混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航技術(shù)將成為神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航的新方向

陳凌，趙振宇

現(xiàn)代神經(jīng)外科手術(shù)理念對(duì)精確定位的要求越來越高，醫(yī)師需要最大程度地切除病變且保護(hù)神經(jīng)功能。而現(xiàn)階段大多數(shù)醫(yī)院應(yīng)用的神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要缺陷是導(dǎo)航結(jié)果需降維顯示在二維膠片或顯示器上，因此術(shù)者需要將影像學(xué)數(shù)據(jù)與患者的解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，在腦中重建三維結(jié)構(gòu)。而且手術(shù)過程中術(shù)者視線需從術(shù)區(qū)反復(fù)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)航顯示器，這將導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間增長(zhǎng)，并且增大錯(cuò)誤發(fā)生的幾率[1]。隨著可視化技術(shù)的快速發(fā)展，混合現(xiàn)實(shí)已越來越廣泛地應(yīng)用于神經(jīng)外科，其為術(shù)者呈現(xiàn)立體可視的病變結(jié)構(gòu)及清晰的毗鄰重要組織結(jié)構(gòu)，從而降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，也便于為患者制定更加精準(zhǔn)個(gè)體化，安全高效的手術(shù)方案。此外，立體影像可讓患者更加容易理解病情和手術(shù)過程，提高醫(yī)患之間的溝通效率與信任?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療時(shí)，可以提高救治效率，同時(shí)可減少醫(yī)務(wù)人員在新型冠狀病毒流行期間的職業(yè)暴露[2]?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中可縮短年輕醫(yī)生掌握操作技術(shù)的時(shí)間。本文闡述了虛擬技術(shù)的分類和發(fā)展，可視化混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用及前景，以期推動(dòng)可視化混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航并聯(lián)合5G等技術(shù)在外科手術(shù)中的應(yīng)用創(chuàng)新。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類與發(fā)展

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的Joaron Lanier首次提出“Virtual Reality”一詞，虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦構(gòu)造與真實(shí)世界相似的數(shù)字化虛擬環(huán)境，通過輸出設(shè)備為用戶提供身臨其境的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征是沉浸性、交互性和構(gòu)想性；隨后發(fā)展的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上疊加了真實(shí)場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)提供的沉浸感完全是由計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，以實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互作用，具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)。現(xiàn)在出現(xiàn)的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，應(yīng)用可穿戴式眼鏡，感知外界物理環(huán)境并將計(jì)算機(jī)構(gòu)建的模型疊加于現(xiàn)實(shí)環(huán)境當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)脫離屏幕狀態(tài)下的虛擬世界與真實(shí)世界的融合，構(gòu)建了虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間一個(gè)交互反饋的信息回路，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度交互與共享。

2 可視化導(dǎo)航技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于骨科、泌尿外科等臨床診療中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合現(xiàn)實(shí)可把CT或MRI重建的虛擬圖像投射在手術(shù)室環(huán)境中，疊加于患者的頭部，用可視化的融合圖像為神經(jīng)外科手術(shù)定位導(dǎo)航[3-4]。在神經(jīng)腫瘤、神經(jīng)血管病、脊柱脊髓疾病及其他神經(jīng)外科疾病的手術(shù)治療過程中，可視化導(dǎo)航技術(shù)均體現(xiàn)出了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤手術(shù) 盡可能完整地切除腫瘤并最大程度保護(hù)神經(jīng)功能，是神經(jīng)外科醫(yī)師追求的目標(biāo)。而如何在手術(shù)當(dāng)中精準(zhǔn)定位，并分辨腫瘤與周圍組織結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，是神經(jīng)外科醫(yī)生面臨的問題?？梢暬夹g(shù)用于開顱皮瓣設(shè)計(jì)時(shí)，可以減少皮膚切口長(zhǎng)度[5-6]。切除腦膜瘤時(shí)，可以清楚地顯示腫瘤與靜脈竇的關(guān)系，達(dá)到完全切除腫瘤并最大程度保護(hù)靜脈竇[6-7]，提高腦膜瘤的切除程度。當(dāng)切除深部的膠質(zhì)瘤時(shí)，可視化技術(shù)可以幫助術(shù)者選擇最佳的手術(shù)入路。當(dāng)術(shù)者需要行皮層造瘺切除腫瘤時(shí)，也可以看清造瘺皮質(zhì)結(jié)構(gòu)及腫瘤周圍血管和神經(jīng)組織[8]。在顱底手術(shù)中，可視化技術(shù)可顯示骨結(jié)構(gòu)與病變、顱神經(jīng)和周圍血管的位置關(guān)系，以便設(shè)計(jì)入路，明確磨除骨質(zhì)的范圍，這一優(yōu)勢(shì)在神經(jīng)內(nèi)鏡顱底手術(shù)中同樣至關(guān)重要[5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用視頻投影儀[9]、智能手機(jī)或平板電腦輔助[10]進(jìn)行可視化手術(shù)導(dǎo)航與真實(shí)結(jié)構(gòu)位置間的誤差也越來越小。HoloLens眼鏡等可穿戴設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)導(dǎo)航相比，中位誤差為0.4 cm[11]。而使用基于攝像頭的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)后，即使導(dǎo)航成像的可視化設(shè)備在空間中運(yùn)動(dòng)，投影的位置與真實(shí)位置的誤差也控制在1 mm以內(nèi)[12]。

2.2 血管病手術(shù) 神經(jīng)外科血管疾病無論動(dòng)脈瘤還是動(dòng)靜脈畸形(arteriovenous malformation，AVM)，在夾閉動(dòng)脈瘤頸或切除血管畸形時(shí)，顯露病變血管并保護(hù)正常血管都是手術(shù)能否成功的關(guān)鍵?？梢暬瘜?dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)脈瘤、AVM手術(shù)中，同樣可以減小切口[13-15]，同時(shí)通過優(yōu)化頭部位置，從而最大程度地減少剝離蛛網(wǎng)膜，并通過3D全方位觀察動(dòng)脈瘤附近的血管解剖來選擇最佳的夾閉角度及位置[5,16]。而在顱內(nèi)多發(fā)動(dòng)脈瘤行搭橋手術(shù)時(shí)，可視化導(dǎo)航系統(tǒng)可以顯示供體血管和受體血管最合適的橋接位置?，F(xiàn)在還有研究結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)來評(píng)估血液動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)MRI數(shù)據(jù)的4D顯示[17]。可視化技術(shù)被應(yīng)用于AVM手術(shù)當(dāng)中，術(shù)者根據(jù)重建的圖像制定手術(shù)方案，避免術(shù)中對(duì)重要血管的損傷，提高了手術(shù)效率且減少術(shù)后梗阻等并發(fā)癥[13]。

2.3 顱腦創(chuàng)傷及穿刺手術(shù) 應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，術(shù)者可以將患者的血腫及周圍重要的神經(jīng)血管重建于眼前，從而選擇最佳的手術(shù)入路并實(shí)現(xiàn)最大程度地清除血腫。相對(duì)比傳統(tǒng)的手術(shù)方式，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用最大程度地減少了由于術(shù)者經(jīng)驗(yàn)所導(dǎo)致的主觀誤差。應(yīng)用可視化技術(shù)輔助腦內(nèi)血腫穿刺引流術(shù)，清除血腫體積可達(dá)到97%，并且患者均未出現(xiàn)術(shù)后出血的并發(fā)癥[18]，較大程度提高了手術(shù)的安全性。因?yàn)閭€(gè)體差異，每個(gè)人腦室的位置、體積等存在一定差異，從而難以保證一次穿刺便能成功并使引流位置合適[19]；而多次穿刺導(dǎo)致腦室周圍組織以及血管的損傷幾率增加，增加發(fā)生術(shù)后并發(fā)癥的幾率。有研究者總結(jié)使用HoloLens眼鏡導(dǎo)航行腦室穿刺術(shù)，成功置管需要的平均穿刺次數(shù)明顯低于徒手組穿刺次數(shù)，可視化導(dǎo)航組穿刺偏差也小于徒手穿刺組的偏差[20]。同樣對(duì)于腦室腹腔分流術(shù)及其他功能手術(shù)穿刺放置電極，可視化導(dǎo)航也比傳統(tǒng)導(dǎo)航具備準(zhǔn)確率高、誤差小的優(yōu)勢(shì)。

2.4 脊柱脊髓手術(shù) 脊柱脊髓手術(shù)中，對(duì)病變的準(zhǔn)確定位及進(jìn)行脊柱功能重建是手術(shù)的難點(diǎn)?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用，一方面可進(jìn)行直觀精準(zhǔn)地病變定位，還可以幫助術(shù)者選擇脊柱重建的方案。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在脊柱脊髓手術(shù)中，可用于設(shè)計(jì)椎弓根螺釘置釘時(shí)的角度和位置。研究表明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與徒手置釘技術(shù)相比，提高了椎弓根螺釘置釘位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)減少了反復(fù)使用C臂X線透視的次數(shù)，降低了對(duì)患者和術(shù)者的輻射損傷[21]；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在椎弓根置釘位置的精度約為2.2 mm[22]。Elmi-Terander等[23]行腰骶椎和胸椎椎弓根手術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)導(dǎo)航相比，可視化導(dǎo)航總體準(zhǔn)確性為94.1%。

3 展 望

混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用具有很大潛力和廣闊前景，可將重建的虛擬圖像重疊在實(shí)際的手術(shù)場(chǎng)景中，從而幫助術(shù)者準(zhǔn)確定位并快速制定手術(shù)計(jì)劃，減少主觀錯(cuò)誤的發(fā)生?；旌犀F(xiàn)實(shí)導(dǎo)航通常僅需十幾分鐘的處理即可生成數(shù)據(jù)，能夠滿足手術(shù)及臨床的應(yīng)用需求。但與所有形式的導(dǎo)航一樣，可視化導(dǎo)航技術(shù)也會(huì)遇到術(shù)中“腦移位”的問題。目前臨床往往通過其他術(shù)中監(jiān)測(cè)方法，如MRI、超聲、電生理，提高定位精確度[24]?，F(xiàn)階段混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航僅有視覺上的輸入，缺乏其他感官的反饋進(jìn)行輔助。隨著技術(shù)的升級(jí)，可視化導(dǎo)航可能提供視聽觸等多種模式的反饋，從而進(jìn)一步減少導(dǎo)航偏差。

現(xiàn)階段，隨著中國(guó)5G通信技術(shù)的高速發(fā)展，可視化導(dǎo)航與5G通信技術(shù)結(jié)合，也將為醫(yī)學(xué)發(fā)展地域不均衡的問題提供解決方法。尤其對(duì)于基層醫(yī)院的神經(jīng)外科急診手術(shù)，有經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)外科醫(yī)師無法及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，可通過穿戴設(shè)備及可視化導(dǎo)航，遠(yuǎn)程指導(dǎo)搶救，甚至參與手術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程醫(yī)療。疫情防控期間外科醫(yī)師也可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為隔離病區(qū)的醫(yī)師提供及時(shí)的技術(shù)支持，提高隔離區(qū)非?？漆t(yī)師學(xué)習(xí)掌握新技術(shù)的效率，節(jié)省會(huì)診、穿脫隔離服等過程的時(shí)間，同時(shí)最大程度地降低了職業(yè)暴露的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備的體積也將越來越小，混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航對(duì)術(shù)者的操作將更加便捷并且不會(huì)遮擋手術(shù)視野。隨著可視化導(dǎo)航與手術(shù)機(jī)器人、腔鏡等技術(shù)的結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)多種器械同時(shí)操作、多人協(xié)同手術(shù)、遠(yuǎn)程操作等神經(jīng)外科手術(shù)模式。可視化混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，有望將神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航引入一個(gè)全新的發(fā)展階段。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。