混合現實技術在外科領域的應用研究進展

閆曉冬，侯建存，田青，張雅敏 天津醫科大學一中心臨床學院，天津3009；天津市第一中心醫院

隨著科學技術的突飛猛進，數字醫學得到了不斷發展。近年來，虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、混合現實(MR)等技術在醫學領域中得到廣泛應用，為外科疾病精準、個體化治療提供新的途徑[1]。MR是將VR和AR技術的優勢相結合，將CT、MRI等傳統影像數據通過高效智能化圖像分割算法進行3D重建渲染，進而將3D虛擬模型通過頭戴式3D眼鏡投射至現實世界場景中，實現現實世界、虛擬世界及用戶間的實時交互[2]。臨床醫生利用MR技術，能夠任意變換重建器官及病灶的大小、顏色、透明度，可以從任意角度進行立體觀察以辨別臟器的解剖結構，從而輔助臨床手術方案制定、術中定位及精準切除。同時，MR也為術前醫患間可視化溝通、遠程醫療、醫學教學等方面帶來諸多便利。本文就近年來MR技術在外科領域的應用進展作一綜述。

1 術前規劃

在傳統外科手術中，醫生依靠自身的醫學知識、臨床經驗以及想象力，將X線、CT、MRI等2D影像在大腦中將病灶信息恢復與重建，從而制定手術方案。這對于青年外科醫生而言是具有一定難度的，需要大量臨床實踐來補充，而MR技術在醫學領域的應用恰好可以解決這一難點。一項針對8名泌尿外科醫生在術前應用MR技術對腎臟腫瘤定位的評分調查問卷結果顯示，MR技術能更好地還原腎臟腫瘤與周圍血管、尿路的位置關系，為腎部分切除患者的術前規劃提供指導意義[3]。在肝臟腫瘤術前通過對原始數據進行MR重建，有助于術者了解病灶與周圍組織器官的關系、體積大小等信息，可顯著降低手術風險、減少術中出血量、縮短手術時間[4]。Wu等[5]基于MR技術設計出了一種手術導航系統，可以使術者更為直觀地觀察骨折的具體形態，以及周圍毗鄰的重要血管、神經、脊髓等復雜解剖結構，進而制定出最佳手術方案。Jiang等[6]以志愿者血管CTA數據制成的3D打印模型為基礎，利用模型在模擬手術室中對基于MR技術的血管定位系統的定位精度進行測試，在不同條件下測定MR圖像與實際模型特定標記點之間距離，結果顯示最小誤差為1.35 mm、最大誤差為3.18 mm，均在臨床可接受范圍內，說明MR技術可有效幫助外科醫生完成術前規劃。

2 術中導航

隨著微創技術的發展，醫生常常需要在小空間內進行手術，特別是在人體復雜的解剖部位，如心臟、肝臟、大腦、脊柱和骨盆，而這些部位往往分布著重要的血管和神經。此外，有些疾病可能會導致患者出現解剖學變異，術前評估不精確可能會導致嚴重后果。在肩關節假體植入術中，術者可以利用MR技術獲得全息立體圖像，從而選擇更好的手術視野，提高了手術的準確性和安全性，并有效避免假體植入過程中損傷血管神經[7]。

Kasprzak等[8]將經食管超聲心動圖數據實時傳輸并匹配到MR技術生成的心臟模型中，并成功利用MR技術定位狹窄部位，聯合二尖瓣球囊擴張術治愈1例NYHA Ⅲ級的風濕性二尖瓣狹窄患者。Lei等[9]將股骨骨折患者影像學圖像利用MR技術形成3D圖像，由此提供術中引導并完成全髖關節置換術。Incekara等[10]利用MR技術對顱腦腫瘤在顱腦表面皮膚范圍以及中心位置進行定位，并與傳統神經導航系統進行比較，結果顯示25例顱腦腫瘤患者中有9例經MR定位的腦部腫瘤中點與神經導航系統無差異，總體中位誤差范圍在0.4 cm以內。Wei等[11]研究顯示，采用MR技術輔助進行的經皮椎體后凸成形術較單純成形術可以準確定位椎體位置及壓縮范圍，術中利用球囊擴張可使錐體高度得到改善，同時減少了患者術中X線透視次數。Zhu等[12]對1例腎功能不全伴有肺栓塞患者應用MR技術，成功放置下肢靜脈濾器，有效地減少了造影劑對患者腎功能的損傷，以及術中射線對醫務人員及患者的輻射損傷。

此外，MR技術可為術者提供更直觀的肝內膽道及血管走行位置信息，為術者的術中判斷提供有效幫助[13]。有研究納入了15例需行腦室穿刺引流患者，術中應用MR技術輔助腦室穿刺的手術時間為(40.20 ± 10.74)min，穿刺次數由傳統方法的(2.33±0.98)次縮減到(1.07±0.26)次，目標偏差也由(11.26±4.83)mm縮減至(4.34±1.63)mm，說明應用MR技術可有效縮短腦室穿刺引流患者的手術時間、減少穿刺次數并且縮小目標偏差[14]。此外，MR技術還可應用于乳腺腫瘤[15]、胸壁腫瘤[16]等疾病的手術治療，有助于提高手術效率、縮短手術時間、精準切除腫瘤。

3 教學培訓

醫學院校傳統的解剖教學大多依賴于教師講解、人體標本以及物理模型等方式，近年來由于醫療環境和醫學倫理的限制，真實人體標本短缺，無法滿足教學需求。對于復雜的人體解剖構造，單純的理論知識以及空間想象往往會造成學生學習效率低下，難以深刻理解。MR技術能使抽象解剖從多角度、多層面進行立體呈現，幫助學生更直觀地了解人體復雜的解剖結構，使醫學生能夠得到有效學習[17]。Ruthberg等[18]進行了一項針對48名醫學在校生的調查研究，結果顯示利用Hololens眼鏡進行骨骼肌肉解剖教學可縮短操作時間，加深學生對于解剖結構的理解，使學習過程縮短。Kang等[19]將12個具有不同類型的雙出口右心室心臟樣本的CT數據集轉換為立體圖像，使用MR技術對其進行研究性觀察，并且將在立體模型上確定的形態特征與實際心臟標本的觀察結果進行比較，結果表明MR技術可對空間復雜的先天性心臟病變提供高精度的立體顯示，并具有交互功能，可增強學生對其形態學的3D理解能力，并且對于教學及病例保存均具有一定價值。同時，傳統課堂教學具有模式單一和忽視學生體驗過程的弊端，而MR技術可使醫學教育由2D圖像和視頻向交互式移動性學習發生轉變[20]。

目前，MR技術因其無風險、可重復的優勢，正成為醫師培訓的重要學習內容。應用MR模擬器，青年醫生可不必走進手術室就有機會觀摩到復雜的手術操作。Maniam等[21]通過將MR與手術模擬器相結合，完整地呈現了顳骨的空間虛擬成像，并可在3D圖像中模擬手術鉆孔步驟，且具有可反復操作的優勢。此外，在脊柱外科手術教學中，運用MR技術可以真實地模擬人體解剖、還原手術過程，從而提高醫學教學的形象化、交互性以及學生的3D空間感[22]。Brun等[23]對先天性心臟病患者的心臟結構進行MR技術重建，可有效幫助臨床醫生尤其是年輕醫生對于先天性心臟病復雜解剖結構的理解。Kobayashi等[24]將MR技術與中心靜脈穿刺及胸腔穿刺引流的臨床教學操作相結合，使得培訓者的視覺提示和觸覺反饋增強，同時加強了教師與培訓者之間交互性指導。Hooten等[25]提出了一種新的MR手術模擬器，可為醫學生模擬腦室造瘺術提供真實體驗。

4 遠程醫療與醫患溝通

傳統遠程診療需要通過圖片、視頻等途徑進行，而利用MR技術可以使遠程診療變得更為直觀，有助于提升遠程醫療中醫生間的合作體驗及效率[26]。線上專家借助MR技術可以完成異地、實時地對患者進行遠程手術、術中指導及病例討論等。Hanna等[27]在尸檢時利用MR技術對人體標本進行全息投影，不僅可以實時分享信息，而且可以允許其他病理學家遠程訪問進行指導，真正實時地在虛擬標本上標注感興趣的解剖區域。Wang等[28]利用Hololens系統開發了遠程醫療指導系統，證實了MR技術在遠程醫療中的可行性及適用性。

目前，醫患關系緊張的原因之一在于患者及家屬對疾病認識的不完全。MR技術具有可視、實時、動態等優勢，術者可向患者及家屬更為直觀地顯示病變部位，介紹并模擬手術過程，使患者及家屬對疾病及手術方案更為了解[29]。Wu等[30]報道了MR技術在復雜頸椎骨折術前溝通的應用，術者利用MR技術向患者及家屬全方位展示具體頸椎骨折的位置與形態，使其對手術風險及手術方案有更深入的了解，同時使醫患溝通變得簡單、順暢。

綜上所述，MR技術給醫學教育培訓、醫學研究、醫患溝通、臨床治療等帶來顛覆性的變化，有助于促進醫學的快速發展。MR技術巨大的應用前景有望使其成為外科治療的重要手段之一，并有助于推動醫療服務向個性化、精準化大趨勢發展。