張家墅，陳曉雷，王 群，侯遠征，孫國臣，李昉曄，張治中，張 軍，孫正輝，余新光，許百男

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

·數字醫(yī)學·

虛擬和增強現實技術在顱內病變穿刺手術教學中的應用

張家墅1,2，陳曉雷1，王 群1，侯遠征1,2，孫國臣1，李昉曄1，張治中1，張 軍1，孫正輝1,2，余新光1，許百男1

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

顱內病變穿刺活檢術是一種對于腦內病變的活體組織檢查方法，也是年輕神經外科醫(yī)師需要掌握的基本術式。在傳統(tǒng)活檢手術中，腦功能區(qū)的定位完全依靠術者的經驗判斷，缺乏客觀依據，不適合在臨床教學中推廣，對于缺乏臨床經驗的年輕神經外科醫(yī)師來說，腦功能區(qū)的定位更具挑戰(zhàn)。基于多模態(tài)導航的虛擬和增強現實技術，能夠解決腦功能區(qū)定位和可視化問題。文章介紹了虛擬和增強現實技術在穿刺活檢手術教學中的應用經驗。

虛擬現實；增強現實；多模態(tài)導航；腦活體組織檢查術；神經外科教學

虛擬現實技術(virtual reality,VR)是通過計算機模擬產生一種三維虛擬環(huán)境，借助特殊的人機接口技術，它能提供給用戶視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等多通道感官模擬，使用戶產生高沉浸感的仿真體驗[1-2]。增強現實技術(augmented reality,AR)是在VR基礎上發(fā)展起來的，該技術將虛擬信息實時疊加到真實環(huán)境中，從而使用戶獲得超越現實的感官體驗[3-4]。VR和AR已經在醫(yī)療、軍事、工業(yè)、教育、娛樂和文化等領域有所應用。

基于多模態(tài)導航的VR和AR，是指將腦部功能和代謝信息與解剖影像進行數字化整合并導入導航系統(tǒng)，從而實現術前和術中結構、功能和代謝信息的同步可視化[5]。前期的臨床應用提示，這種VR和AR能夠直觀、準確和可靠地定位腦部功能區(qū)，提高了活檢手術的安全性[6-8]。筆者的研究團隊將該技術應用于神經外科的臨床教學實踐中，并評價了其在手術教學中的應用價值。

1 對象與方法

1.1研究對象

選擇解放軍總醫(yī)院神經外科10名住院醫(yī)師參與顱內功能區(qū)病變的穿刺活檢手術，手術對象為2016年1月—2017年1月在解放軍總醫(yī)院神經外科住院的20例顱內功能區(qū)病變患者。其中，男性11例，女性9例，年齡10～76歲，平均(38.40 ± 19.94)歲，具體信息如表1所示。

表1 20例患者基本信息、病變特點及手術參數

注：a世界衛(wèi)生組織2016年神經系統(tǒng)腫瘤分級

1.2 VR和AR的實現

MRI的解剖、功能和代謝成像于手術前1 d完成。MRI數據采集后，通過局域網將原始數據傳入計劃工作站的iPlan 3.0軟件。在解剖三維成像的基礎上，代謝信息用于指導穿刺靶點的選擇，功能成像用于顯示皮層功能區(qū)及皮層下功能纖維束，經過數據后處理和圖像融合即形成包含病變解剖、位置和周邊血管、腦功能區(qū)的虛擬現實的數字化三維模型(如圖1A所示)。在iPlan 3.0軟件的trajectory模塊內可利用該模型進行術前計劃和模擬手術穿刺，從而實現術前VR。手術當天虛擬現實信息通過局域網傳入導航工作站，通過導航注冊將虛擬現實信息和患者面部標志物進行匹配。注冊成功后，術前重建的病變、功能區(qū)等虛擬信息可以疊加到實際頭顱和腦表面，實現術中AR(如圖1B-C所示)。在術中AR指導下確定手術切口和穿刺點，按照確定的穿刺方案利用VarioGuide系統(tǒng)(德國BrainLab公司)鎖定預設靶點位置[6]。穿刺針到達靶點和完成取材后常規(guī)進行iMRI掃描，如果iMRI發(fā)現穿刺部位不準確，可更新導航計劃后重復上述步驟，直到滿意為止。術后利用VR重建腦功能結構。

圖1 基于多模態(tài)導航的VR和AR實例

1.3教學方法

術前多模態(tài)成像和導航計劃由磁共振技術人員完成。術前VR模擬實際穿刺過程，形象化教學穿刺方案制定：住院醫(yī)師術前首先根據傳統(tǒng)MRI設計初始穿刺方案，再根據VR修訂和完善穿刺方案，最終由上級醫(yī)師審核后確定為實際穿刺方案；術中AR指導教學穿刺手術過程：穿刺手術由制定方案的住院醫(yī)師在上級醫(yī)師監(jiān)督下，按照預先確定的穿刺方案進行。術中AR能夠顯示穿刺針和功能區(qū)位置信息，保障穿刺針避開功能區(qū)安全到達預設靶點；術后VR協助總結手術經驗：術后VR重建腦功能區(qū)，分析功能障礙原因、制定應對措施和評估預后。整個數據采集和結果登記由組內研究生完成，統(tǒng)計分析由統(tǒng)計專業(yè)人員完成。

1.4研究指標

分析對比20例患者術前初始和修訂后穿刺方案；記錄術中取材陽性率、功能區(qū)保護情況、術后病理結果和圍手術期患者神經功能評分。

1.5統(tǒng)計學方法

采用SPSS 21.0軟件對數據進行分析，比較活檢前后神經功能評分采用Wilcoxon秩和檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1術前VR的教學作用

VR和AR在全部患者均得到成功實施。通過對比初始和修訂后方案發(fā)現，45%(9/20)的初始穿刺路徑不同程度地損傷功能結構。術者根據VR修訂和完善了穿刺路徑(如圖2所示)。

圖2 術前模擬穿刺幫助修訂和完善穿刺方案

2.2術中AR的教學作用

借助VR和AR，10名住院醫(yī)師均在上級醫(yī)師指導下獨立完成手術。20例手術均按照預先方案順利完成，術中穿刺路徑均最大限度地避開功能區(qū)(如圖3所示)。

圖3 術中基于多模態(tài)導航的AR實時顯示穿刺針和功能區(qū)位置

2.3術后VR的教學作用

術后病理陽性診斷率100%，無圍手術期死亡病例。盡管術前20例病變均位于功能區(qū)，活檢前與術后2周的神經功能(karnofsky performance status,KPS)評分無明顯差異(P=0.317)(表1)。2例患者出現暫時神經功能障礙，術后2周1例恢復至術前水平，1例遺留一側肢體輕偏癱，術后VR協助分析病情、總結經驗和評估預后(如圖4所示)。

圖4 術后VR重建的功能區(qū)結果與臨床表現吻合

3 討論

3.1與傳統(tǒng)教學方式的區(qū)別

VR和AR改變了傳統(tǒng)活檢手術的教學方式，主要區(qū)別在于：①變被動傳授為主動學習。傳統(tǒng)手術教學以上級醫(yī)師操作、下級醫(yī)師參觀的形式進行，下級醫(yī)師獨立完成手術的機會非常有限。VR的出現使得年輕醫(yī)師可以在術前模擬進行手術操作，這種仿真、互動式的親身體驗，能夠明顯提高學習者的積極性，加深和強化記憶。②變傳統(tǒng)解剖影像為多模態(tài)成像。傳統(tǒng)的活檢手術中，術者只能根據解剖信息和個人經驗講授手術涉及的腦部功能結構，學習者則通過抽象思維去想象各個功能結構的空間位置和毗鄰關系。VR和AR能夠把抽象的結構重建后多角度顯示，便于術者直觀講解和學習者形象記憶。以往冗繁的語言難以闡明的神經解剖結構，VR和AR能夠一目了然的展示出來，達到事半功倍的教學效果。③完美兼顧臨床和教學?；顧z手術是功能神經外科的常規(guī)手術，對于術中的操作技巧要求不高，手術的關鍵在于術前計劃和術中導航精度，是年輕醫(yī)師較容易掌握和上手的術式。初學者對于解剖和功能結構判別能力有限，術中容易損傷腦部功能區(qū)，造成患者神經功能障礙。模擬穿刺使得初學者可以根據VR提供的功能信息修改和完善手術方案，模擬穿刺的過程本身就是學習解剖和手術的最好機會。術中AR把功能結構多角度三維展示出來，初學者可以在AR輔助下完成手術，保證手術安全。對于高風險的神經外科專業(yè)來說，這種方式無疑是種兼顧臨床和教學的兩全齊美的方法。④利于術后經驗總結。以往術后影像只能反饋活檢部位是否準確，有無出血等情況，對于功能結構的完整性無法直觀顯示。VR可以將術后的功能結構重建出現，指導術后病情分析、應對處理和預后判斷。該研究中1例術后早期出現神經功能障礙的患者，VR提示纖維束結構完整但受穿刺部位周圍水腫影響，術后2周神經功能逐漸恢復正常(圖4)。⑤降低手術門檻、縮短培養(yǎng)周期，利于年輕醫(yī)師成長。古語說“工欲善其事，必先利其器”，以VR和AR為代表的高科技在醫(yī)學領域的應用，在造福廣大患者的同時，也給廣大年輕醫(yī)師帶來更多的機遇。高科技的應用某種程度上更利于好奇心強和思維活躍的年輕醫(yī)師掌握。傳統(tǒng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)需要日積月累的臨床磨煉，這種點滴積累固然重要，但VR和AR有望縮短年輕醫(yī)師的培養(yǎng)周期，同時降低某些手術的入門門檻。研究發(fā)現，腦穿刺活檢的術后神經功能障礙發(fā)生率為0.4%～11%，該概率的高低與病變性質和部位密切相關[9-11]。該組20例患者均緊鄰功能區(qū)，但借助于VR和AR，手術前后神經功能評分無明顯變化，術后神經功能障礙發(fā)生率為5.0%。因此，住院醫(yī)師借助VR和AR的輔助以及上級醫(yī)師的指導，也能獨立完成有一定難度的顱內病變穿刺活檢手術，達到同上級醫(yī)師類似的手術效果。

3.2現狀和未來展望

醫(yī)學教育是VR和AR應用的熱點領域。解放軍總醫(yī)院于2009年在國內較早開展了多模態(tài)導航與高場強術中磁共振引導下無框架立體定向顱內病變穿刺手術。導航與術中磁共振是實現VR和AR的硬件載體，但由于價格昂貴，目前僅限于規(guī)模較大的神經外科中心，很難普遍推廣。隨著圖像后處理軟件和外接顯示器的不斷發(fā)展，出現了多種版本的VR和AR裝備。例如：近年智能手機能夠實現多種數字化顯示功能，筆者的研究團隊在國際和國內最早利用智能手機，將三維重建的病變影像投射到實際患者頭顱，實現基于智能手機平臺的簡易AR，用于神經外科臨床教學[12-14]。這種簡易、低成本的方法僅依靠一臺安裝了配套軟件的筆記本電腦、光盤或藍牙傳輸媒介和一臺智能手機，即可實現傳統(tǒng)需要昂貴費用和龐大設備才能實現的VR和AR。VR和AR在臨床教學領域的應用潛力巨大，但不可否認的是目前仍存在諸多不足。例如：圖像采集和后處理過程中仍需要人為配準、注冊，因此不可避免地會受到主觀因素的影響。如腦部語言區(qū)需要在喚醒麻醉下術中皮層電刺激來加以驗證。因此，尋找一種準確、可靠和便捷有效的VR和AR設備會成為未來研究的目標。

基于多模態(tài)導航的VR和AR在顱內病變穿刺手術教學中的應用，將傳統(tǒng)的“被動灌輸、抽象想象”的手術教學改變?yōu)椤爸鲃訁⑴c、直觀可視化”的全新模式，既提高了教學效率，又保證了手術質量，適合推廣。

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Applicationofvirtualandaugmentedrealityinteachingofneurosurgicalneedlebiopsyofintracraniallesions

ZhangJiashu1,2,ChenXiaolei1,WangQun1,HouYuanzheng1,2,SunGuochen1,LiFangye1,ZhangZhizhong1,ZhangJun1,SunZhenghui1,2,YuXinguang1,XuBainan1

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

Needle biopsy of intracranial lesions is a stereotactic operation of obtaining brain tissue for pathological diagnosis, as well as a routine basic surgery that each young neurosurgeon should master. In traditional biopsy surgery, localization of eloquent brain areas mainly relies on personal experience-based judgment. However, this method lacks objective basis and is difficult to be widely accepted, especially in clinical education. For young neurosurgeons without much clin- ical experience, this procedure is even more challenging. The multi-mode and navigation-based virtual and augmented reality technology can solve the problem of localization and visualization of eloquent brain areas. The article introduces our experience of applying virtual and augmented rea- lity technology to teaching of neurosurgical needle biopsy.

virtual reality; augmented reality; multimodal navigation; brain biopsy; neurosurgical education

解放軍總醫(yī)院科技創(chuàng)新苗圃基金項目(15KMM19)；解放軍總醫(yī)院臨床科研扶持基金(2016FC-TSYS-1023)

2017-06-19

張家墅(1982-)，男，遼寧撫順人，主治醫(yī)師，博士，主要研究方向：術中影像及多模態(tài)神經導航。

G434；G642.0

：A

：1004-5287(2017)05-0578-05

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201705024