孫國臣，余新光，陳曉雷，李安民，朱儒遠(yuǎn)，李 鋼，卜 博，許百男

解放軍總醫(yī)院：1 海南分院神經(jīng)外科， 海南 三亞 572013；2 神經(jīng)外科， 北京 100853

·數(shù)字醫(yī)學(xué)·

基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用

孫國臣1,2，余新光2，陳曉雷2，李安民1，朱儒遠(yuǎn)1,2，李 鋼1，卜 博2，許百男2

解放軍總醫(yī)院：1海南分院神經(jīng)外科， 海南 三亞 572013；2神經(jīng)外科， 北京 100853

神經(jīng)解剖復(fù)雜、難以掌握。手術(shù)操作相對較難，對精細(xì)程度及微創(chuàng)的要求高，且其解剖及手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)的手段有限。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科臨床及教學(xué)中已有報道，而增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用則少有報道。文章介紹了基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航計劃平臺，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實。同時，詳細(xì)闡述了其在神經(jīng)外科手術(shù)及教學(xué)中的作用、優(yōu)勢及其應(yīng)用前景。

虛擬現(xiàn)實；增強(qiáng)現(xiàn)實；多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航；神經(jīng)外科教學(xué)

目前，傳統(tǒng)的神經(jīng)外科解剖教學(xué)主要依賴文字、解剖圖譜、教學(xué)模型、尸體,等，而臨床教學(xué)(術(shù)前手術(shù)計劃、模擬手術(shù)過程)主要以影像學(xué)二維圖片、現(xiàn)場觀摩及高年資醫(yī)師帶教完成，甚至有些教學(xué)內(nèi)容靠憑空想象，如神經(jīng)功能的可塑化教學(xué)。這些教學(xué)方式枯燥、效率低下，不能規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化展開，長期以來限制了神經(jīng)外科教學(xué)的發(fā)展，制約了青年神經(jīng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)。近年來，伴隨科技進(jìn)步，特別是虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實的引入，為神經(jīng)外科教學(xué)帶來了教學(xué)手段的技術(shù)革新。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科臨床及教學(xué)中已有報道，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用少有報道。筆者介紹了一種基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航平臺實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實的教學(xué)方式。將抽象的、原本“不可見”的神經(jīng)解剖及功能結(jié)構(gòu)三維可視化，用于神經(jīng)外科解剖及臨床教學(xué)。該技術(shù)革新了教學(xué)方式，而且可以規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化展開，提高了神經(jīng)外科教學(xué)的效率，縮短了青年神經(jīng)外科醫(yī)師成長時間。

1 虛擬及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)是利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個3D空間的虛擬世界，提供給使用者關(guān)于視、聽、觸覺等感官的模擬，使用者可以及時、毫無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)(augmented reality，AR)是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是通過計算機(jī)提供的信息來增加使用者對現(xiàn)實世界感知的科學(xué)技術(shù)，并將計算機(jī)生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息等內(nèi)容疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的“增強(qiáng)”。它將計算機(jī)生成的虛擬物體或者關(guān)于真實物體的非幾何信息疊加、配準(zhǔn)到真實世界的場景上，實現(xiàn)對真實世界的增強(qiáng)。同時，由于與真實世界的聯(lián)系未被切斷，其交互方式更加自然[2]。AR、VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事及航空模擬領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸廣泛。該文介紹的基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實的關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實的關(guān)系

在圖1中，A顯示的是真實世界的情況，顯微鏡下只能看到患者的頭皮；B展示的是虛擬現(xiàn)實，在計算機(jī)輔助下，模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，可以重現(xiàn)病變(綠色)及功能結(jié)構(gòu)(視放射背側(cè)束：紅色；視放射腹側(cè)束：藍(lán)色)。人只能與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互；而C所顯示的是增強(qiáng)現(xiàn)實，即將虛擬的世界(病變、功能結(jié)構(gòu))與現(xiàn)實世界(手術(shù)視野)融合到同一空間(2D顯示)；圖D顯示的是增強(qiáng)現(xiàn)實，是將虛擬的世界(病變、功能結(jié)構(gòu))與現(xiàn)實世界(手術(shù)視野)融合到同一空間(3D顯示)。

2 基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的價值2.1 教學(xué)方式

通過使用基于多模態(tài)神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)平臺的虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，將頭皮、腦回，腦室、血管、傳導(dǎo)束、功能區(qū)皮層等結(jié)構(gòu)通過三維可視的方法再現(xiàn)經(jīng)典的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。通過營造出虛擬的世界，產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中不可見的虛擬對象，并且借助高科技技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確地放置在到現(xiàn)實世界中。使學(xué)習(xí)者以最直觀形象的方式來觀察和學(xué)習(xí)。如果能結(jié)合當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)平臺，則可以在全國范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化展開神經(jīng)外科教學(xué)，為教學(xué)方式帶來革命性變化。

2.2 術(shù)前手術(shù)計劃教學(xué)

根據(jù)實際需要，對需要手術(shù)的患者在術(shù)前行常規(guī)CT、MRI、MRA、MRV、MRA、PET檢查，等。同時，行DTI、fMRI，分別重建傳導(dǎo)束及定位功能區(qū)皮層。在導(dǎo)航軟件平臺(iPLAN3.0)下，同時實現(xiàn)病變、傳導(dǎo)束、功能皮層及其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維可視化。教師和學(xué)習(xí)者可以任意角度觀察病變與重要功能結(jié)構(gòu)及解剖結(jié)構(gòu)的三維位置關(guān)系，從而可以有理有據(jù)地設(shè)計最優(yōu)化的手術(shù)入路，制定最合理的手術(shù)計劃如圖2所示。同時，引入教學(xué)過程，可以形象地講清病變位置、功能結(jié)構(gòu)以及手術(shù)路徑，同時可以解釋目前的手術(shù)方案是最佳方案的理由。

圖2 導(dǎo)航計劃軟件勾畫病變、重建視放射、定位視皮層

例如：患者胡XX，女，46歲。主因間斷頭痛、頭暈、嘔吐1月入院。術(shù)前行磁共振解剖像顯示病變位于右側(cè)頂枕葉。術(shù)前診斷為高級別膠質(zhì)瘤。以導(dǎo)航計劃軟件勾畫病變、重建視放射、定位視皮層，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)感興趣結(jié)構(gòu)的可視化，根據(jù)病變與功能結(jié)構(gòu)的三維位置關(guān)系，選擇最佳的手術(shù)入路。

2.3 模擬手術(shù)過程教學(xué)

手術(shù)麻醉完畢，擺好體位，頭架固定頭部。安裝導(dǎo)航參考架、注冊導(dǎo)航、驗證精準(zhǔn)程度，如圖3所示。

圖3 安裝閃光眼罩，貼頭皮Marker，放置導(dǎo)航參考架

將術(shù)前采集的解剖數(shù)據(jù)信息以及重建的病變、功能結(jié)構(gòu)與患者真實的顱腦疊加、配準(zhǔn)，結(jié)合顯微鏡下功能神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)，術(shù)者通過顯微鏡目鏡透過頭皮或術(shù)區(qū)直接看到病變及功能結(jié)構(gòu)，可以程序化地勾畫病變及功能結(jié)構(gòu)的體表投影，有助于設(shè)計適合的頭皮切口、骨瓣以及皮層造瘺口的位置(如圖4-6所示)。

圖4 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)顯示病變與視放射、視皮層的關(guān)系 圖5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)顯示病變與視放射、視皮層的關(guān)系 圖6 顯微鏡導(dǎo)航下透過皮層可見深部腫瘤

整個手術(shù)過程中的顯微鏡功能神經(jīng)導(dǎo)航下的病變與功能結(jié)構(gòu)的可視化使手術(shù)變得簡單、直觀、有理有據(jù)?？梢詫崟r、直觀地判斷腫瘤邊界，手術(shù)操作的位置以及與功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而提高手術(shù)的安全性。整個虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實實現(xiàn)的過程既是臨床醫(yī)療過程亦是教學(xué)過程，醫(yī)教融為一體，充分、高效地利用了緊缺的臨床資源。術(shù)后的影像復(fù)查如圖7所示及神經(jīng)功能評估進(jìn)一步驗證該技術(shù)的穩(wěn)定性及可靠性,使抽象、枯燥的臨床神經(jīng)外科教學(xué)變得很直觀。

圖7 術(shù)后三月掃描顯示病變?nèi)谐?/p>

2.4 病理情況下功能神經(jīng)結(jié)構(gòu)解剖教學(xué)

由于高級功能結(jié)構(gòu)的個體化差異以及病變存在下高級功能區(qū)的重塑，病理狀態(tài)下功能皮層位置和皮層下白質(zhì)纖維束的走形難以判斷。借助虛擬技術(shù)可以準(zhǔn)確判定、充分了解不同情況下的皮層功能結(jié)構(gòu)的位置，加深了對功能可塑性的理解。對于深部白質(zhì)，可參考的標(biāo)志更少，借助虛擬技術(shù)，可以明確病變情況及占位效應(yīng)存在條件下白質(zhì)纖維束與病變的三維位置關(guān)系，全程看到重要傳導(dǎo)束白質(zhì)內(nèi)的走行和形態(tài)。

3 討論3.1 教學(xué)方式變革

傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學(xué)方法是以口頭傳達(dá)、板書、模型、掛圖、標(biāo)本、人體等輔助教學(xué)工具進(jìn)行教學(xué)的。近年來，多媒體教學(xué)異軍突起，它把文字、圖像、視頻和動畫等信息整合到一起，以新的教學(xué)手段、生動的教學(xué)形式，成為了當(dāng)前主要教學(xué)方式。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將成為下一代神經(jīng)外科教學(xué)中的主要教學(xué)手段。它與其他教學(xué)方式的根本區(qū)別就是虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)打破了傳統(tǒng)的教師在學(xué)習(xí)過程中占主導(dǎo)地位的形式，學(xué)習(xí)者可以最大限度地發(fā)揮主動性和積極性，從而形成一種生動、活潑、積極的教學(xué)方式，這是任何傳統(tǒng)的教學(xué)方式和方法所達(dá)不到的。

3.1.1 打破教學(xué)時空限制

傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學(xué)模式下，學(xué)習(xí)者獲得的知識以間接知識為主。而利用虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可以營造出不存在的世界，或是一般人無法接觸的環(huán)境，或真實世界無法看到的信息，使學(xué)習(xí)者以最直觀形象的方式來觀察和學(xué)習(xí)，徹底打破教學(xué)在時間和空間上的限制。

3.1.2 神經(jīng)外科教學(xué)方式變革

基于該平臺的虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)如果能結(jié)合當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理，便可以在全國范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化地開展神經(jīng)外科教學(xué)，為教學(xué)方式帶來革命性變化。

3.2 術(shù)前手術(shù)計劃系統(tǒng)

傳統(tǒng)的手術(shù)計劃教學(xué)，主要依賴術(shù)前的CT及磁共振影像等二維信息。神經(jīng)外科的教師根據(jù)頭皮、顱骨的標(biāo)記靠尺子測量換算定位。對于淺部的病變可以粗略地定位，對于深部病變以及占位效應(yīng)明顯的病變沒有可靠的方法。位于功能區(qū)的病變，由于特殊的功能結(jié)構(gòu)的位置，不能得到準(zhǔn)確判斷，更是雪上加霜。而且由于個體化差異，顱骨及頭皮的標(biāo)記并不一致，容易導(dǎo)致定位不準(zhǔn)，手術(shù)難度增加、術(shù)后神經(jīng)功能障礙可能性增大。術(shù)前計劃的教學(xué)無據(jù)可依，沒有標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)效果不理想。神經(jīng)導(dǎo)航的出現(xiàn)部分的解決了病變定位問題。借助解剖神經(jīng)導(dǎo)航可以精確定位病變，但是對功能結(jié)構(gòu)的定位沒有幫助?；谠撈脚_技術(shù)的虛擬現(xiàn)實的術(shù)前計劃系統(tǒng)可將原有的二維影像整合為立體的三維影像，可以顯示重要功能結(jié)構(gòu)，并提供虛擬的手術(shù)環(huán)境進(jìn)行術(shù)前計劃制定。三維可視化可多角度、全方位展示病變與周邊重要功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系，可以形象地告知學(xué)習(xí)者嘗試從不同的入路顯露病變的優(yōu)缺點。從而很容易設(shè)計最優(yōu)化的手術(shù)計劃。

解放軍總醫(yī)院海南分院卜博等[3]使用Dexotro- scope手術(shù)計劃系統(tǒng)，了解其性能及其對臨床制定手術(shù)計劃以及實施手術(shù)的幫助，認(rèn)為Dexotroscope手術(shù)模擬計劃系統(tǒng)能使術(shù)者對患者影像資料從三維動態(tài)化的角度有更深入的理解,是理想的臨床培訓(xùn)和教學(xué)工具，但是其不能實現(xiàn)對腦功能區(qū)的定位。應(yīng)用多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航平臺后，在神經(jīng)導(dǎo)航的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了腦功能結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確再現(xiàn)和定位。該單位系列研究證實虛擬現(xiàn)實技術(shù)在術(shù)前計劃中的重要性[4-5]。

解放軍總醫(yī)院海南分院自2009年2月以來，每一例需要多模態(tài)導(dǎo)航手術(shù)的患者均在術(shù)前以虛擬現(xiàn)實技術(shù)制定術(shù)前計劃,同時引入教學(xué)過程，可以形象地講清病變位置、功能結(jié)構(gòu)、距離、手術(shù)路徑以及解釋目前的手術(shù)方案是最佳方案的理由。

3.3 手術(shù)過程培訓(xùn)保障

以往手術(shù)過程基本靠術(shù)者的經(jīng)驗來進(jìn)行，手術(shù)過程教學(xué)基本靠手術(shù)錄像、自行觀摩以及術(shù)中術(shù)者基于自己經(jīng)驗的講解。不同的術(shù)者其講解可能存在較大的差異，而且還可能存在相悖的意見，這樣學(xué)習(xí)者就無法直接獲得直觀的感性知識。利用虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行虛擬手術(shù)演練可以消除這種尷尬。

借助該技術(shù)平臺，手術(shù)過程教學(xué)可以以三維形式顯示患者的病變與功能結(jié)構(gòu)，通過顯微鏡下功能神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)將可視化的病變及功能結(jié)構(gòu)圖像疊加到患者頭皮或術(shù)野，學(xué)習(xí)者很容易理解手術(shù)切口的設(shè)計、適宜骨瓣的選擇及術(shù)中安全的切除病變虛擬過程。研究表明，虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)技術(shù)在膠質(zhì)瘤切除中具有很大的意義。有助于提高病變的切除程度，保護(hù)患者的運(yùn)動、語言及視覺功能，從而改善患者預(yù)后，達(dá)到最佳的術(shù)后恢復(fù)[5-8]。對于垂體瘤、動靜脈畸形、功能神經(jīng)外科等患者[9-10]均有很大的幫助。手術(shù)在顯微鏡下功能神經(jīng)導(dǎo)航下進(jìn)行，術(shù)者及學(xué)習(xí)者可以直視原本不容易看到的腫瘤邊界，可以直接看到病變與功能結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，直觀的判斷操作的位置距離病變還有多遠(yuǎn)，操作是否接近了原本不可見的功能結(jié)構(gòu)，使手術(shù)變得簡單化：只要具有顯微神經(jīng)外科技巧的神經(jīng)外科大夫，經(jīng)過該系統(tǒng)的培訓(xùn)，就可以完成本來需要經(jīng)過多年歷練才能完成的手術(shù)。手術(shù)不過分依賴術(shù)者的經(jīng)驗，術(shù)者的成長歷程明顯縮短。

3.4 皮層功能可塑化及白質(zhì)纖維束狀態(tài)

每個患者的顱腦解剖均有一定的差異，尤其在病理解剖基礎(chǔ)改變的情況下，病變局部情況與經(jīng)典的解剖圖譜及手術(shù)圖譜有很大區(qū)別，而且由于腦功能重塑，功能皮層的位置難以確定。這種復(fù)雜情況基礎(chǔ)上的變異造成了臨床工作中可能出現(xiàn)的嚴(yán)重誤判。既往對皮層功能重塑教學(xué)基本靠憑空想象，基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了功能皮層個體化定位，可通過模擬系統(tǒng)準(zhǔn)確了解功能可塑化后的功能區(qū)位置。為探討神經(jīng)功能可塑化的機(jī)制研究提供了支撐、為功能可塑化的教學(xué)找到了技術(shù)支持平臺。對于腦白質(zhì)走形，既往的教學(xué)只能取不同代表性的層面予以參考。沒有可能全程看到真實的情況。借助該平臺技術(shù)，可以明確病變存在水腫以及占位效應(yīng)存在條件下白質(zhì)纖維束與病變的三維位置關(guān)系，全程看到重要傳導(dǎo)束白質(zhì)內(nèi)的走行和形態(tài)。變抽象為形象，而且提供了更加詳細(xì)的信息。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的神經(jīng)外科教學(xué)方式效率低下，不能規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化展開，長期以來限制神經(jīng)外科教學(xué)的發(fā)展，制約了青年神經(jīng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實的引入，為神經(jīng)外科教學(xué)帶來了技術(shù)革新。作者介紹的基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航計劃平臺實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實的教學(xué)方式，將抽象的、原本“不可見”的神經(jīng)解剖及功能結(jié)構(gòu)三維可視化，用于神經(jīng)外科解剖及臨床教學(xué)。該技術(shù)革新了教學(xué)方式，而且可以規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化展開，提高了神經(jīng)外科教學(xué)的效率，縮短了青年神經(jīng)外科醫(yī)師成長時間，值得推廣。

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Application of virtual reality and augmented reality technology based on multi-mode neuronavigation in neurosurgery teaching

SunGuochen1,2,YuXinguang2,ChenXiaolei2,LiAnmin1,ZhuRuyuan1,2,LiGang1,BuBo2,XuBainan2

1DepartmentofNeurosurgery,HainanBranchofGeneralHospitalofPeople'sLiberationArmy,Sanya572013;2DepartmentofNeurosurgery,GeneralHospitalofPeople'sLiberationArmy,Beijing100853,China

Neuroanatomy is complex and difficult to grasp and neurosurgical operation is also relatively complex, demanding minimally invasive procedures. There are limited means of anatomical and surgical teaching training. Virtual reality technology has been reported in neurosurgery clinic and teaching. Augmented reality applications in neurosurgery teaching are rarely reported. Here we report one type of the newest virtual reality and augmented reality technology, based on multi-mode function of the neuronavigation program platform. This paper describes its role in neurological surgery and teaching, advantages and application prospects.

virtual reality;augmented reality;multi-mode neuronavigation;neurosurgery teaching

國家自然科學(xué)基金資助(81271515)；解放軍總醫(yī)院科技創(chuàng)新苗圃基金(14KMM37)；海南省三亞市醫(yī)療衛(wèi)生科技創(chuàng)新項目(2014YW31)

2014-06-26

孫國臣(1980-)，男，河北邢臺人，博士，主治醫(yī)師，主要研究方向：術(shù)中影像及功能神經(jīng)導(dǎo)航。

G434

A

1004-5287(2015)01-0066-04【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201501020