林 偉，陳燕偉，董冀晨，賀亞龍

(空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

20世紀(jì)60年代末，被稱為“VR教父”的美國空軍電氣工程師湯姆·弗內(nèi)斯，首次研發(fā)了一種讓戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在戰(zhàn)斗中可以獲得直觀三維航空電子數(shù)據(jù)的新技術(shù)，其標(biāo)志著虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)的誕生[1]。他退役后來到了華盛頓大學(xué)，在那里創(chuàng)立了人機(jī)接口技術(shù)(HIT)實驗室并繼續(xù)推進(jìn)該項技術(shù)的研究。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，早期的VR技術(shù)首先在牙醫(yī)和青少年白血病護(hù)理團(tuán)隊中得到廣泛運用，目的主要是轉(zhuǎn)移和分散患者對手術(shù)或治療過程中對疼痛的注意力，這是VR技術(shù)首次運用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。隨后，VR技術(shù)逐步擴(kuò)展到其他醫(yī)療領(lǐng)域，例如部分眼科疾病的手術(shù)模擬訓(xùn)練和老年癡呆的輔助治療等[1]。

雖然虛擬現(xiàn)實指的是一種特定的技術(shù)，但這種稱謂現(xiàn)在通常是被用作統(tǒng)稱。除了虛擬現(xiàn)實(VR)，其相關(guān)技術(shù)還包括增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)和混合現(xiàn)實(MR)。其具體區(qū)別如下：VR是一種計算機(jī)生成的3D模擬環(huán)境，用戶可以完全沉浸其中；AR是將計算機(jī)生成的虛擬圖像投影到現(xiàn)實世界的實體上；MR也是將虛擬對象投影到真實實體上，但這些對象“在空間上具有感知能力和響應(yīng)性”，允許用戶與投影的3D圖像進(jìn)行交互[2]。在本文中，我們依舊使用VR技術(shù)來統(tǒng)稱所有的虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)。

目前，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育上也逐步在擴(kuò)大應(yīng)用范圍，發(fā)揮了越來越重要的作用，受訓(xùn)對象包括醫(yī)學(xué)本科生、研究生教育、進(jìn)修醫(yī)師培訓(xùn)、住院醫(yī)師培訓(xùn)，?？漆t(yī)師培訓(xùn)等[3]。在醫(yī)學(xué)教育中，使用VR技術(shù)可以讓學(xué)生看到更為直觀的3D解剖結(jié)構(gòu)，從而更加深刻地理解組織結(jié)構(gòu)之間的毗鄰關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)教學(xué)中使用VR技術(shù)可以使學(xué)生的注意力更加集中、更好地調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性并提高了其對教學(xué)的滿意度[4]。而外科住院醫(yī)師在患者手術(shù)前使用VR技術(shù)模擬手術(shù)，則可以快速提高手術(shù)技能，縮短學(xué)習(xí)曲線[4]。

VR技術(shù)在神經(jīng)外科繼續(xù)教育中的應(yīng)用是一個日益活躍的研究領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。本文將對VR技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用進(jìn)行探索與實踐。

1 當(dāng)前神經(jīng)外科的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 手術(shù)計劃

VR技術(shù)目前已逐步成為神經(jīng)外科培訓(xùn)的重要工具，能夠?qū)⒍S斷層成像[包括計算機(jī)斷層掃描(CT)和計算機(jī)斷層掃描血管成像(CTA)，以及磁共振成像(MR)和血管成像(MRA)等]數(shù)據(jù)重建成為3D(三維)影像，這些技術(shù)可以幫助神經(jīng)外科醫(yī)生迅速掌握手術(shù)技術(shù)并完善術(shù)前計劃[5]。這項技術(shù)不僅可以讓外科醫(yī)生在虛擬現(xiàn)實中使用3D工具進(jìn)行模擬解剖[6]，針對不同患者形成獨特的影像數(shù)據(jù)，利用這些3D影像進(jìn)行模擬手術(shù)，了解手術(shù)入路過程中所涉及的神經(jīng)、動脈以及皮質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到手術(shù)計劃真實化，個體化的目的，使術(shù)前準(zhǔn)備更加充分和完善[7]。而且，VR技術(shù)可以在術(shù)中使用外科顯微鏡將已提前做好的手術(shù)計劃3D圖像直接覆蓋到外科醫(yī)生的光學(xué)視圖上，以實現(xiàn)3D圖像與現(xiàn)實解剖結(jié)構(gòu)完美融合，實時指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)程[8]。

隨著新的軟件工具進(jìn)一步開發(fā)，不但允許神經(jīng)外科醫(yī)生修改這些圖像的閾值、著色和透明度等，還允許醫(yī)生在使用前對手術(shù)器械進(jìn)行取樣以實現(xiàn)術(shù)前計劃更加貼近實際術(shù)中操作。例如，在開顱動脈瘤夾閉術(shù)前，通過對手術(shù)中各種型號的動脈瘤夾進(jìn)行采樣，利用軟件重建到虛擬現(xiàn)實程序中，模擬手術(shù)過程來測試各種大小、曲度、形狀動脈瘤夾的使用效果，以最終指導(dǎo)真實手術(shù)中動脈瘤夾的選取。有研究表明，該方法可以降低術(shù)中顱內(nèi)動脈瘤的破裂概率，降低死亡率以及術(shù)后復(fù)發(fā)率。即使對于已破裂動脈瘤，術(shù)前發(fā)生蛛網(wǎng)膜下腔出血的情況下，該技術(shù)仍然適用并非常有效[9]。

1.2 手術(shù)模擬器

目前諸如Dextroscope(Volume Interaction Ltd，Singapore)的手術(shù)模擬設(shè)備已實現(xiàn)神經(jīng)外科醫(yī)生不再需要模擬鼠標(biāo)和鍵盤的形式進(jìn)行操作，而是使用3D顯示器或投射成像虛擬工作空間，結(jié)合3D專用手柄來生成模擬手術(shù)。這些手術(shù)模擬器可以利用真實患者數(shù)據(jù)實現(xiàn)個體化模擬，精確定位還原腫瘤邊界、腦回和腦溝等解剖結(jié)構(gòu)[10]。這項技術(shù)已經(jīng)逐步運用于顱內(nèi)腫瘤切除、動脈瘤夾閉合動靜脈畸形切除、腦神經(jīng)微血管減壓和深部腦電刺激植入等各種神經(jīng)外科亞專業(yè)手術(shù)中，與對照組相比，術(shù)前利用手術(shù)模擬器組可以縮短手術(shù)時間、減少出血量、降低并發(fā)癥[11]。

隨著AR技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推進(jìn)了神經(jīng)外科手術(shù)模擬器的進(jìn)步，逐步向術(shù)中應(yīng)用過度，初步達(dá)到虛擬投影與顯微鏡下視圖相結(jié)合，實現(xiàn)外科醫(yī)生在手術(shù)過程中的操作與虛擬影像同步發(fā)生變化，實現(xiàn)完全融合，這是VR技術(shù)的又一重大進(jìn)步[12]。而且，將腫瘤直接投射到患者身上的試驗性術(shù)中應(yīng)用也正在測試中，將虛擬影像直接投影到患者實體上，以便術(shù)者可以減少對頭盔顯示器和監(jiān)視器的依賴，避免分散手術(shù)中的注意力[13]。

1.3 顱腦外科

與脊柱外科相比，顱腦外科的VR應(yīng)用相對較晚。自1985年，由于VR技術(shù)運用成本的相對降低、使用便捷性的提高以及學(xué)習(xí)環(huán)境的低風(fēng)險性，使這一技術(shù)逐步完善并整合到顱腦外科的臨床培訓(xùn)中[14]。諸如Neuro Touch、Immersive Touch等手術(shù)模擬器作為顱腦手術(shù)技能訓(xùn)練的輔助工具在許多醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)開始廣泛運用，而且這些訓(xùn)練系統(tǒng)提供了不同級別、不同難度的手術(shù)訓(xùn)練項目，可以針對不同水平的培訓(xùn)人員加以調(diào)整。

精準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航和完善的術(shù)前規(guī)劃一直是神經(jīng)外科手術(shù)的重要基礎(chǔ)。3D重建成像技術(shù)的完善，為VR技術(shù)在術(shù)前手術(shù)計劃制定及術(shù)中導(dǎo)航使用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。由陳德勝醫(yī)院(新加坡國家神經(jīng)科學(xué)研究所)所研發(fā)的Neuro Planner是一種無框架腦立體定向設(shè)備，該設(shè)備可以將多種2D影像資料進(jìn)行三維重建、融合，形成3D影像資料，并對腫瘤、血管等重要目標(biāo)組織進(jìn)行同時標(biāo)記描繪，還可以進(jìn)行術(shù)前手術(shù)入路模擬，術(shù)中實時導(dǎo)航指引手術(shù)路徑，最終為手術(shù)精準(zhǔn)實施提供保障[15]。

這些神經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備的運用過程中，研究者發(fā)現(xiàn)由于腦脊液的釋放等因素會產(chǎn)生腦漂移，影響了術(shù)中導(dǎo)航的精確性和有效性。因此，導(dǎo)航設(shè)備術(shù)前所重建的影像在術(shù)中需要實時修正[16]，術(shù)中腦成像系統(tǒng)(IBIS)是一個新近研發(fā)的可以解決這一問題的系統(tǒng)，其利用術(shù)中超聲進(jìn)行實時標(biāo)記定位，識別術(shù)前成像和術(shù)中真實情況之間的差異，并進(jìn)行實時修訂，以提高術(shù)中導(dǎo)航的精度與準(zhǔn)確性[17]。

1.4 腦血管外科

腦血管外科是神經(jīng)外科重要的亞專業(yè)，由于腦血管走形的復(fù)雜性和多變性，其診療過程都需要更加依賴術(shù)中成像技術(shù)，因此VR技術(shù)的臨床應(yīng)用為腦血管疾病的診斷和治療帶來了巨大的進(jìn)步。VR技術(shù)允許術(shù)者在術(shù)前能夠更好地了解動脈瘤的大小、基地、朝向、與載瘤動脈精確關(guān)系及所處周圍腦組織的解剖結(jié)構(gòu)特征[18]以便更精準(zhǔn)地進(jìn)行手術(shù)。2016年進(jìn)行的一項研究，評估了使用沉浸反饋式平臺開發(fā)的實時觸覺反饋VR動脈瘤夾閉模擬器的有效性。結(jié)果證明，與對照組相比，術(shù)前利用模擬器進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，可以明顯縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)并發(fā)癥[19]。除了動脈瘤外，該技術(shù)目前也應(yīng)用于急性腦缺血性卒中的機(jī)械取栓培訓(xùn)中，該系統(tǒng)可以完全模擬真實腦血管造影、機(jī)械取栓的手術(shù)全過程，操作順序及設(shè)備也與手術(shù)設(shè)備完全一致，顯著提高了受訓(xùn)神經(jīng)外科醫(yī)生的手術(shù)技能水平[20]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科應(yīng)用中的問題與挑戰(zhàn)

由于神經(jīng)外科的解剖復(fù)雜、手術(shù)難度高、風(fēng)險大，造成了神經(jīng)外科?？漆t(yī)生成長周期較長的特點。VR技術(shù)展示了其在神經(jīng)外科領(lǐng)域應(yīng)用的獨特優(yōu)勢。例如，VR技術(shù)通過重建三維影像，可以幫助醫(yī)生理解大腦結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜空間關(guān)系，降低了神經(jīng)系統(tǒng)解剖的學(xué)習(xí)難度；基于VR技術(shù)的手術(shù)模擬器，再現(xiàn)了術(shù)中情景，使術(shù)者熟練掌握不同疾病的手術(shù)細(xì)節(jié)及重點，縮短了培訓(xùn)者由理論向?qū)嵺`的過度周期；術(shù)中VR技術(shù)的運用，可以縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)風(fēng)險，減少患者醫(yī)源性損傷。另有針對血管內(nèi)治療技術(shù)培訓(xùn)的研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前使用配備觸覺反饋技術(shù)的VR設(shè)備進(jìn)行手術(shù)模擬，可以降低術(shù)中術(shù)者和患者的輻射暴露時間，提高術(shù)者的手術(shù)熟練程度。

盡管VR技術(shù)的應(yīng)用為神經(jīng)外科領(lǐng)域帶來了諸多益處，但自2009年8月加拿大醫(yī)生David Clarke第一次利用VR技術(shù)進(jìn)行術(shù)前練習(xí)并制訂手術(shù)計劃以切除顱內(nèi)腫瘤以來，其在神經(jīng)外科的應(yīng)用過程中也逐步出現(xiàn)了多種挑戰(zhàn)[21]。例如，臨床實用性仍不明確、使用成本高以及逐步出現(xiàn)的醫(yī)學(xué)倫理等問題。

首先，VR技術(shù)相關(guān)的培訓(xùn)課程因機(jī)構(gòu)和特定設(shè)備的不同而并不一致，且國內(nèi)外也并無統(tǒng)一的培訓(xùn)流程和考核標(biāo)準(zhǔn)，使其在神經(jīng)外科臨床培訓(xùn)中的效果大打折扣。一方面，這種額外的培訓(xùn)課程也增加了臨床醫(yī)生的工作量，特別是對于培訓(xùn)項目已經(jīng)安排得非常密集的住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)員以及神經(jīng)外科?？婆嘤?xùn)學(xué)員，也影響了他們參加培訓(xùn)的積極性。另一方面，對于已完成?？婆嘤?xùn)并持有?？茍?zhí)業(yè)證書的高年資神經(jīng)外科醫(yī)生，尤其是臨床經(jīng)驗豐富的具有高級職稱的醫(yī)生主觀上不愿投入更多的時間接受培訓(xùn)，或并沒有完全認(rèn)同這種新技術(shù)對于自身手術(shù)技能的提高作用。

其次，價格高昂的設(shè)施和維護(hù)成本仍然是VR技術(shù)在神經(jīng)外科運用的一個重要障礙。目前，我國除了少部分重點教學(xué)性綜合醫(yī)院購買部分相關(guān)設(shè)備，并初步探索了培訓(xùn)流程外，絕大部分醫(yī)院仍未開展。反之，對于開發(fā)VR技術(shù)相關(guān)設(shè)備的醫(yī)療技術(shù)公司，由于市場推廣緩慢，應(yīng)用前景仍不明朗，資金回籠受限，也限制了其研究和開發(fā)新技術(shù)和設(shè)備的速度與動力[22]。因此，我國醫(yī)學(xué)院校等大型醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)也在逐步嘗試解決這個問題，并提出了一些切實可行的方案。例如，醫(yī)科大學(xué)的教學(xué)醫(yī)院設(shè)立臨床技能培訓(xùn)中心，將該技術(shù)不僅運用于神經(jīng)外科，也拓展至其他外科。通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)有效地降低每次使用的成本，減輕了機(jī)構(gòu)的財務(wù)負(fù)擔(dān)。當(dāng)然，這一戰(zhàn)略需要技術(shù)公司開發(fā)能夠兼容不同外科專業(yè)的硬件和軟件，使醫(yī)院的多學(xué)科之間共享這項技術(shù)。這樣醫(yī)院只需購買具有運行不同軟件程序的相同硬件，就可以實現(xiàn)神經(jīng)外科、整形外科、普通外科等專業(yè)醫(yī)生都參與到這樣的培訓(xùn)中。這種成本分?jǐn)偰Ｊ娇赏茝V各大醫(yī)院VR技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)技術(shù)公司的研發(fā)，推動這項技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，最終使廣大患者從VR技術(shù)所輔助的外科手術(shù)中獲益。

再次，隨著VR技術(shù)從解剖教學(xué)、術(shù)前計劃、模擬手術(shù)、術(shù)中導(dǎo)航到術(shù)中輔助指導(dǎo)手術(shù)的臨床應(yīng)用逐步深入，醫(yī)學(xué)界也逐漸出現(xiàn)了關(guān)于該技術(shù)在醫(yī)學(xué)倫理方面的質(zhì)疑及爭論。由于VR技術(shù)在臨床手術(shù)中的參與程度的不斷加深，再加上新興的人工智能技術(shù)的融入，手術(shù)決策的重心有從手術(shù)外科醫(yī)生個人的主體轉(zhuǎn)移到計算機(jī)的趨勢，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)倫理問題呈指數(shù)級增加。對于這一問題，也需要醫(yī)療機(jī)構(gòu)與技術(shù)研發(fā)公司深度合作，盡快開展大規(guī)模多中心臨床研究，對VR輔助手術(shù)和常規(guī)手術(shù)之間進(jìn)行更直接、全方位的比較，進(jìn)一步分析該項技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)中的作用及益處，以明確其是否值得醫(yī)學(xué)領(lǐng)域花費時間、成本和精力進(jìn)行深入研發(fā)和廣泛實施。

3 結(jié)論

VR技術(shù)經(jīng)過迅速發(fā)展，已經(jīng)初步實現(xiàn)了將基于患者2D影像學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)重建后的3D圖像成功的投射于手術(shù)中的患者實體。其實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實融合，優(yōu)化了術(shù)前計劃、改進(jìn)了的手術(shù)入路，其甚至已經(jīng)拓展至最先進(jìn)的手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域。VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育和神經(jīng)外科培訓(xùn)領(lǐng)域也逐步顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢，該技術(shù)給醫(yī)學(xué)本科生、神經(jīng)外科實習(xí)生、參加住院醫(yī)師/神外專科規(guī)范化培訓(xùn)的醫(yī)生提供了通過增強(qiáng)視覺空間學(xué)習(xí)理論知識的機(jī)會，以及通過手術(shù)模擬來縮短神經(jīng)外科手術(shù)培訓(xùn)周期的機(jī)遇。該技術(shù)為培訓(xùn)人員提供了大量的模擬手術(shù)訓(xùn)練機(jī)會，且不會增加患者醫(yī)源性損傷的風(fēng)險。在開顱手術(shù)、血管內(nèi)介入手術(shù)、脊柱手術(shù)等眾多神經(jīng)外科亞專業(yè)手術(shù)中，VR技術(shù)不斷提高其運用價值、拓展運用領(lǐng)域，有望大幅提高神經(jīng)外科疾病的診治水平。

然而，VR技術(shù)自問世的半個多世紀(jì)以來，逐步遇到了諸如臨床實用性仍不明確、使用成本高以及初步浮現(xiàn)的醫(yī)學(xué)倫理等問題。關(guān)于如何解決這些問題，進(jìn)一步推動該項技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)步，都需要醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)以及技術(shù)研發(fā)公司進(jìn)行進(jìn)一步的深度合作。通過降低使用成本、成立VR技術(shù)設(shè)備共享機(jī)構(gòu)、開展多中心大樣本量的隨機(jī)對照臨床研究等方法，明確VR技術(shù)的實用性、降低使用門檻，使該項技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域能夠廣泛有效的應(yīng)用，使廣大醫(yī)生及患者受益。