shù)部位的恢復(fù)情況及預(yù)后,可緩解患者的術(shù)后焦慮心理,將會(huì)一定程度上縮短圍術(shù)期時(shí)間[18]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)已有手術(shù)中心將MR技術(shù)運(yùn)用到胰腺外科圍術(shù)期,將計(jì)算機(jī)重建圖像與現(xiàn)實(shí)手術(shù)操作部位相融合,精準(zhǔn)校對(duì)后,清楚地判斷出所需解剖的血管位置,對(duì)精確手術(shù)入路及達(dá)到理想解剖層面有十分重要的指導(dǎo)作用[19-20]。筆者所在數(shù)字醫(yī)學(xué)中心利用MR技術(shù)的跟蹤系統(tǒng)及圖像配準(zhǔn)功能,將其運(yùn)用于胰腺術(shù)中導(dǎo)航取得了良好的效果,對(duì)減少術(shù)中出血、保證術(shù)野清晰起到了很大的幫助(圖2)。Abhari等[21]研究也證明了MR技術(shù)在提高臨床醫(yī)師計(jì)劃腫瘤切除所需要的空間推理能力以及改善患者預(yù)后方面發(fā)揮重要作用。但MR技術(shù)所構(gòu)建的數(shù)字虛擬圖像在術(shù)中導(dǎo)航時(shí)也會(huì)對(duì)手術(shù)區(qū)域有不同程度的遮擋,在因術(shù)中患者體位、氣腹壓、潮氣量改變?cè)斐上鄳?yīng)器官的空間位置變化時(shí),目前未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤配準(zhǔn)[22]。
圖2 胰頭占位性病變患者術(shù)前及術(shù)中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用情況。胰腺三維重建圖,可清晰顯示病灶和胰腺及周圍血管的關(guān)系(2A);術(shù)中混合信息影像圖像與實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)配準(zhǔn),明確病灶的具體位置及胰管的走行(2B);清晰顯示病灶及其周圍脈管走行情況,很大程度上減少解剖分離過(guò)程中出血(2C);術(shù)中導(dǎo)航分離、結(jié)扎相應(yīng)的血管(2D)
MR技術(shù)臨床的應(yīng)用仍處于起步階段,其未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)主要圍繞以下幾點(diǎn):(1)MR技術(shù)的智能化,包括智能圖像配準(zhǔn)以及跟蹤系統(tǒng);(2)虛擬全息解剖影像信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)與真實(shí)空間中的解剖病灶相融合;(3)多維觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的升級(jí);(4)與5G通訊以及機(jī)器人結(jié)合,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地手術(shù)和遠(yuǎn)程實(shí)例教學(xué)。相信不久的將來(lái),胰腺外科??迫瞬排囵B(yǎng)建設(shè)將會(huì)有質(zhì)的飛躍 ,胰腺外科也將真正邁入可視化、可量化、可控化的精準(zhǔn)外科軌道。
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