混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科教學(xué)中的應(yīng)用前景

李政垚，周 熹，翟 笑，潘 慧，劉 勇

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 1.骨科； 2.內(nèi)分泌科 國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)內(nèi)分泌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100730)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality, VR)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality, AR)技術(shù)為代表的智能視覺模擬、強(qiáng)化設(shè)備的出現(xiàn)，讓計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)與各行業(yè)的結(jié)合變得更加緊密，尤其是這類技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。越來越多的醫(yī)學(xué)院、醫(yī)院嘗試將其應(yīng)用于外科手術(shù)、醫(yī)學(xué)教學(xué)、操作培訓(xùn)等領(lǐng)域，這些應(yīng)用讓醫(yī)療相關(guān)工作更加可視化，也使得這些工作更加高效、精確。在此基礎(chǔ)上，為了使得這類視覺技術(shù)的應(yīng)用性進(jìn)一步提高，混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality, MR)技術(shù)日趨成熟，其能夠?qū)⒄鎸?shí)視野通過特殊眼鏡與虛擬視野疊加。相對(duì)VR和AR技術(shù)，MR技術(shù)更加直觀，并提供了前兩者并不具備的代入感，同時(shí)使用者僅需佩戴眼鏡不影響其正常視野，也無需占用雙手，這無疑為這種技術(shù)在外科的應(yīng)用提供了前提條件。由于該技術(shù)出現(xiàn)較晚，在外科教學(xué)領(lǐng)域還未被廣泛采用，但上述特征讓這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用備受期待。本文將從外科教學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科教學(xué)中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析和探討。

1 混合現(xiàn)實(shí)(MR)的概念

MR技術(shù)是一種建立在人類自然知覺基礎(chǔ)上的全新數(shù)字化全息影像技術(shù)，其首先在計(jì)算機(jī)中建立圖形影像，生成虛擬模型，并通過特殊眼鏡將其疊加至現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，造成一種特別的現(xiàn)實(shí)與虛擬圖像混合的場(chǎng)景，本質(zhì)上是在現(xiàn)實(shí)、虛擬和用戶間構(gòu)建信息交互反饋的回路。解剖學(xué)是外科學(xué)的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)解剖學(xué)的難點(diǎn)在于空間、結(jié)構(gòu)相互位置的想象能力，以及解剖圖像的理解向現(xiàn)實(shí)人體實(shí)際結(jié)構(gòu)的知識(shí)轉(zhuǎn)化，解決以上學(xué)習(xí)問題的最佳方案原本是對(duì)人體大體標(biāo)本進(jìn)行實(shí)際解剖學(xué)習(xí)。但是，當(dāng)醫(yī)學(xué)生/醫(yī)師進(jìn)入外科臨床階段后接觸大體解剖的機(jī)會(huì)很少，且在外科手術(shù)/操作等現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)時(shí)也不可能攜帶標(biāo)本進(jìn)行參考。MR技術(shù)可以完美地解決以上兩個(gè)學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，將CT掃描的平面圖像轉(zhuǎn)化為立體模型，降低空間構(gòu)思難度，在手術(shù)/操作時(shí)將患者本人影像解剖模型投射到對(duì)應(yīng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)上，為更好學(xué)習(xí)解剖提供便利，這是MR技術(shù)用于外科教學(xué)的基礎(chǔ)。

2 混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)作為外科教學(xué)工具的特點(diǎn)

MR技術(shù)作為一種教學(xué)工具，其主要面對(duì)的低年資醫(yī)師/醫(yī)學(xué)生，這類人群的特點(diǎn)是具有理論知識(shí)，但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尚且不足。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)⑵矫鎴D像轉(zhuǎn)化為更加具象的3D模型，彌補(bǔ)學(xué)習(xí)者經(jīng)驗(yàn)不足造成的空間解剖關(guān)系構(gòu)思錯(cuò)誤。另外，投影于眼鏡中的圖像可以隨意調(diào)整位置及角度，方便觀察，同時(shí)其在術(shù)中講解展示時(shí)可以匹配患者實(shí)際體位，更加真實(shí)。展示僅需用手進(jìn)行手勢(shì)操作，無需接觸計(jì)算機(jī)或投影眼鏡等設(shè)備，不會(huì)造成術(shù)中污染，無疑增強(qiáng)了其展示的便利性和安全性。MR技術(shù)從獲取患者圖像資料到成功建立模型總體時(shí)間僅需數(shù)個(gè)小時(shí)，方便且節(jié)約時(shí)間。

在應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)有的MR技術(shù)作為教學(xué)工具也存在一定缺陷。例如MR技術(shù)的展示操作需要一定的學(xué)習(xí)曲線，且對(duì)手勢(shì)的識(shí)別不夠靈敏，教學(xué)者需要時(shí)間熟悉這項(xiàng)技術(shù)。另外就是當(dāng)教學(xué)時(shí)真正需要將MR投影影像和真實(shí)患者相應(yīng)結(jié)構(gòu)相重疊匹配時(shí)，還無法完成自動(dòng)匹配，只能通過人手調(diào)整，精確性亟待提高。

3 混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)在外科教學(xué)中的應(yīng)用

普通外科、胸外科、泌尿手術(shù)的手術(shù)是比較類似的，手術(shù)主要以切除、重建為主要思路，手術(shù)中最重要的是清晰地解剖出手術(shù)需要處理的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，例如膽囊切除術(shù)中的膽囊動(dòng)脈、肺葉切除術(shù)中的供血?jiǎng)屿o脈。而另一手術(shù)的關(guān)鍵則是避免損傷到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，例如甲狀腺手術(shù)中對(duì)喉返神經(jīng)的保護(hù)、肺癌手術(shù)清掃淋巴結(jié)時(shí)對(duì)主動(dòng)脈的保護(hù)等。而讓低年資的外科醫(yī)師在初學(xué)時(shí)手術(shù)尋找這些結(jié)構(gòu)是非常困難的，且存在很高的風(fēng)險(xiǎn)。如果由高年資醫(yī)師進(jìn)行示例，由于術(shù)者與助手視野角度的差異和手術(shù)時(shí)間的限制，低年資醫(yī)師很難對(duì)局部的解剖結(jié)構(gòu)取得清楚的概念，甚至難以辨認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)。而MR技術(shù)的存在則能夠明顯提高學(xué)習(xí)者術(shù)中清晰辨認(rèn)重要結(jié)構(gòu)的成功率。有學(xué)者利用MR技術(shù)成功切除了2例巨大胸壁腫瘤，在術(shù)中將提前建立的該患者腫瘤模型及重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建并術(shù)中匹配，起到了良好的輔助效果，無任何并發(fā)癥的發(fā)生[1]。16例肝膽腫瘤患者在進(jìn)行術(shù)前影像數(shù)據(jù)的采集和建模后，在MR技術(shù)輔助下進(jìn)行了手術(shù)[2]，與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比，降低了手術(shù)間和出血量，并且有助于明確手術(shù)路徑，增強(qiáng)術(shù)者判斷力。MR技術(shù)也有利于在術(shù)中定位比較小的結(jié)構(gòu)，例如有學(xué)者利用此技術(shù)完成了乳腺腫瘤的精準(zhǔn)切除[3]。使用MR技術(shù)輔助輸尿管鏡手術(shù)，使得手術(shù)評(píng)分提高的同時(shí)縮短了手術(shù)時(shí)間，多數(shù)參與者認(rèn)為MR技術(shù)在外科教學(xué)中將會(huì)扮演非常重要的角色[4]。綜合來看，MR技術(shù)有助于年輕醫(yī)師在實(shí)際操作的過程中學(xué)習(xí)重要結(jié)構(gòu)的位置，提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)也能避免在實(shí)際操作學(xué)習(xí)中給患者帶來的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，MR技術(shù)也能夠幫助外科醫(yī)師建立人體深部結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系感，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)在手術(shù)中一般是不需暴露的，有助于醫(yī)師對(duì)解剖的深層次理解，提高診療水平。

骨科與整形外科學(xué)科相近，手術(shù)重點(diǎn)在處理形態(tài)學(xué)問題，包括骨及軟組織形態(tài)學(xué)的恢復(fù)[5]，所以對(duì)于結(jié)構(gòu)的空間想象在教學(xué)中是至關(guān)重要的。應(yīng)用MR技術(shù)進(jìn)行解剖教學(xué)，有利于學(xué)生理解復(fù)雜的骨科標(biāo)本，從而更加有效地培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的各項(xiàng)臨床技能[6]。并且MR技術(shù)可以提供理想的培訓(xùn)平臺(tái)，合并現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界產(chǎn)生新的可視化環(huán)境，使操作更加逼真，且方便重復(fù)訓(xùn)練，提高在實(shí)際操作時(shí)的成功率。將MR技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)皮椎間孔入路腰椎間盤切除術(shù)的教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)MR技術(shù)提高了學(xué)生及醫(yī)師學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、趣味性和三維立體想象能力[7]。骨科另一項(xiàng)非常重要的操作則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或C型臂輔助在體內(nèi)放置內(nèi)置物以達(dá)到固定或融合等目的，利用MR技術(shù)對(duì)器械位置進(jìn)行術(shù)前設(shè)置并在術(shù)中引導(dǎo)，可以提高內(nèi)置物放置的效率[8]。MR技術(shù)有助于整形外科醫(yī)師構(gòu)建全息解剖教學(xué)庫，手術(shù)中協(xié)助定位穿支血管有助于醫(yī)師自主學(xué)習(xí)，同時(shí)能夠協(xié)助進(jìn)行整形外科學(xué)科的遠(yuǎn)程教學(xué)[5]，并且其用于模擬皮瓣修復(fù)唇腭裂是非常合適的[9]。筆者認(rèn)為，MR技術(shù)可以對(duì)術(shù)前患者骨折、軟組織缺損等改變進(jìn)行術(shù)前建模，在模型上進(jìn)行模擬復(fù)位、轉(zhuǎn)移組織等操作，有助于學(xué)習(xí)者更好地理解手術(shù)的設(shè)計(jì)理念和原則，加深學(xué)科認(rèn)識(shí)。同時(shí)，利用增強(qiáng)CT/MRI等技術(shù)使MR影像中清晰地展露血管及重要結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者對(duì)手術(shù)入路的理解，也降低了學(xué)習(xí)者在實(shí)際操作學(xué)習(xí)過程中給患者帶來風(fēng)險(xiǎn)及副損傷的概率。

神經(jīng)外科在外科中具有其特殊性，其手術(shù)在腦、脊髓附近或當(dāng)中進(jìn)行，這兩種器官作為實(shí)質(zhì)性器官，其中無用/可損傷區(qū)域非常小，操作視野都相對(duì)較差，很難充分暴露，這也給學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)造成了很大的困難。同時(shí)，由于神經(jīng)外科手術(shù)的高風(fēng)險(xiǎn)性，其手術(shù)培訓(xùn)面對(duì)安全、手術(shù)時(shí)間限制、法律和道德倫理方面的諸多問題[5]。所以，這造成了神經(jīng)外科的學(xué)習(xí)更加困難。曾有人認(rèn)為3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有助于改變這一問題的現(xiàn)狀，但是其過高的成本限制了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用[10]。MR技術(shù)的出現(xiàn)有可能極大地改善這一現(xiàn)狀的困境，因?yàn)槠渚哂?D打印技術(shù)個(gè)性化模擬的特點(diǎn)，同時(shí)其成本較低，且可以反復(fù)使用，將其用于術(shù)前的模擬演練有助于醫(yī)師在更逼真的環(huán)境中模擬手術(shù)操作技術(shù)，同時(shí)也可在術(shù)中與真實(shí)結(jié)構(gòu)重疊，起到引導(dǎo)手術(shù)的作用，減少風(fēng)險(xiǎn)與副損傷。將MR技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)應(yīng)用于側(cè)腦室穿刺教學(xué)，其能夠提高學(xué)員成績(jī)、改善教學(xué)效果，且穩(wěn)定性好[11]。由此來看，對(duì)于助手視野差、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高而造成教學(xué)困難的外科手術(shù)，MR技術(shù)在其中可以起到非常好的輔助作用。

應(yīng)用MR技術(shù)對(duì)需要在C型臂下進(jìn)行的手術(shù)進(jìn)行模擬教學(xué)和技術(shù)評(píng)估，參與者普遍認(rèn)可了這種模擬方式的真實(shí)性和這種方式對(duì)教學(xué)的有效性，并且研究驗(yàn)證了其作為一種手術(shù)知識(shí)和技巧評(píng)估手段的準(zhǔn)確性和可靠性[12]。這也為這類手術(shù)提供了一種無射線暴露的安全的培訓(xùn)方式。

綜合外科各學(xué)科情況來看，MR技術(shù)在結(jié)合真實(shí)人體直觀展示重要解剖結(jié)構(gòu)、提高學(xué)習(xí)者解剖認(rèn)識(shí)層次、理解手術(shù)設(shè)計(jì)和形態(tài)認(rèn)知、模擬手術(shù)入路和高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)教學(xué)練習(xí)等方面均具有很大優(yōu)勢(shì)。

4 混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)在外科教學(xué)中應(yīng)用的展望

目前MR技術(shù)還屬于較為前沿的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)教學(xué)中還未得到廣泛開展，但從目前應(yīng)用情況來看，其有可能成為外科主流的輔助教學(xué)工具。MR技術(shù)在外科教學(xué)中應(yīng)在局部解剖教學(xué)、手術(shù)/操作的體外模擬、手術(shù)中匹配解剖結(jié)構(gòu)講解、手術(shù)入路精確定位、練習(xí)手術(shù)安全保障等方面著重發(fā)展。但在技術(shù)的發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步提高技術(shù)，逐步克服操作不便、控制不靈敏和虛擬圖像與實(shí)體匹配的技術(shù)問題。