混合现实技术在骨肿瘤中的应用与前景

商冠宁

骨肿瘤学科是骨科学范畴内难度最高的亚专业之一，病种繁杂多样，手术难度和风险高，术中出血量大且常伴副损伤发生，青年医师学习曲线较长。混合现实技术作为一种新兴的数字化技术，其能够突破虚拟世界和现实世界的界限，将数字化数据整合至人对于真实世界的感知中，使人获得模拟的感觉，如视觉、听觉等，并与之交互[1]。近年来，已有多项研究探索了混合现实技术在不同骨科亚专业手术规划中的应用价值。本文将着重阐述混合现实技术在骨肿瘤患者围手术期中的应用现状与发展前景，以提高骨肿瘤科专科医师对混合现实技术在骨肿瘤领域应用的认知和掌握。

1 混合现实技术及应用

1.1 混合现实技术 随着计算机技术的进步，数字医学也随之迅速发展，混合现实(Mixed Reality, MR)技术是继虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术、增强现实(Augmented Reality, AR)技术之后出现的全新数字化全息成像技术，因其广阔的应用前景而受到医学界的广泛关注[2-3]。MR技术是在AR技术的基础上发展而来，通过将术前影像(CT或MRI)产生的三维虚拟模型与实际物体相结合产生立体图像，与AR技术虚拟图像简单地叠加到真实环境不同，使用MR设备能够实现现实世界与虚拟环境的实时交互[4]。MR技术因其能够打破虚拟世界与现实世界的屏障，并且融合了虚拟现实和增强现实功能，从而能够强化模拟手术的真实感并提高手术的精确性，实现虚拟环境与现实世界的实时交互，在医学领域得到了广泛的应用。尤其在骨科学领域，已经在临床教学及培训、医患沟通、术前规划、手术模拟操作、术中导航、术后个性化康复等方面取得了一定进展[5-6]。

1.2 混合现实技术在骨肿瘤外科手术中的应用

骨肿瘤外科由于解剖结构复杂、个体差异较大,手术中容易损伤肿瘤毗邻的重要血管和神经，对操作的精准程度要求较高；同时对各种修复重建材料与患者匹配精确程度要求较高，手术难度较大。目前，三维重建技术、3D打印技术、计算机辅助导航技术等辅助手段在骨肿瘤外科手术中得到了应用，提高了手术的安全性和精准性[7-8]。MR技术通过现实与虚拟世界的深度拟合、三维虚拟模型与真实世界的精准匹配、环境与使用者的实时交互而具备了既往数字化技术所不具备的优势，有可能成为骨肿瘤精准化外科治疗的有效辅助手段。

2 混合现实技术的临床应用

2.1 教学应用 MR技术作为在三维应用的基础上结合形成的新技术，通过现实与虚拟世界的联系快速地进行信息交换，增强体验的真实感。MR技术的面世推动教育信息化时代的发展，智慧学习环境的形成，也使医学教育更加数字化、智能化、精准化[9]。MR技术的三个基本属性决定了它在临床教学应用中的得天独厚的优势：沉浸感、交互性和想象性。MR技术相比较于传统教学模式更能提高学员的学习兴趣，增强三维空间想象能力，有助于学员更好地了解人体解剖的三维结构，激发学生的创造性思维。通过MR技术对骨肿瘤诊疗全流程的精准化展示，将骨肿瘤的治疗流程以三维立体的空间结构直观地表现出来，有助于增强学员对骨肿瘤治疗方案和手术过程的理解，提高毕业后培训教学质量，从根本上解决骨与软组织肿瘤科青年医生培养周期长，培养难度大的问题。

2.2 术前医患沟通 由于骨科手术涉及的解剖结构复杂性和手术技术专业性，患者及其家属对疾病认识的局限性，患者通常难以理解复杂的病情和治疗方案。同时由于医患沟通的不充分，患者及家属经常无法充分理解骨肿瘤的手术方案及康复理念。根据骨肿瘤患者的个性数据，利用MR技术进行建模，佩戴MR眼镜，在医生的解释下，患者及其家属可以360度全方位地看到病变的状态、位置、大小以及与邻近器官的关系，而不仅仅是阅读难以理解的文字报告[10-11]。应用混合现实技术可以简单、准确、顺畅地进行医患手术治疗方案沟通，使患者对手术风险和手术方案的细节有了更深入的了解，能够使医生与患者之间更好的交流。结合医生的互动解释和虚拟操作，患者及患者家属通常可以准确、生动地了解局部解剖结构、治疗方法和手术程序，使其能够更清晰、更直观地了解治疗方案，加深患者对自身病情和手术潜在风险的理解。解决医生和患者及家属专业知识不对称和医患信任危机等问题，使沟通过程变得简单、有效，提高患者对于治疗的配合度与依从性，并且有效避免医患潜在矛盾的发生。

2.3 手术规划 骨肿瘤由于病种繁多、解剖变异复杂，手术切除及修复重建均极具挑战。以往医师对于患者疾病信息的获取通常依赖X线平片、CT、MRI等影像学检查结果，手术方案的制定更多的依赖于术者的临床经验以及对解剖结构和疾病的熟知，面对术中突发状况更多的考验术者临场应变能力。而由于骨科手术相对复杂的解剖情况，疾病周围的血管神经结构关系难以完整精确地还原和再现[12]。

MR技术可以将CT、MRI等影像学数据进行处理，通过MR设备将复杂的病变情况三维立体地呈现在术者面前，手术医生可以直观地感受肿瘤的情况、缺损的大小及形态，制定最佳手术入路，设计完美手术计划，并可进行术前模拟手术等操作。在术前借助MR技术模拟手术，有助于最优化手术入路的选择及降低高难度步骤的风险，优化手术方案。模拟手术进行三维重建能够直观、立体地展现病变部位及毗邻关系，并可进行三维立体测量，方便医师制定相应手术方案，进行仿真手术以及模拟置入物置放，使医师充分了解手术的技术难点及操作细节，降低手术风险，减少副损伤和并发症，提高骨科手术精准化程度，使治疗方案变得更加精准、高效。

2.4 术中精准定位 MR技术作为VR技术和AR技术的进一步发展，使复杂的、高风险的手术变得准确、安全，在辅助医师定位病灶、确定切除范围、保护周围重要的血管神经等方面具有显著的临床意义及应用价值，从而大幅度提高手术精确性并降低手术风险。MR技术可以为术中可视化，提供了更多的控制自由，又由于数据可以由用户随时操作，因此手术医生不需要进行术前校准[13]。类似于AR技术，MR技术可以使外科医生在保证无菌条件的同时访问患者数据，从而减少了患者和外科医生的辐射暴露。MR技术将虚拟模型与真实场景相结合，为精密手术的可视化制导创造了一种新的模式。利用该技术，医生可以全面观察病变细节，深入挖掘图像信息，术中从而实现病变的精确定位，降低手术风险。术中精准定位有助于优化手术方式，提高了骨肿瘤手术成功率及个性化精准重建，更能满足骨肿瘤外科治疗的精确化、个性化需求。

2.5 新辅助治疗评效 对于化疗/放疗敏感的恶性骨肿瘤患者，在行新辅助治疗前后通过影像学资料数据使用MR技术计算肿瘤体积来评估化疗的作用更加精准。将新辅助治疗前后的影像学资料收集、数据处理、分析、集成和输出，进而进行个体化、精准的混合现实技术建模，将两者的三维成像进行对比，可有效评估化疗疗效[14]。利用MR技术可以更精准地重建肿瘤与周围组织，清晰地展示肿瘤与重要血管、神经的解剖关系，准确地计算肿瘤体积，为后续手术提供参考。

3 混合现实技术的优缺点

3.1 优点 MR技术具有的现实世界与虚拟世界的深度拟合、三维虚拟模型与真实世界的精准匹配、环境与使用者的实时交互特征，使得MR技术在未来的医学领域具有广阔的前景。和3D打印相比，在获取影像学数据后MR图像的制作速度也相对迅速，而且MR图像还可以进行各种放大、渲染、选择性滤过等操作，对疾病的观察更加细致。相较于VR技术，MR技术能够保留真实世界的视野，使手术的安全性和准确性得到很大程度的提高，目前MR技术系统在国内外医学领域的应用才刚刚起步，但是其与临床教学、医患沟通、手术规划、手术模拟操作、术中导航、术后康复锻炼的结合日趋紧密，未来可结合大数据，根据患者资料建立MR数据库，精确测量相关数据，反复模拟手术，制定最佳手术方案，实现外科手术的精准化、规范化治疗；对于疑难病例可利用MR技术进行病情模拟制作后用于远程会诊，同时也能够保证外科手术操作个体化。

3.2 缺点 当前,混合现实技术等数字化技术飞速发展,与医学有机融合,为临床诊疗模式带来了革命性的改变,降低了对经验与想象力的依赖,为手术提供了三维精准数字化的科学依据，但目前还有一些亟待解决的问题。由于MR技术设备高昂的成本，现阶段并不能广泛应用；佩戴智能眼镜会出现不适和疼痛，有可能不利于手术医生工作；目前技术还不能完美实现及时实时互动，图像处理需要时间，因此延迟是不可避免的；与骨骼建模相比，软组织的信号强度变化很大，对于小血管和某些软组织难以重建，在后处理阶段需要大量的人工干预。尤其对于较复杂的手术，应用时容易出现图像与实际分离的现象,还没有很好的注册方法能够实现将虚拟模型与患者完全吻合;其次,伴有软组织肿块时,周围受累组织难以精确重建；重建模型与真实视野重叠时可能会影响术者的视野,在手术操作时仍需高度警惕,避免不必要的副损伤。

4 展望

近年来，数字化骨科技术已经成为骨肿瘤的基础研究及精准化诊疗基石。随着数字化骨科技术在骨肿瘤治疗中的应用，个性化、微创化、精准化、智能化已经成为骨肿瘤诊疗模式发展的方向。MR技术的虚拟三维立体影像可以从不同的角度不受限制地查看病变区域的骨骼、周围神经和血管组织，为骨肿瘤外科诊疗提供了一种全新的视角，MR技术的未来发展将极大地推进新时代医学的创新。