基于多模態功能神經導航的虛擬現實及增強現實技術在神經外科教學中的應用

李文濤+++貢桑明久++任春瑩+魏艷+孟喜君

[摘要] 神經解剖比較復雜，不容易掌握。手術操作的難度較大，對微創和精細程度具有較高的要求，除此之外，神經外科手術的教學培訓和解剖手段比較有限。現階段有關虛擬現實技術在神經外科教學和臨床中的應用已有報道，但是有關增強現實技術在神經外科教學中的應用卻少有報道。本文對基于多模態功能神經導航計劃平臺進行了介紹，實現增強現實和虛擬現實，并對虛擬現實及增強現實技術在神經外科教學中的應用進行了分析和探討。

[關鍵詞] 多模態功能神經導航；虛擬現實；增強現實；神經外科教學

[中圖分類號] R651 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）11（c）-0187-03

Application of virtual reality and augmented reality technology based on multimodal functional navigation in neurosurgical teaching

LI Wentao1 GONGSANG Mingjiu2 REN Chunying1 WEI Yan1 MENG Xijun1

1.Department of Neurosurgery， the First Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University， Shaanxi Province， Xi'an 710061， China； 2.Department of Cerebral Surgery， Tibet People's Hospital of Ali Area， Tibet Autonomous Region， Ali 859000， China

[Abstract] Neuroanatomy is complicated and difficult to master. The operation is difficult and it has higher requirements for minimally invasive and meticulous level. In addition， the teaching， training and dissection methods of department of neurosurgery operation are limited. At present， the application of virtual reality technology in department of neurosurgery teaching and clinical practice has been reported， but there are few reports about the application of augmented reality technology in neurosurgical teaching. This paper introduces the multimodal neuronavigation planning platform， virtual reality and augmented reality technology in neurosurgical teaching are analyzed and discussed.

[Key words] Multimodal functional navigation； Virtual reality； Augmented reality； Neurosurgical teaching

在神經外科解剖教學中，傳統教學主要依靠尸體、教學模型、解剖圖譜以及文字等，術前手術計劃以及模擬手術過程等臨床教學則主要依靠高年資醫師帶教、現場觀摩以及二維圖片等，而對于神經功能的可塑化教學等內容，則是憑空想象[1]。傳統教學模式的效率不高，而且枯燥乏味，無法標準化、規范化實施，進而對神經外科的教學發展造成了嚴重影響，制約了青年神經外科醫師的培養。在現代醫學技術快速發展和進步的過程中，虛擬現實和增強現實技術也得到了快速完善和更新，并在一定程度上為神經外科教學帶來了技術變革。

1 虛擬現實和增強現實技術的分析

虛擬現實技術是指通過電腦模型形成模擬世界，讓使用者通過三維空間獲得感官方面的模擬，使其身臨其境，不受限制地對三維空間內的事物進行及時觀察[2]。虛擬現實技術重視沉浸感，讓使用者在實際使用過程中不能有效區分真實和虛擬環境。增強現實技術不但能構建虛擬世界，更加重視融合真實世界和虛擬世界，在同一空間中實時疊加真實物體和虛擬世界。現階段在航空模擬領域以及軍事模擬領域中，虛擬現實和增強現實技術的應用非常廣泛，并開始廣泛應用于醫學領域。

在醫學領域中應用虛擬現實和增強現實技術，應實現以下步驟：①采集處理數據和構建3D模型。采用DICOM格式存儲血管造影、MRI以及CT等影像學檢查技術所獲得的結果，并可在大部分現有技術平臺中應用。選擇面繪制或者體繪制方法來進行3D模擬重建。②顯示3D模擬。現階段的3D顯示方法主要包括投射式顯示、穿透式顯示、視頻式顯示。為了讓圖像疊加的準確性顯著提高，每一種顯示方法都需要跟蹤定位術者眼位或者頭部、顯示屏以及攝像頭，讓3D圖像的顯影準確性能顯著提高。現階段常用的跟蹤定位方法主要為電磁跟蹤和紅外光學跟蹤。③注冊圖像。在圖像中準確疊加附加信息時，注冊過程是最后一步，同時也是最困難的一步。現階段常用的方法為交互式注冊方法，也就是在患者身上和3D模型上定位能辯別的標志物，通過對這些標志物進行重疊計算，來正確重疊全部圖像。然而對于實施注冊的問題，現階段的注冊方法無法有效解決。術中腦脊液釋放、重力作用、組織塌陷等均會引起注冊偏差。endprint

2 基于多模態功能神經導航的虛擬現實及增強現實技術在神經外科教學中的應用

2.1 教學模擬

在神經外科的教學活動中，常用方法包括高年資帶教、現場觀摩、尸體、動物、模型以及圖譜等，但是這些教學方式都有一定的不足之處。模型不具備真實性，圖譜則不具備立體感，動物解剖結構則存在一定程度的變異，尸體不具備可重復性，而且價格比較貴。高年資帶教、手術現場觀摩的缺點則主要為缺乏實際操作經驗、感染發生率高、不能重復等。應用虛擬現實技術能對特定患者或者正常人的3D顱腦模型進行模擬重建，讓低年資醫生和醫學生能對特定區域進行反復、隨時解剖，而且能從不同角度進行觀察，也不會讓患者的風險和費用增加。現階段在神經外科教學中，應用虛擬現實技術主要是識別特定解剖結構等常規教學，另外也可以用來學習新技術或特定的復雜病例。臨床研究發現，采用基于immersive touch平臺的腦室穿刺模擬，能讓臨床醫師更好地了解和掌握腦室造瘺技術[3]。有學者通過virtual temporal bone系統成功再現巖骨的神經和血管走行、內耳結構[4]，利用該系統能讓使用者有效模擬巖骨磨除過程和巖骨不同手術入路。通過跟蹤調查使用者發現，應用虛擬現實技術能讓學習者更好地了解和認識手術操作和相關解剖知識。

2.2 術前計劃

在采用手術方式治療深部病變和復雜顱底病變時，手術計劃是否詳細，會對手術風險以及手術并發癥的發生造成直接影響。應用虛擬現實技術，能讓病變充分暴露在3D層面，讓術者能充分了解病變和周邊重要結構的關系，而且能從不同入路讓病變充分暴露，進而讓手術方式的安全性顯著提高。有臨床研究報道顯示[5]，采用dextroscope系統能對手術入路進行確定，并選擇合理的動脈瘤夾。結合臨床具體情況，術前應對手術患者進行常規輔助檢查，如PET、MRA、MRV、MRA、MRI以及CT等，同時給予fMRI和DTI檢查，分別進行功能區皮層的定位和傳導束的重建。利用導航軟件平臺，能有效實現功能皮層、傳導束以及病變等結構的三維可視化。教師和學生能對病變和重要功能結構、解剖結構的三維關系進行各種角度的觀察，進而為手術入路的制訂提供科學依據，讓手術計劃更加合理。

2.3 模擬手術過程

手術麻醉后，協助患者選擇合理的體位，選擇頭架對患者頭部進行固定。將導航參考架安裝好，注冊導航，并對精確程度進行驗證。疊加并配準術前采集的相關解剖數據信息、重建的功能結構、病變結構和患者的真實顱腦，利用顯微鏡下功能神經導航系統和顯微鏡目鏡能透過術區或頭皮直接觀看功能結構和病變結構，能對功能結構和病變結構的體表投影進行程序化勾畫，進而為設計合理的皮層和骨瓣造瘺口、頭皮切口的位置提供科學依據。術中通過顯微鏡功能神經導航下的功能結構和病變結構的可視化能讓手術變得有理有據，更加直觀和簡單。能對腫瘤邊界、手術操作位置及其與功能結構的關系進行直觀和實時判斷，進而讓手術安全性顯著提高[6]。譬如，對1例右側顳葉深部膠質瘤患者進行手術時，按照準備流程將影像資料、解剖數據及體表定位等準備工作完善后即可注冊建立對應的神經功能導航，并三維重建出腫瘤形狀、腫瘤周圍重要神經傳導束，并顯示出腫瘤周圍重要功能皮層區域且可以予以標注區分。根據神經導航結果及三維重建的腫瘤與周圍重要結構關系選擇最適宜的手術切口，適度調整皮層入路，盡量減少對重要傳導束、動靜脈血管的損傷，以實現盡量保存對應軀體功能的目的。且在這一過程中，觀摩人員均可在儀器的顯示設備上清楚地看到重建的腫瘤、神經傳導束、重要動靜脈血管及皮層功能區等，提問、學習和交流即時進行。虛擬現實和增強現實技術的實現過程不但是教學過程，同時也是醫療過程，能讓醫療過程和教學過程融為一體，讓臨床資源得以高效和充分地利用。神經功能評估和術后影像復查，也充分驗證了虛擬現實和增強顯示技術的可靠性和穩定性，能讓神經外科教學更加直觀和生動。

2.4 功能神經結構解剖教學

因病變存在高級功能區的重塑，而且高級功能的結構存在個體化差異，所以無法有效判斷病理狀態下功能皮層的位置以及皮層下白質纖維束的走行。通過虛擬技能能對不同情況下皮層功能結構的位置進行充分了解和準確判斷，進而更好地理解功能的可塑性。深部白質缺乏有效的參考標志，利用虛擬技術則能對病變情況進行明確，同時還能對占位效應條件病變和白質纖維束的三維位置關系進行明確，能對重要傳導束白質內的形態和走行進行全程觀看。

3 討論

在神經外科教學中，以往主要是利用板書、口頭傳達、人體、標本以及掛圖等輔助教學工具來開展教學互動。在社會科學技術快速發展和進步的今天，多媒體教學開始成為了現階段的主要教學模式，多媒體教學集合了動畫、視頻、文字以及圖像等信息。虛擬現實和增強現實技術的應用徹底改變了以往教師的主導地位，能讓學習者的積極性和主動性得以充分發揮，讓教學活動更加積極、活潑和生動[7]。傳統教學模式下，學生所獲得的知識主要為間接知識，采用虛擬現實和增強現實技術能為學習者構建一般人不能接觸到的環境，或者不存在的世界，或者是無法在真實世界中看到的信息，讓學習者的學習和觀察更加形象、直觀，能徹底改變傳統教學模式在空間和時間方面的限制[8]。如果能將基于多模態功能神經導航的虛擬現實和增強現實技術與互聯網平臺的數據傳輸、存儲和處理相結合，則能在全國范圍內進行規范化和標準化的神經外科教學活動，徹底改變神經外科的教學模式。

術前二維信息是傳統手術計劃教學的主要依據，如磁共振影像、CT檢查等。神經外科教師利用顱骨、頭皮的標記，采用尺子測量換算來進行定位。淺部病變能粗略定位，占位效應顯著的病變和深部病變則不能有效定位。術前計劃教學缺乏依據和標準，進而對教學效果造成影響。基于多模態功能神經導航的虛擬現實和增強現實技術，則能讓病變定位問題得以有效解決[9]。基于多模態功能神經導航的虛擬現實和增強現實技術能對病變進行準確定位，但無法為定位功能結構提供有效幫助。利用基因多模態功能神經導航的虛擬現實和增強現實技術的術前計劃系統，能整合二維影像，形成立體、直觀的三維影像，對重要功能結構進行清晰顯示，而且還能形成虛擬的手術環境，制訂科學合理的術前計劃。利用三維可視化可以對病變及其周邊重要功能結構的關系進行全方位和多角度展示，最終讓手術計劃達到最優[10]。endprint

總之，傳統神經外科教學模式的效率較低，無法標準化和規范化開展，進而對神經外科教學的發展、培養青年神經外科醫師都造成了嚴重的影響。應用基于多模態功能神經導航的虛擬現實和增強現實技術，能從根本上改變神經外科的教學模式。在神經外科教學中應用基因多模態功能神經導航的虛擬現實和增強現實技術，能讓神經功能結構和解剖結構實現三維可視化，進而顯著提高教學質量，而且還能使教學更加標準化與規范化，在對青年神經外科醫師進行培養時，有效縮短時間，具有推廣價值。

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（收稿日期：2017-07-23 本文編輯：王 娟）endprint