虛擬現實技術及增強現實技術應用于神經外科教學的思考

陳敬寅，王 林，陳 高

(浙江大學醫學院附屬第二醫院，浙江 杭州 310009)

神經外科在近幾十年來經歷了從最初的簡單的鉆顱術到目前的各種結合了影像導航技術的手術技術革命。神經外科醫師需要掌握包括但不限于對于錯綜復雜的中樞神經系統解剖的知識、手術過程中分工明確的協調以及對于隨時變化的手術情境的應變能力。然而目前廣泛應用的神經外科培訓系統依然和19世紀90年代發展起來的經典的培訓模式類似。

虛擬仿真一流課程是我國高等學校教育“六卓越一拔尖”計劃中“雙萬計劃”一流課程之一[1]。虛擬現實(virtual reality，VR)技術和增強現實(augmented reality，AR)技術最早能夠追溯到20世紀60年代，但直到2010年，計算機技術的發展程度才能夠有效地將沉浸式體驗真正實現到VR和AR系統中。

教育部要求在“十三五”期間建設10個國家級的虛擬仿真一流課程[2]。近年來將各種模擬現實技術結合進醫學教育中的重要性越來越被廣泛認識。VR系統和AR系統技術在普外科、口腔科、耳鼻喉科、婦科及護理等臨床工作和教學工作中的應用也逐步展開。因此將VR及AR技術有效地結合進神經外科的專業教學和課程思政教學中，可能是未來神經外科教學的新方向。

一、VR及AR系統在神經系統解剖教學中的應用

神經外科醫師的解剖訓練是一項對于復雜的神經系統的熟悉和學習的過程。3D技術的創新使得VR及AR系統能夠清晰準確地還原出顱內各種結構的位置與相互關系，并且通過與系統的交互，讓學員能夠從多種角度觀察顱內結構。而通過提供的觸覺等準確反饋，更能讓學員實現用觸摸感受解剖部位的具體情況以及局部組織的軟硬質地等。

值得一提的是，傳統的解剖教學往往都較多地局限于正常解剖結構的學習，但隨著相關技術的發展和不斷成熟，VR及AR系統還能讓學員通過重建真實病人數據，進而針對能夠體現患者特征性的解剖結構進行可視化的和可操作化的學習[3]。由此可見，VR及AR技術在神經外科解剖教學上擁有深遠的發展前景。

二、VR及AR系統在神經外科術前導航和手術規劃教學中的應用

傳統的神經外科手術規劃中，神經外科醫師只能通過2D的CT或MRI影像等通過空間想象構建其自身理解的解剖和病理3D模型，這樣的方式不可避免的存在一定的偏差。

VR及AR系統能夠通過模擬3D環境應付不同種類的神經外科疾病的術前導航和手術規劃的場景。VR及AR系統甚至能通過重建患者的影像學資料，讓手術醫師提前演練手術的過程，提高操作的熟練度，進而縮短手術操作的時間，降低患者面臨的風險。通過VR及AR系統能夠實時顯示淺表、深部以及被各種結構阻擋視野的隱藏的解剖結構，使得低年資的住院醫師對術前導航和手術入路的規劃變得更加準確。華山醫院的團隊通過使用三維仿真技術精確模擬labbé靜脈解剖，為手術入路的選擇提供了準確，直觀的依據[4]。

三、VR及AR系統在腦室穿刺術培訓中的應用

在神經外科中，腦室穿刺術是低年資神經外科醫師進行的基本神經外科手術之一，也是目前我國神經外科住院醫師結業考試的操作項目之一。由于肉眼無法直接觀察位于腦組織深部的腦室系統，幾乎每位神經外科醫師都會遇到反復穿刺失敗的情況。隨著穿刺嘗試次數的增多，患者發生術后感染以及腦內出血的概率都會大大增加。

VR及AR系統可以整理和重建現有的這些有特征性的患者的腦組織的影像學資料庫，構建3D模型并結合至系統內，使操作者能夠在非正常的腦組織結構下亦得到充分腦室穿刺的鍛煉；在實際手術中，可以將手術患者的影像學資料進行現場重建并結合至VR及AR系統中，在操作者佩戴的設備中將患者的腦室系統投影至真實的患者體表，從而提高腦室穿刺成功率，最終達到更好的手術效果并改善患者的預后。伊利諾伊大學等的團隊證明通過類似的正規的VR及AR系統的培訓，能夠顯著提高住院醫師行腦室穿刺術的能力[5]。

四、VR及AR系統在血管內介入治療教學中的應用

血管內介入治療高度依賴于術中實時影像學的輔助。目前，VR及AR系統的局限性主要在于系統產生的對于操作者的觸覺和感覺等的反饋上。一般認為，當手術學員訓練的環境和實際操作的環境最相近的時候，在實際操作的環境下學員的技術和相應的能力能夠得到最大程度的發揮。而血管內介入治療由于其主要是通過血管內置入導絲和導管等裝置進行治療，手術醫師對于手術器械提供的觸覺和感覺等反饋的依賴度相較于其他傳統的神經外科手術較少。這一特點使得介入治療培訓非常適合與VR及AR系統相結合。VR及AR系統能夠在2D或者3D的環境下模擬整個血管內操作的過程。從而使得學員能夠更好地理解血管的解剖結構并掌握相關的技術。VR和AR技術能夠讓受訓者在無風險且高度還原實際情況的環境下訓練他們的血管內介入治療技術。

五、VR及AR系統在神經外科課程思政教學中的應用

“健康中國”建設要求醫療衛生服務提供更符合現代社會要求的“生物—心理—社會”的綜合醫學模式。課程思政是以專業課程為載體，以蘊含其中的思想政治元素為靈魂，將思想政治教育融入專業課程教學中，把立德樹人作為教育根本任務的一種全新綜合教育理念。課程思政是新時代高校教育的新理念新模式[6]。由于神經外科疾病的特征，臨床工作中面對因神經系統疾病存在意識障礙及缺陷的患者及其家屬時需要特別重視醫學人文精神的體現。因此，神經外科醫學教育擔負著培養德醫雙馨的神經外科醫務工作者的重任。

傳統的神經外科教學由于其教學內容的復雜性，使得學員往往缺乏對患者的整體性和社會性的關注。通過VR及AR系統能夠構建3D仿真環境，將患者的局部信息整合成整體，將患者經歷醫療行為后可能發生的并發癥及其帶來的社會問題等醫德教育相關的問題一體式的結合到3D環境下的沉浸式體驗中，向學員提供實時的反饋，這將能夠在神經外科教學的較早階段就讓學員更好的關注自身道德思想品質的建設和優秀的醫學人文素養的培養，從而達到“潛移默化、潤物無聲”的課程思政教學效果。

目前，我們中心已經初步將VR及AR系統結合到神經外科的臨床教學中，根據目前反饋的情況看，學員們普遍對教學效果表示滿意，相關的對照研究正在進一步開展中。當然，VR及AR系統也存在一些局限性。VR及AR系統必須能夠達到符合要求的視野深度、焦點深度、視野寬度，圖像分辨率以及位置追蹤的準確度。同時VR和AR系統必須保持足夠舒適度，從而能夠適應長時間的佩戴。另外，VR及AR系統的價格也必須控制在培訓機構能夠承受的范圍之內。但可以預見的是，隨著VR及AR技術的完善發展，這些局限性也會隨之逐漸消失。未來，通過使用VR及AR系統建設的規范的神經外科課程，不但能夠顯著提高神經外科醫師的訓練效果，還能用于對從入門到高年資的不同層次的神經外科醫師的專業能力及醫學人文素養相關能力的考核。綜上所述，VR及AR系統在神經外科的專業教學和課程思政教學中擁有廣闊的應用前景，有助于神經外科教學效率的提升，并最終造福于廣大患者。