虛擬現(xiàn)實技術(shù)及增強現(xiàn)實技術(shù)應用于神經(jīng)外科教學的思考

陳敬寅，王 林，陳 高

(浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院，浙江 杭州 310009)

神經(jīng)外科在近幾十年來經(jīng)歷了從最初的簡單的鉆顱術(shù)到目前的各種結(jié)合了影像導航技術(shù)的手術(shù)技術(shù)革命。神經(jīng)外科醫(yī)師需要掌握包括但不限于對于錯綜復雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖的知識、手術(shù)過程中分工明確的協(xié)調(diào)以及對于隨時變化的手術(shù)情境的應變能力。然而目前廣泛應用的神經(jīng)外科培訓系統(tǒng)依然和19世紀90年代發(fā)展起來的經(jīng)典的培訓模式類似。

虛擬仿真一流課程是我國高等學校教育“六卓越一拔尖”計劃中“雙萬計劃”一流課程之一[1]。虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)和增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術(shù)最早能夠追溯到20世紀60年代，但直到2010年，計算機技術(shù)的發(fā)展程度才能夠有效地將沉浸式體驗真正實現(xiàn)到VR和AR系統(tǒng)中。

教育部要求在“十三五”期間建設(shè)10個國家級的虛擬仿真一流課程[2]。近年來將各種模擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合進醫(yī)學教育中的重要性越來越被廣泛認識。VR系統(tǒng)和AR系統(tǒng)技術(shù)在普外科、口腔科、耳鼻喉科、婦科及護理等臨床工作和教學工作中的應用也逐步展開。因此將VR及AR技術(shù)有效地結(jié)合進神經(jīng)外科的專業(yè)教學和課程思政教學中，可能是未來神經(jīng)外科教學的新方向。

一、VR及AR系統(tǒng)在神經(jīng)系統(tǒng)解剖教學中的應用

神經(jīng)外科醫(yī)師的解剖訓練是一項對于復雜的神經(jīng)系統(tǒng)的熟悉和學習的過程。3D技術(shù)的創(chuàng)新使得VR及AR系統(tǒng)能夠清晰準確地還原出顱內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的位置與相互關(guān)系，并且通過與系統(tǒng)的交互，讓學員能夠從多種角度觀察顱內(nèi)結(jié)構(gòu)。而通過提供的觸覺等準確反饋，更能讓學員實現(xiàn)用觸摸感受解剖部位的具體情況以及局部組織的軟硬質(zhì)地等。

值得一提的是，傳統(tǒng)的解剖教學往往都較多地局限于正常解剖結(jié)構(gòu)的學習，但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，VR及AR系統(tǒng)還能讓學員通過重建真實病人數(shù)據(jù)，進而針對能夠體現(xiàn)患者特征性的解剖結(jié)構(gòu)進行可視化的和可操作化的學習[3]。由此可見，VR及AR技術(shù)在神經(jīng)外科解剖教學上擁有深遠的發(fā)展前景。

二、VR及AR系統(tǒng)在神經(jīng)外科術(shù)前導航和手術(shù)規(guī)劃教學中的應用

傳統(tǒng)的神經(jīng)外科手術(shù)規(guī)劃中，神經(jīng)外科醫(yī)師只能通過2D的CT或MRI影像等通過空間想象構(gòu)建其自身理解的解剖和病理3D模型，這樣的方式不可避免的存在一定的偏差。

VR及AR系統(tǒng)能夠通過模擬3D環(huán)境應付不同種類的神經(jīng)外科疾病的術(shù)前導航和手術(shù)規(guī)劃的場景。VR及AR系統(tǒng)甚至能通過重建患者的影像學資料，讓手術(shù)醫(yī)師提前演練手術(shù)的過程，提高操作的熟練度，進而縮短手術(shù)操作的時間，降低患者面臨的風險。通過VR及AR系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示淺表、深部以及被各種結(jié)構(gòu)阻擋視野的隱藏的解剖結(jié)構(gòu)，使得低年資的住院醫(yī)師對術(shù)前導航和手術(shù)入路的規(guī)劃變得更加準確。華山醫(yī)院的團隊通過使用三維仿真技術(shù)精確模擬labbé靜脈解剖，為手術(shù)入路的選擇提供了準確，直觀的依據(jù)[4]。

三、VR及AR系統(tǒng)在腦室穿刺術(shù)培訓中的應用

在神經(jīng)外科中，腦室穿刺術(shù)是低年資神經(jīng)外科醫(yī)師進行的基本神經(jīng)外科手術(shù)之一，也是目前我國神經(jīng)外科住院醫(yī)師結(jié)業(yè)考試的操作項目之一。由于肉眼無法直接觀察位于腦組織深部的腦室系統(tǒng)，幾乎每位神經(jīng)外科醫(yī)師都會遇到反復穿刺失敗的情況。隨著穿刺嘗試次數(shù)的增多，患者發(fā)生術(shù)后感染以及腦內(nèi)出血的概率都會大大增加。

VR及AR系統(tǒng)可以整理和重建現(xiàn)有的這些有特征性的患者的腦組織的影像學資料庫，構(gòu)建3D模型并結(jié)合至系統(tǒng)內(nèi)，使操作者能夠在非正常的腦組織結(jié)構(gòu)下亦得到充分腦室穿刺的鍛煉；在實際手術(shù)中，可以將手術(shù)患者的影像學資料進行現(xiàn)場重建并結(jié)合至VR及AR系統(tǒng)中，在操作者佩戴的設(shè)備中將患者的腦室系統(tǒng)投影至真實的患者體表，從而提高腦室穿刺成功率，最終達到更好的手術(shù)效果并改善患者的預后。伊利諾伊大學等的團隊證明通過類似的正規(guī)的VR及AR系統(tǒng)的培訓，能夠顯著提高住院醫(yī)師行腦室穿刺術(shù)的能力[5]。

四、VR及AR系統(tǒng)在血管內(nèi)介入治療教學中的應用

血管內(nèi)介入治療高度依賴于術(shù)中實時影像學的輔助。目前，VR及AR系統(tǒng)的局限性主要在于系統(tǒng)產(chǎn)生的對于操作者的觸覺和感覺等的反饋上。一般認為，當手術(shù)學員訓練的環(huán)境和實際操作的環(huán)境最相近的時候，在實際操作的環(huán)境下學員的技術(shù)和相應的能力能夠得到最大程度的發(fā)揮。而血管內(nèi)介入治療由于其主要是通過血管內(nèi)置入導絲和導管等裝置進行治療，手術(shù)醫(yī)師對于手術(shù)器械提供的觸覺和感覺等反饋的依賴度相較于其他傳統(tǒng)的神經(jīng)外科手術(shù)較少。這一特點使得介入治療培訓非常適合與VR及AR系統(tǒng)相結(jié)合。VR及AR系統(tǒng)能夠在2D或者3D的環(huán)境下模擬整個血管內(nèi)操作的過程。從而使得學員能夠更好地理解血管的解剖結(jié)構(gòu)并掌握相關(guān)的技術(shù)。VR和AR技術(shù)能夠讓受訓者在無風險且高度還原實際情況的環(huán)境下訓練他們的血管內(nèi)介入治療技術(shù)。

五、VR及AR系統(tǒng)在神經(jīng)外科課程思政教學中的應用

“健康中國”建設(shè)要求醫(yī)療衛(wèi)生服務提供更符合現(xiàn)代社會要求的“生物—心理—社會”的綜合醫(yī)學模式。課程思政是以專業(yè)課程為載體，以蘊含其中的思想政治元素為靈魂，將思想政治教育融入專業(yè)課程教學中，把立德樹人作為教育根本任務的一種全新綜合教育理念。課程思政是新時代高校教育的新理念新模式[6]。由于神經(jīng)外科疾病的特征，臨床工作中面對因神經(jīng)系統(tǒng)疾病存在意識障礙及缺陷的患者及其家屬時需要特別重視醫(yī)學人文精神的體現(xiàn)。因此，神經(jīng)外科醫(yī)學教育擔負著培養(yǎng)德醫(yī)雙馨的神經(jīng)外科醫(yī)務工作者的重任。

傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學由于其教學內(nèi)容的復雜性，使得學員往往缺乏對患者的整體性和社會性的關(guān)注。通過VR及AR系統(tǒng)能夠構(gòu)建3D仿真環(huán)境，將患者的局部信息整合成整體，將患者經(jīng)歷醫(yī)療行為后可能發(fā)生的并發(fā)癥及其帶來的社會問題等醫(yī)德教育相關(guān)的問題一體式的結(jié)合到3D環(huán)境下的沉浸式體驗中，向?qū)W員提供實時的反饋，這將能夠在神經(jīng)外科教學的較早階段就讓學員更好的關(guān)注自身道德思想品質(zhì)的建設(shè)和優(yōu)秀的醫(yī)學人文素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而達到“潛移默化、潤物無聲”的課程思政教學效果。

目前，我們中心已經(jīng)初步將VR及AR系統(tǒng)結(jié)合到神經(jīng)外科的臨床教學中，根據(jù)目前反饋的情況看，學員們普遍對教學效果表示滿意，相關(guān)的對照研究正在進一步開展中。當然，VR及AR系統(tǒng)也存在一些局限性。VR及AR系統(tǒng)必須能夠達到符合要求的視野深度、焦點深度、視野寬度，圖像分辨率以及位置追蹤的準確度。同時VR和AR系統(tǒng)必須保持足夠舒適度，從而能夠適應長時間的佩戴。另外，VR及AR系統(tǒng)的價格也必須控制在培訓機構(gòu)能夠承受的范圍之內(nèi)。但可以預見的是，隨著VR及AR技術(shù)的完善發(fā)展，這些局限性也會隨之逐漸消失。未來，通過使用VR及AR系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)范的神經(jīng)外科課程，不但能夠顯著提高神經(jīng)外科醫(yī)師的訓練效果，還能用于對從入門到高年資的不同層次的神經(jīng)外科醫(yī)師的專業(yè)能力及醫(yī)學人文素養(yǎng)相關(guān)能力的考核。綜上所述，VR及AR系統(tǒng)在神經(jīng)外科的專業(yè)教學和課程思政教學中擁有廣闊的應用前景，有助于神經(jīng)外科教學效率的提升，并最終造福于廣大患者。