混合現實技術在神經外科臨床教學中的探索與實踐

劉 將 李明武 曾明慧 賈 力 姜曉峰 凌士營

盡管神經導航、立體定向、手術機器人等手術輔助工具應用于臨床醫療日益成熟，但神經系統解剖的學習、手術入路的選擇、切口的設計以及手術模擬操作仍然是神經外科醫師規范化培訓（簡稱規培）、專科培訓（簡稱專培）的基本內容。如何讓神經外科規培及專培醫師充分理解神經結構之間復雜的空間關系，并完成三維空間的重構，是神經外科臨床教學的重點和難點。近年來，虛擬現實（virtual reality，VR）和增強現實（augmented reality，AR）技術已然突破了傳統的教學模式，在醫學教學領域得到了廣泛應用[1～5]。混合現實（mixed reality，MR）技術是在VR及AR 基礎上的技術延伸，尤其在空間定位、三維信息處理及信息傳遞交互等方面有進一步提高[6]，為神經外科臨床教學提供了新的途徑。本文就MR技術在神經外科臨床教學中的探索與實踐進行總結。

1 MR技術的概念及其在醫療領域的應用現狀

VR技術是利用計算機生成虛擬的、可體驗的數字環境，通過輸出設備為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，將用戶與現實世界隔離，使用戶仿佛置身于現實世界之中，但無法與現實環境交互。AR技術是指在現實世界中添加一個由計算機構建的虛擬環境，相對于VR 技術，AR 具有虛實結合的特點，達到超越現實的感官體驗。MR 技術是VR 技術的進一步發展和AR技術的延伸，是將數字信息利用計算機圖形處理技術和可視化技術生成真實環境中不存在的虛擬圖像，并通過傳感器技術將虛擬圖像投射至真實環境中并呈現真實對象的特征。真實的環境和虛擬的圖像實時地顯示在同一空間中，實現了現實與虛擬世界的融合。同時，MR 在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，在新的可視化環境里物理和數字對象共存，并實時互動，給用戶一種難以置信的現實和虛擬混合沉浸式體驗。因此，MR較VR、AR延伸了用戶的感知能力，增強了用戶體驗的真實感[7，8]。

MR系統主要有三個特點：現實世界與虛擬世界的深度契合、虛擬模型與現實世界的精確匹配、環境和用戶之間的實時交互性[8，9]。多模態MR 技術將CT、MRI等影像數據融合后行三維可視化重建，通過微軟Hololens 眼鏡將虛擬立體成像與手術操作區域配準，用作術中定位與引導[10]。不同于神經導航的是，MR 技術還有“透視”效果，結合3D 打印模型，可行無風險、可重復的模擬手術操作。MR技術的這些特點讓其成為應用于醫學前沿的流行信息技術，在醫學教育培訓、醫學研究、醫患溝通和臨床治療等方面帶來了革命性的變化，促進了醫學的快速發展。有學者應用MR技術輔助顳骨解剖教學及經椎間孔入路腰椎間盤切除術的臨床教學[11，12]。還有學者利用可穿戴MR 全息影像技術指導經顱穿刺置管，證實其安全、可靠[13]。在顱內腫瘤手術、癲癇手術以及脊柱手術中，基于多模態MR 技術展現的術中可視化技術已經得到了初步應用，手術的準確性與安全性得到了提升，顯示出廣闊的應用前景[14～16]。

2 神經外科教學的難點及存在問題

2.1 神經解剖學的學習 傳統醫學教育依賴于解剖圖譜中二維圖像以及尸體解剖，但解剖標本短缺，且無法重復利用，導致低年資醫師很難將二維圖像在腦海中完成空間重構。

2.2 顱內病灶定位及切口設計 顱內病灶的術前影像學檢查多以二維圖像呈現，低年資醫師將影像學的病灶范圍與病人顱內病灶的實際位置建立對應的關系十分困難，而顱內病灶的定位恰恰是神經外科的重要基礎，定位偏差就無法設計出合理的切口。盡管神經導航有助于培養這種視覺空間技能，但難以反復進行臨床實踐，故學習曲線較長，制約了神經外科青年醫師的成長。

2.3 術中解剖識別與操作 神經外科手術操作要求精準、細致，術中在暴露或處理病灶時，術者應對周邊結構了然于心。低年資醫師在術中對于深在的結構難以識別，對于非直視下操作如腦室穿刺難以靈活把握，由此導致手術并發癥增多。

3 MR技術在神經外科臨床教學中的應用及優勢

MR 技術通過采集正常的顱腦影像學原始掃描數據，利用計算機軟件進行分析重建，將顱腦解剖結構以三維圖像呈現在真實環境中（圖1）。由此，把臨床解剖教學過程從使用二維圖像轉變為三維立體結構，可以從不同角度、不同位置進行“透視”，有助于低年資醫師直觀了解神經解剖及重要解剖結構之間的空間位置關系，縮短學習曲線，提高專培的效率，并節約教學成本[17]。另外，MR 技術還可以應用于遠程醫學教育培訓。新型冠狀病毒肺炎疫情發生后，很多學生無法返校，有大學應用MR技術遠程教授解剖學課程，發現MR 技術有潛力解決成本和獲取問題，可望在世界各地實現同質化、高質量的醫學教育[18]。

圖1 虛擬模型立體呈現顱腦解剖結構及顱內腫瘤位置與周邊解剖

神經腫瘤教學是神經外科規培的重要內容。在顱內腫瘤臨床教學過程中，可以利用MR 技術立體呈現顱腦解剖結構及腫瘤在顱內的位置、大小及形態，并與3D打印的病人頭顱模型進行配準（圖2），進行手術切口設計及手術入路模擬教學，理解手術暴露及切除過程中腫瘤與周邊神經、血管、纖維束的毗鄰關系，體會手術操作中的注意事項。此外，還可以建立顱腦腫瘤MR 技術病例數據庫，讓專培醫師通過不同部位的神經腫瘤，理解不同手術入路的精髓。借助MR技術進行術前規劃和手術模擬練習[19]，提供了一種高效、沉浸式的全新教學模式，對病人無任何風險，且可以反復操作、回顧總結，有助于低年資醫生增強對顱內腫瘤手術的理解，縮短培養周期[20，21]。

圖2 虛擬模型與3D打印的顱骨模型匹配過程以及匹配后形成的“透視”效果

經顱穿刺廣泛用于腦內血腫、腦積水、腦膿腫以及功能神經外科疾病。由于靶點位置不可見，低年資醫師經驗匱乏難以把握，是神經外科臨床教學的重點難點。MR技術可以協助術者“看穿大腦”，設計并優化穿刺路徑，結合3D打印技術即可以實現模擬手術穿刺教學。有研究表明接受MR技術輔助手術模擬訓練的醫生對相關解剖的掌握程度、穿刺操作的熟練程度、穿刺部位的選擇以及模擬操作的自信心均高于接受常規訓練的醫生[22]。一系列研究顯示MR技術能夠提升神經外科穿刺類技能的培訓效率，尤其適用于各種以任務為導向的場景，包括側腦室穿刺[23]、椎弓根螺釘的植入和椎體成形手術等[12]。經皮卵圓孔穿刺微球囊壓迫術是治療原發性三叉神經痛微創技術之一，術中精準穿刺卵圓孔是手術成功的前提。我科應用可穿戴MR全息影像技術輔助術中穿刺置管（圖3），提高了穿刺的準確度和效率。

圖3 可穿戴混合現實全息影像技術輔助卵圓孔穿刺治療“三叉神經痛”

4 MR技術的局限性

影像學檢查的原始數據是MR 技術重建虛擬模型的基礎，因此影像學的成像質量對模型重建有決定性影響。MR技術實時交互時，手勢操作難以精確調整模型角度，具有一定的滯后性。MR設備僅有視覺輸出，缺乏觸覺力反饋和其他感官的模擬。虛擬模型與真實病人難以精準匹配[24]，不能解決腦脊液丟失等導致的腦移位問題，限制了MR 技術的術中應用。佩戴MR 技術頭戴式設備時，不能同時使用顯微鏡手術。因此，MR技術的應用目前大多仍處于探索階段。

5 總結與展望

MR 技術是VR、AR 技術的進一步延伸，在神經外科臨床教學方面大有可為，包括神經解剖的學習、教學查房、術前規劃、模擬手術等，通過立體呈現的顱腦解剖及病灶部位，虛擬與現實交互融合，即時干預與反饋，能有效減少學習曲線，增強神經外科醫生的視覺空間技能，達到事半功倍的教學效果。隨著技術的革新，MR技術將在醫學教育培訓、醫學研究、醫患交流和臨床治療領域帶來巨大變革，顯示其廣泛的應用價值。