虛擬現實技術在神經外科臨床教學中的探索與實踐

林 偉，陳燕偉，董冀晨，賀亞龍

(空軍軍醫大學第一附屬醫院神經外科，陜西 西安 710032)

20世紀60年代末，被稱為“VR教父”的美國空軍電氣工程師湯姆·弗內斯，首次研發了一種讓戰斗機飛行員在戰斗中可以獲得直觀三維航空電子數據的新技術，其標志著虛擬現實技術(VR)的誕生[1]。他退役后來到了華盛頓大學，在那里創立了人機接口技術(HIT)實驗室并繼續推進該項技術的研究。在醫學領域，早期的VR技術首先在牙醫和青少年白血病護理團隊中得到廣泛運用，目的主要是轉移和分散患者對手術或治療過程中對疼痛的注意力，這是VR技術首次運用到醫學領域[1]。隨后，VR技術逐步擴展到其他醫療領域，例如部分眼科疾病的手術模擬訓練和老年癡呆的輔助治療等[1]。

雖然虛擬現實指的是一種特定的技術，但這種稱謂現在通常是被用作統稱。除了虛擬現實(VR)，其相關技術還包括增強現實(AR)和混合現實(MR)。其具體區別如下：VR是一種計算機生成的3D模擬環境，用戶可以完全沉浸其中；AR是將計算機生成的虛擬圖像投影到現實世界的實體上；MR也是將虛擬對象投影到真實實體上，但這些對象“在空間上具有感知能力和響應性”，允許用戶與投影的3D圖像進行交互[2]。在本文中，我們依舊使用VR技術來統稱所有的虛擬現實相關技術。

目前，VR技術在醫學教育上也逐步在擴大應用范圍，發揮了越來越重要的作用，受訓對象包括醫學本科生、研究生教育、進修醫師培訓、住院醫師培訓，專科醫師培訓等[3]。在醫學教育中，使用VR技術可以讓學生看到更為直觀的3D解剖結構，從而更加深刻地理解組織結構之間的毗鄰關系。有研究發現教學中使用VR技術可以使學生的注意力更加集中、更好地調動其學習積極性并提高了其對教學的滿意度[4]。而外科住院醫師在患者手術前使用VR技術模擬手術，則可以快速提高手術技能，縮短學習曲線[4]。

VR技術在神經外科繼續教育中的應用是一個日益活躍的研究領域，具有廣闊的發展前景。本文將對VR技術在神經外科中的應用進行探索與實踐。

1 當前神經外科的應用現狀

1.1 手術計劃

VR技術目前已逐步成為神經外科培訓的重要工具，能夠將二維斷層成像[包括計算機斷層掃描(CT)和計算機斷層掃描血管成像(CTA)，以及磁共振成像(MR)和血管成像(MRA)等]數據重建成為3D(三維)影像，這些技術可以幫助神經外科醫生迅速掌握手術技術并完善術前計劃[5]。這項技術不僅可以讓外科醫生在虛擬現實中使用3D工具進行模擬解剖[6]，針對不同患者形成獨特的影像數據，利用這些3D影像進行模擬手術，了解手術入路過程中所涉及的神經、動脈以及皮質結構，達到手術計劃真實化，個體化的目的，使術前準備更加充分和完善[7]。而且，VR技術可以在術中使用外科顯微鏡將已提前做好的手術計劃3D圖像直接覆蓋到外科醫生的光學視圖上，以實現3D圖像與現實解剖結構完美融合，實時指導手術進程[8]。

隨著新的軟件工具進一步開發，不但允許神經外科醫生修改這些圖像的閾值、著色和透明度等，還允許醫生在使用前對手術器械進行取樣以實現術前計劃更加貼近實際術中操作。例如，在開顱動脈瘤夾閉術前，通過對手術中各種型號的動脈瘤夾進行采樣，利用軟件重建到虛擬現實程序中，模擬手術過程來測試各種大小、曲度、形狀動脈瘤夾的使用效果，以最終指導真實手術中動脈瘤夾的選取。有研究表明，該方法可以降低術中顱內動脈瘤的破裂概率，降低死亡率以及術后復發率。即使對于已破裂動脈瘤，術前發生蛛網膜下腔出血的情況下，該技術仍然適用并非常有效[9]。

1.2 手術模擬器

目前諸如Dextroscope(Volume Interaction Ltd，Singapore)的手術模擬設備已實現神經外科醫生不再需要模擬鼠標和鍵盤的形式進行操作，而是使用3D顯示器或投射成像虛擬工作空間，結合3D專用手柄來生成模擬手術。這些手術模擬器可以利用真實患者數據實現個體化模擬，精確定位還原腫瘤邊界、腦回和腦溝等解剖結構[10]。這項技術已經逐步運用于顱內腫瘤切除、動脈瘤夾閉合動靜脈畸形切除、腦神經微血管減壓和深部腦電刺激植入等各種神經外科亞專業手術中，與對照組相比，術前利用手術模擬器組可以縮短手術時間、減少出血量、降低并發癥[11]。

隨著AR技術的發展，進一步推進了神經外科手術模擬器的進步，逐步向術中應用過度，初步達到虛擬投影與顯微鏡下視圖相結合，實現外科醫生在手術過程中的操作與虛擬影像同步發生變化，實現完全融合，這是VR技術的又一重大進步[12]。而且，將腫瘤直接投射到患者身上的試驗性術中應用也正在測試中，將虛擬影像直接投影到患者實體上，以便術者可以減少對頭盔顯示器和監視器的依賴，避免分散手術中的注意力[13]。

1.3 顱腦外科

與脊柱外科相比，顱腦外科的VR應用相對較晚。自1985年，由于VR技術運用成本的相對降低、使用便捷性的提高以及學習環境的低風險性，使這一技術逐步完善并整合到顱腦外科的臨床培訓中[14]。諸如Neuro Touch、Immersive Touch等手術模擬器作為顱腦手術技能訓練的輔助工具在許多醫學機構開始廣泛運用，而且這些訓練系統提供了不同級別、不同難度的手術訓練項目，可以針對不同水平的培訓人員加以調整。

精準的手術導航和完善的術前規劃一直是神經外科手術的重要基礎。3D重建成像技術的完善，為VR技術在術前手術計劃制定及術中導航使用提供了技術基礎。由陳德勝醫院(新加坡國家神經科學研究所)所研發的Neuro Planner是一種無框架腦立體定向設備，該設備可以將多種2D影像資料進行三維重建、融合，形成3D影像資料，并對腫瘤、血管等重要目標組織進行同時標記描繪，還可以進行術前手術入路模擬，術中實時導航指引手術路徑，最終為手術精準實施提供保障[15]。

這些神經導航設備的運用過程中，研究者發現由于腦脊液的釋放等因素會產生腦漂移，影響了術中導航的精確性和有效性。因此，導航設備術前所重建的影像在術中需要實時修正[16]，術中腦成像系統(IBIS)是一個新近研發的可以解決這一問題的系統，其利用術中超聲進行實時標記定位，識別術前成像和術中真實情況之間的差異，并進行實時修訂，以提高術中導航的精度與準確性[17]。

1.4 腦血管外科

腦血管外科是神經外科重要的亞專業，由于腦血管走形的復雜性和多變性，其診療過程都需要更加依賴術中成像技術，因此VR技術的臨床應用為腦血管疾病的診斷和治療帶來了巨大的進步。VR技術允許術者在術前能夠更好地了解動脈瘤的大小、基地、朝向、與載瘤動脈精確關系及所處周圍腦組織的解剖結構特征[18]以便更精準地進行手術。2016年進行的一項研究，評估了使用沉浸反饋式平臺開發的實時觸覺反饋VR動脈瘤夾閉模擬器的有效性。結果證明，與對照組相比，術前利用模擬器進行手術預演，可以明顯縮短手術時間，降低手術并發癥[19]。除了動脈瘤外，該技術目前也應用于急性腦缺血性卒中的機械取栓培訓中，該系統可以完全模擬真實腦血管造影、機械取栓的手術全過程，操作順序及設備也與手術設備完全一致，顯著提高了受訓神經外科醫生的手術技能水平[20]。

2 虛擬現實技術在神經外科應用中的問題與挑戰

由于神經外科的解剖復雜、手術難度高、風險大，造成了神經外科專科醫生成長周期較長的特點。VR技術展示了其在神經外科領域應用的獨特優勢。例如，VR技術通過重建三維影像，可以幫助醫生理解大腦結構之間的復雜空間關系，降低了神經系統解剖的學習難度；基于VR技術的手術模擬器，再現了術中情景，使術者熟練掌握不同疾病的手術細節及重點，縮短了培訓者由理論向實踐的過度周期；術中VR技術的運用，可以縮短手術時間，降低手術風險，減少患者醫源性損傷。另有針對血管內治療技術培訓的研究發現，術前使用配備觸覺反饋技術的VR設備進行手術模擬，可以降低術中術者和患者的輻射暴露時間，提高術者的手術熟練程度。

盡管VR技術的應用為神經外科領域帶來了諸多益處，但自2009年8月加拿大醫生David Clarke第一次利用VR技術進行術前練習并制訂手術計劃以切除顱內腫瘤以來，其在神經外科的應用過程中也逐步出現了多種挑戰[21]。例如，臨床實用性仍不明確、使用成本高以及逐步出現的醫學倫理等問題。

首先，VR技術相關的培訓課程因機構和特定設備的不同而并不一致，且國內外也并無統一的培訓流程和考核標準，使其在神經外科臨床培訓中的效果大打折扣。一方面，這種額外的培訓課程也增加了臨床醫生的工作量，特別是對于培訓項目已經安排得非常密集的住院醫師規范化培訓學員以及神經外科專科培訓學員，也影響了他們參加培訓的積極性。另一方面，對于已完成專科培訓并持有專科執業證書的高年資神經外科醫生，尤其是臨床經驗豐富的具有高級職稱的醫生主觀上不愿投入更多的時間接受培訓，或并沒有完全認同這種新技術對于自身手術技能的提高作用。

其次，價格高昂的設施和維護成本仍然是VR技術在神經外科運用的一個重要障礙。目前，我國除了少部分重點教學性綜合醫院購買部分相關設備，并初步探索了培訓流程外，絕大部分醫院仍未開展。反之，對于開發VR技術相關設備的醫療技術公司，由于市場推廣緩慢，應用前景仍不明朗，資金回籠受限，也限制了其研究和開發新技術和設備的速度與動力[22]。因此，我國醫學院校等大型醫療培訓機構也在逐步嘗試解決這個問題，并提出了一些切實可行的方案。例如，醫科大學的教學醫院設立臨床技能培訓中心，將該技術不僅運用于神經外科，也拓展至其他外科。通過規模經濟有效地降低每次使用的成本，減輕了機構的財務負擔。當然，這一戰略需要技術公司開發能夠兼容不同外科專業的硬件和軟件，使醫院的多學科之間共享這項技術。這樣醫院只需購買具有運行不同軟件程序的相同硬件，就可以實現神經外科、整形外科、普通外科等專業醫生都參與到這樣的培訓中。這種成本分攤模式可推廣各大醫院VR技術的應用，促進技術公司的研發，推動這項技術的進步與發展，最終使廣大患者從VR技術所輔助的外科手術中獲益。

再次，隨著VR技術從解剖教學、術前計劃、模擬手術、術中導航到術中輔助指導手術的臨床應用逐步深入，醫學界也逐漸出現了關于該技術在醫學倫理方面的質疑及爭論。由于VR技術在臨床手術中的參與程度的不斷加深，再加上新興的人工智能技術的融入，手術決策的重心有從手術外科醫生個人的主體轉移到計算機的趨勢，導致醫學倫理問題呈指數級增加。對于這一問題，也需要醫療機構與技術研發公司深度合作，盡快開展大規模多中心臨床研究，對VR輔助手術和常規手術之間進行更直接、全方位的比較，進一步分析該項技術在神經外科手術中的作用及益處，以明確其是否值得醫學領域花費時間、成本和精力進行深入研發和廣泛實施。

3 結論

VR技術經過迅速發展，已經初步實現了將基于患者2D影像學數據經計算機重建后的3D圖像成功的投射于手術中的患者實體。其實現了虛擬與現實融合，優化了術前計劃、改進了的手術入路，其甚至已經拓展至最先進的手術機器人領域。VR技術在醫學教育和神經外科培訓領域也逐步顯示出了強大的優勢，該技術給醫學本科生、神經外科實習生、參加住院醫師/神外專科規范化培訓的醫生提供了通過增強視覺空間學習理論知識的機會，以及通過手術模擬來縮短神經外科手術培訓周期的機遇。該技術為培訓人員提供了大量的模擬手術訓練機會，且不會增加患者醫源性損傷的風險。在開顱手術、血管內介入手術、脊柱手術等眾多神經外科亞專業手術中，VR技術不斷提高其運用價值、拓展運用領域，有望大幅提高神經外科疾病的診治水平。

然而，VR技術自問世的半個多世紀以來，逐步遇到了諸如臨床實用性仍不明確、使用成本高以及初步浮現的醫學倫理等問題。關于如何解決這些問題，進一步推動該項技術的應用與進步，都需要醫療培訓機構以及技術研發公司進行進一步的深度合作。通過降低使用成本、成立VR技術設備共享機構、開展多中心大樣本量的隨機對照臨床研究等方法，明確VR技術的實用性、降低使用門檻，使該項技術在神經外科領域能夠廣泛有效的應用，使廣大醫生及患者受益。