頭戴式VR眼鏡在泌尿外科3D可視化手術教學中的應用

王文達,張玉石

(中國醫學科學院北京協和醫院泌尿外科,北京 100730)

三維(3D)可視化技術在醫學和工業領域應用廣泛[1]。針對3D體數據,通過3D重建繪制的預處理技術和繪制技術可實現圖像的3D可視化[2];而醫學體數據的可視化,即將醫學體數據在3D空間上生成立體的3D圖像,通過人機交互協助醫療診斷及治療[3],最早可追溯于20世紀70年代[4],經過數十年的發展,已逐漸開發出較為成熟的技術[2]。目前,臨床上常用的3D可視化技術包括3D打印、虛擬現實(VR)眼鏡和3D顯示器。3D打印可應用于解剖模型、手術引導、假體、可植入或非可植入的醫療裝置,特別是針對患者個體化的應用[5-7]。VR技術是由電腦生成的仿真3D環境,人們可以通過特定的電子設備來進行互動;VR眼鏡即是一種可以佩戴的互動設備,通過在VR眼鏡的2個屏幕顯示相對輕微位移的畫面來實現立體3D效果。在臨床中,其可用于手術的3D規劃、教學和訓練,非藥物的疼痛管理,以及患者的居家康復治療等[8-12]。3D顯示器,則是利用立體視覺向雙眼傳達輕微差異的圖像來實現深度感知,可通過單一的裸眼立體3D顯示器,或者通過特定可佩戴眼鏡輔助的立體顯示器來實現;3D顯示器的優勢在于更具挑戰性的復雜病例,這對于臨床經驗更豐富的醫生或許也會有顯著幫助[13]。目前,關于3D打印[14-17]及3D顯示器[18-20]在泌尿外科手術及學習中的應用相關報道較多,而頭戴式VR眼鏡相關的報道則較少見。現將頭戴式VR眼鏡在泌尿外科手術學習中的應用報道如下。

1 VR眼鏡在泌尿外科手術室外學習中的應用

MUFF等[13]針對不同3D可視化技術在疾病理解、細節精確度、解剖顯示質量和技術可操作性等方面進行比較,并評估應用3D可視化技術后是否會對治療效果帶來改變。該研究顯示,各種3D可視化技術都被不同科室的醫生所接受,并在上述測評項目中獲得良好評價。其中,疾病理解和解剖顯示質量方面,VR眼鏡評價最高;44%的受試醫生反饋應用VR眼鏡后可能會改變療效,高于3D打印和3D顯示器,特別是專業經驗較少(工作低于10年)的醫生獲益會更大。可見,VR眼鏡作為3D可視化技術的一種,在部分臨床學習方面有著獨特的優勢。

有研究顯示,將頭戴式VR眼鏡與腔鏡手術模擬器相結合,可以實現高度沉浸式的虛擬現實技術,有可能進一步彌補模擬環境和現實手術室之間的差距。HUBER等[21]報道了利用頭戴式VR設備營造沉浸式環境,在傳統腹腔鏡模擬器的基礎上,利用VR眼鏡制造出虛擬手術室環境,模擬術者進行一臺真實的腔鏡手術,并配有患者、護士、麻醉醫師等人員,同時可模擬術中的機器聲音、人物行動及對話,測試人員反饋該設備高度還原了手術室環境。FREDERIKSEN等[22]將未接受腔鏡手術培訓的第一年住院醫師分為2組,分別利用單純傳統腹腔鏡模擬器或傳統腹腔鏡模擬器聯合頭戴式VR眼鏡進行手術訓練。其中佩戴VR眼鏡同樣營造出HUBER等[21]報道的虛擬手術室環境。對比2組受試者認知負荷的變化,聯合VR眼鏡組的增長幅度更高(66%vs.58%,P<0.001),且存在“刺激源”(輕度刺激源包括麻醉醫師的對話、巡回護士接聽電話等;重度刺激源包括出血、手術室各人員預備轉開放手術等)時的認知負荷增長也更高;評估VR眼鏡組受試者的表現更差,包括完成手術時間更長、組織損傷更多、術中輸血更多、手部動作更低效等;通過重復訓練后上述表現可改進。分析其原因,VR眼鏡所營造的沉浸式環境更接近于手術室環境,可提供更多的類似真實場景的交互因素,從而增加受試者所接受的外源性認知負荷,進而也會影響到受試者的反應和表現,證明VR眼鏡可提供更為真實的手術訓練環境。VERTEMATI等[23]針對不同年資的醫生進行頭戴式VR設備的測試,通過該設備提供不同于2D圖像的3D影像,從使用方便性、解剖理解、解剖變異闡釋、手術過程闡釋、術前計劃、佩戴不適感(胃腸及神經相關不適)等方面進行評價,結果顯示,各項指標均得到正向的評價,提示頭戴式VR設備可作為一種潛在的用于教學和術前規劃的設備。國內也有部分VR眼鏡在臨床學習中的應用報道。徐然等[24]曾將目標教學法聯合VR技術應用于外科規培,其中VR教學應用VR一體機(索尼公司)來觀摩手術過程,在真實手術時作為體驗者通過VR眼鏡從立體視角觀摩手術。觀察組以目標教學聯合VR教學,對照組則采用傳統規培帶教模式。結果顯示,觀察組理論知識、技能考核及教育環境測試得分均優于對照組,且差異有統計學意義(P<0.05)。朱高紅等[25]開設“VR模式下醫學影像立體解剖學”課程,課程中應用VR眼鏡(mobile VR、VRG-pro)觀看3D立體圖像,與傳統2D圖像相比較,VR眼鏡所示3D圖像更清晰、更易于辨別解剖結構。

2 VR眼鏡在泌尿外科手術室學習中的應用

目前,關于VR眼鏡在泌尿外科手術中的應用較少,且主要是在臨床手術中的應用介紹,尚未進行過手術學習相關的評價。關于泌尿外科手術應用頭戴式3D可視化VR眼鏡的報道主要集中于日本學者所報道的內窺鏡輔助單切口手術當中。2012年,KIHARA等[26]首次報道了應用VR眼鏡(HMZ-T1,索尼公司)配合高清內窺鏡進行無氣腹單切口腎臟根治性切除術。在手術中,術者及助手均佩戴VR眼鏡,通過單切口置入內窺鏡后,無論是暴露腎動脈、腎靜脈,或是游離輸尿管等過程,所有參與者均可觀看清晰的3D圖像,且整個過程中佩戴者并未有任何不適。頭戴式VR眼鏡能夠時刻保證手術人員有類似開放手術的清晰視野,且視線方向、頭部旋轉及傾斜角度可隨意調節,減少疲勞感,并能減少外界的干擾。2014年,FUJII等[27]進行了VR眼鏡用于雙鏡聯合膀胱部分切除術的報道。術中采用單切口腹腔內窺鏡和膀胱鏡進行聯合,且VR眼鏡配合了“畫中畫”技術,即可同時顯示腹腔內窺鏡和膀胱鏡所顯示的圖像。在術中,膀胱鏡操作者以膀胱鏡作為主畫面,而其他術者以腹腔內窺鏡作為主畫面。通過雙鏡聯合確定腫瘤范圍,協同切除膀胱腫瘤,并可進行后續的淋巴結清掃。KIHARA等[28]報道了應用VR眼鏡進行單切口無阻斷腎部分切除術。類似的,術者應用VR眼鏡結合內窺鏡進行手術。在該報道中所應用的是整合圖像頭戴式設備,可將內窺鏡實時3D圖像、影像學3D重建圖像及術中超聲圖像同時整合在VR眼鏡中進行顯示。術者可通過手指追蹤系統對術前重建的3D圖像進行旋轉,這樣在手術中可通過3D重建影像辨別腫瘤的位置、毗鄰結構,指導腫瘤切除。此外,ISHIOKA等[29]還報道了應用頭戴式高清眼鏡協助輸尿管鏡進行上尿路腫瘤的切除或活檢。該篇報道中雖未應用3D顯示,但同樣使用類似的頭戴式設備。該系統將輸尿管軟鏡與高清頭戴式顯示器相連,并可連接不同的輸入源,包括輸尿管鏡圖像、熒光鏡圖像、窄頻影像,也可輸入影像學資料和監護儀屏幕(監測患者術中生命體征)等信息。將不同信號源整合于同一顯示屏幕,術者及助手可分別調節各自顯示器的主要顯示內容,根據術中需求各自獲得所需的圖像信息。作者于2019年在日本東京醫科齒科大學附屬醫院泌尿外科交流時,也曾體會3D眼鏡配合單切口內窺鏡腎部分切除及腎上腺腫瘤切除等手術。除了可獲得清晰的3D圖像,以及改善手術參與者長時間保持同一視線方向所帶來的疲勞之外,還可使術者、助手及臺下觀摩者均能清楚觀看手術視野及操作過程;特別是臺下觀摩者,可獲得與臺上等同的手術圖像,提高手術教學的效果。上述優勢不僅可體現于前述內窺鏡輔助的單切口手術,甚至在腹腔鏡手術中也可連接VR眼鏡以供手術參與者和臺下觀摩者佩戴。盡管目前傳統腹腔鏡、機器人輔助腹腔鏡等微創手術逐漸成為泌尿外科手術的主流方式,但仍有許多情況需行開放手術。由于開放手術往往空間狹小,有時僅有術者才能看到手術視野,如在開放手術過程中能配合高清攝像系統及VR眼鏡,則助手及臺下觀摩者可進一步提高手術學習的參與度和學習效率。另外,VR眼鏡的整合圖像系統可將手術視野與影像學圖像等同時顯示在屏幕中,將真實手術與術前規劃圖像相結合(圖1),為學習者提供更為全面的學習條件。因此,作者認為VR眼鏡在泌尿外科手術的教學中有著很大潛力。

圖1 可佩戴式VR眼鏡將整合圖像展示給不同人員的示意圖

3 小 結

頭戴式3D可視化VR眼鏡或可更多地應用于泌尿外科手術學習。其在手術室前的教學中可配合傳統模擬器模擬手術室環境輔助教學,在手術室實時手術教學中,可整合多源圖像,且有利于手術中的觀摩,以更直觀及便捷的教學方法,為醫學生、低年資醫生提供更優的臨床手術學習環境及條件。