商冠寧

骨腫瘤學(xué)科是骨科學(xué)范疇內(nèi)難度最高的亞專業(yè)之一，病種繁雜多樣，手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)高，術(shù)中出血量大且常伴副損傷發(fā)生，青年醫(yī)師學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的數(shù)字化技術(shù)，其能夠突破虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的界限，將數(shù)字化數(shù)據(jù)整合至人對(duì)于真實(shí)世界的感知中，使人獲得模擬的感覺，如視覺、聽覺等，并與之交互[1]。近年來(lái)，已有多項(xiàng)研究探索了混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同骨科亞專業(yè)手術(shù)規(guī)劃中的應(yīng)用價(jià)值。本文將著重闡述混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨腫瘤患者圍手術(shù)期中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景，以提高骨腫瘤科專科醫(yī)師對(duì)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨腫瘤領(lǐng)域應(yīng)用的認(rèn)知和掌握。

1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用

1.1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字醫(yī)學(xué)也隨之迅速發(fā)展，混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality, MR)技術(shù)是繼虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)技術(shù)之后出現(xiàn)的全新數(shù)字化全息成像技術(shù)，因其廣闊的應(yīng)用前景而受到醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注[2-3]。MR技術(shù)是在AR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，通過(guò)將術(shù)前影像(CT或MRI)產(chǎn)生的三維虛擬模型與實(shí)際物體相結(jié)合產(chǎn)生立體圖像，與AR技術(shù)虛擬圖像簡(jiǎn)單地疊加到真實(shí)環(huán)境不同，使用MR設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互[4]。MR技術(shù)因其能夠打破虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的屏障，并且融合了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，從而能夠強(qiáng)化模擬手術(shù)的真實(shí)感并提高手術(shù)的精確性，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)交互，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在骨科學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)在臨床教學(xué)及培訓(xùn)、醫(yī)患溝通、術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬操作、術(shù)中導(dǎo)航、術(shù)后個(gè)性化康復(fù)等方面取得了一定進(jìn)展[5-6]。

1.2 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨腫瘤外科手術(shù)中的應(yīng)用

骨腫瘤外科由于解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、個(gè)體差異較大,手術(shù)中容易損傷腫瘤毗鄰的重要血管和神經(jīng)，對(duì)操作的精準(zhǔn)程度要求較高；同時(shí)對(duì)各種修復(fù)重建材料與患者匹配精確程度要求較高，手術(shù)難度較大。目前，三維重建技術(shù)、3D打印技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)等輔助手段在骨腫瘤外科手術(shù)中得到了應(yīng)用，提高了手術(shù)的安全性和精準(zhǔn)性[7-8]。MR技術(shù)通過(guò)現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的深度擬合、三維虛擬模型與真實(shí)世界的精準(zhǔn)匹配、環(huán)境與使用者的實(shí)時(shí)交互而具備了既往數(shù)字化技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)，有可能成為骨腫瘤精準(zhǔn)化外科治療的有效輔助手段。

2 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的臨床應(yīng)用

2.1 教學(xué)應(yīng)用 MR技術(shù)作為在三維應(yīng)用的基礎(chǔ)上結(jié)合形成的新技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的聯(lián)系快速地進(jìn)行信息交換，增強(qiáng)體驗(yàn)的真實(shí)感。MR技術(shù)的面世推動(dòng)教育信息化時(shí)代的發(fā)展，智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的形成，也使醫(yī)學(xué)教育更加數(shù)字化、智能化、精準(zhǔn)化[9]。MR技術(shù)的三個(gè)基本屬性決定了它在臨床教學(xué)應(yīng)用中的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：沉浸感、交互性和想象性。MR技術(shù)相比較于傳統(tǒng)教學(xué)模式更能提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)三維空間想象能力，有助于學(xué)員更好地了解人體解剖的三維結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。通過(guò)MR技術(shù)對(duì)骨腫瘤診療全流程的精準(zhǔn)化展示，將骨腫瘤的治療流程以三維立體的空間結(jié)構(gòu)直觀地表現(xiàn)出來(lái)，有助于增強(qiáng)學(xué)員對(duì)骨腫瘤治療方案和手術(shù)過(guò)程的理解，提高畢業(yè)后培訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，從根本上解決骨與軟組織腫瘤科青年醫(yī)生培養(yǎng)周期長(zhǎng)，培養(yǎng)難度大的問(wèn)題。

2.2 術(shù)前醫(yī)患溝通 由于骨科手術(shù)涉及的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和手術(shù)技術(shù)專業(yè)性，患者及其家屬對(duì)疾病認(rèn)識(shí)的局限性，患者通常難以理解復(fù)雜的病情和治療方案。同時(shí)由于醫(yī)患溝通的不充分，患者及家屬經(jīng)常無(wú)法充分理解骨腫瘤的手術(shù)方案及康復(fù)理念。根據(jù)骨腫瘤患者的個(gè)性數(shù)據(jù)，利用MR技術(shù)進(jìn)行建模，佩戴MR眼鏡，在醫(yī)生的解釋下，患者及其家屬可以360度全方位地看到病變的狀態(tài)、位置、大小以及與鄰近器官的關(guān)系，而不僅僅是閱讀難以理解的文字報(bào)告[10-11]。應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、順暢地進(jìn)行醫(yī)患手術(shù)治療方案溝通，使患者對(duì)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和手術(shù)方案的細(xì)節(jié)有了更深入的了解，能夠使醫(yī)生與患者之間更好的交流。結(jié)合醫(yī)生的互動(dòng)解釋和虛擬操作，患者及患者家屬通?？梢詼?zhǔn)確、生動(dòng)地了解局部解剖結(jié)構(gòu)、治療方法和手術(shù)程序，使其能夠更清晰、更直觀地了解治療方案，加深患者對(duì)自身病情和手術(shù)潛在風(fēng)險(xiǎn)的理解。解決醫(yī)生和患者及家屬專業(yè)知識(shí)不對(duì)稱和醫(yī)患信任危機(jī)等問(wèn)題，使溝通過(guò)程變得簡(jiǎn)單、有效，提高患者對(duì)于治療的配合度與依從性，并且有效避免醫(yī)患潛在矛盾的發(fā)生。

2.3 手術(shù)規(guī)劃 骨腫瘤由于病種繁多、解剖變異復(fù)雜，手術(shù)切除及修復(fù)重建均極具挑戰(zhàn)。以往醫(yī)師對(duì)于患者疾病信息的獲取通常依賴X線平片、CT、MRI等影像學(xué)檢查結(jié)果，手術(shù)方案的制定更多的依賴于術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)解剖結(jié)構(gòu)和疾病的熟知，面對(duì)術(shù)中突發(fā)狀況更多的考驗(yàn)術(shù)者臨場(chǎng)應(yīng)變能力。而由于骨科手術(shù)相對(duì)復(fù)雜的解剖情況，疾病周圍的血管神經(jīng)結(jié)構(gòu)關(guān)系難以完整精確地還原和再現(xiàn)[12]。

MR技術(shù)可以將CT、MRI等影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)MR設(shè)備將復(fù)雜的病變情況三維立體地呈現(xiàn)在術(shù)者面前，手術(shù)醫(yī)生可以直觀地感受腫瘤的情況、缺損的大小及形態(tài)，制定最佳手術(shù)入路，設(shè)計(jì)完美手術(shù)計(jì)劃，并可進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)等操作。在術(shù)前借助MR技術(shù)模擬手術(shù)，有助于最優(yōu)化手術(shù)入路的選擇及降低高難度步驟的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化手術(shù)方案。模擬手術(shù)進(jìn)行三維重建能夠直觀、立體地展現(xiàn)病變部位及毗鄰關(guān)系，并可進(jìn)行三維立體測(cè)量，方便醫(yī)師制定相應(yīng)手術(shù)方案，進(jìn)行仿真手術(shù)以及模擬置入物置放，使醫(yī)師充分了解手術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)及操作細(xì)節(jié)，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，減少副損傷和并發(fā)癥，提高骨科手術(shù)精準(zhǔn)化程度，使治療方案變得更加精準(zhǔn)、高效。

2.4 術(shù)中精準(zhǔn)定位 MR技術(shù)作為VR技術(shù)和AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使復(fù)雜的、高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)變得準(zhǔn)確、安全，在輔助醫(yī)師定位病灶、確定切除范圍、保護(hù)周圍重要的血管神經(jīng)等方面具有顯著的臨床意義及應(yīng)用價(jià)值，從而大幅度提高手術(shù)精確性并降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。MR技術(shù)可以為術(shù)中可視化，提供了更多的控制自由，又由于數(shù)據(jù)可以由用戶隨時(shí)操作，因此手術(shù)醫(yī)生不需要進(jìn)行術(shù)前校準(zhǔn)[13]。類似于AR技術(shù)，MR技術(shù)可以使外科醫(yī)生在保證無(wú)菌條件的同時(shí)訪問(wèn)患者數(shù)據(jù)，從而減少了患者和外科醫(yī)生的輻射暴露。MR技術(shù)將虛擬模型與真實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合，為精密手術(shù)的可視化制導(dǎo)創(chuàng)造了一種新的模式。利用該技術(shù)，醫(yī)生可以全面觀察病變細(xì)節(jié)，深入挖掘圖像信息，術(shù)中從而實(shí)現(xiàn)病變的精確定位，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。術(shù)中精準(zhǔn)定位有助于優(yōu)化手術(shù)方式，提高了骨腫瘤手術(shù)成功率及個(gè)性化精準(zhǔn)重建，更能滿足骨腫瘤外科治療的精確化、個(gè)性化需求。

2.5 新輔助治療評(píng)效 對(duì)于化療/放療敏感的惡性骨腫瘤患者，在行新輔助治療前后通過(guò)影像學(xué)資料數(shù)據(jù)使用MR技術(shù)計(jì)算腫瘤體積來(lái)評(píng)估化療的作用更加精準(zhǔn)。將新輔助治療前后的影像學(xué)資料收集、數(shù)據(jù)處理、分析、集成和輸出，進(jìn)而進(jìn)行個(gè)體化、精準(zhǔn)的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)建模，將兩者的三維成像進(jìn)行對(duì)比，可有效評(píng)估化療療效[14]。利用MR技術(shù)可以更精準(zhǔn)地重建腫瘤與周圍組織，清晰地展示腫瘤與重要血管、神經(jīng)的解剖關(guān)系，準(zhǔn)確地計(jì)算腫瘤體積，為后續(xù)手術(shù)提供參考。

3 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn) MR技術(shù)具有的現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的深度擬合、三維虛擬模型與真實(shí)世界的精準(zhǔn)匹配、環(huán)境與使用者的實(shí)時(shí)交互特征，使得MR技術(shù)在未來(lái)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的前景。和3D打印相比，在獲取影像學(xué)數(shù)據(jù)后MR圖像的制作速度也相對(duì)迅速，而且MR圖像還可以進(jìn)行各種放大、渲染、選擇性濾過(guò)等操作，對(duì)疾病的觀察更加細(xì)致。相較于VR技術(shù)，MR技術(shù)能夠保留真實(shí)世界的視野，使手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性得到很大程度的提高，目前MR技術(shù)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，但是其與臨床教學(xué)、醫(yī)患溝通、手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)模擬操作、術(shù)中導(dǎo)航、術(shù)后康復(fù)鍛煉的結(jié)合日趨緊密，未來(lái)可結(jié)合大數(shù)據(jù)，根據(jù)患者資料建立MR數(shù)據(jù)庫(kù)，精確測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，反復(fù)模擬手術(shù)，制定最佳手術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)的精準(zhǔn)化、規(guī)范化治療；對(duì)于疑難病例可利用MR技術(shù)進(jìn)行病情模擬制作后用于遠(yuǎn)程會(huì)診，同時(shí)也能夠保證外科手術(shù)操作個(gè)體化。

3.2 缺點(diǎn) 當(dāng)前,混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展,與醫(yī)學(xué)有機(jī)融合,為臨床診療模式帶來(lái)了革命性的改變,降低了對(duì)經(jīng)驗(yàn)與想象力的依賴,為手術(shù)提供了三維精準(zhǔn)數(shù)字化的科學(xué)依據(jù)，但目前還有一些亟待解決的問(wèn)題。由于MR技術(shù)設(shè)備高昂的成本，現(xiàn)階段并不能廣泛應(yīng)用；佩戴智能眼鏡會(huì)出現(xiàn)不適和疼痛，有可能不利于手術(shù)醫(yī)生工作；目前技術(shù)還不能完美實(shí)現(xiàn)及時(shí)實(shí)時(shí)互動(dòng)，圖像處理需要時(shí)間，因此延遲是不可避免的；與骨骼建模相比，軟組織的信號(hào)強(qiáng)度變化很大，對(duì)于小血管和某些軟組織難以重建，在后處理階段需要大量的人工干預(yù)。尤其對(duì)于較復(fù)雜的手術(shù)，應(yīng)用時(shí)容易出現(xiàn)圖像與實(shí)際分離的現(xiàn)象,還沒有很好的注冊(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)將虛擬模型與患者完全吻合;其次,伴有軟組織腫塊時(shí),周圍受累組織難以精確重建；重建模型與真實(shí)視野重疊時(shí)可能會(huì)影響術(shù)者的視野,在手術(shù)操作時(shí)仍需高度警惕,避免不必要的副損傷。

4 展望

近年來(lái)，數(shù)字化骨科技術(shù)已經(jīng)成為骨腫瘤的基礎(chǔ)研究及精準(zhǔn)化診療基石。隨著數(shù)字化骨科技術(shù)在骨腫瘤治療中的應(yīng)用，個(gè)性化、微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化、智能化已經(jīng)成為骨腫瘤診療模式發(fā)展的方向。MR技術(shù)的虛擬三維立體影像可以從不同的角度不受限制地查看病變區(qū)域的骨骼、周圍神經(jīng)和血管組織，為骨腫瘤外科診療提供了一種全新的視角，MR技術(shù)的未來(lái)發(fā)展將極大地推進(jìn)新時(shí)代醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新。