混合现实技术在神经外科临床教学中的探索与实践

刘 将 李明武 曾明慧 贾 力 姜晓峰 凌士营

尽管神经导航、立体定向、手术机器人等手术辅助工具应用于临床医疗日益成熟，但神经系统解剖的学习、手术入路的选择、切口的设计以及手术模拟操作仍然是神经外科医师规范化培训（简称规培）、专科培训（简称专培）的基本内容。如何让神经外科规培及专培医师充分理解神经结构之间复杂的空间关系，并完成三维空间的重构，是神经外科临床教学的重点和难点。近年来，虚拟现实（virtual reality，VR）和增强现实（augmented reality，AR）技术已然突破了传统的教学模式，在医学教学领域得到了广泛应用[1～5]。混合现实（mixed reality，MR）技术是在VR及AR 基础上的技术延伸，尤其在空间定位、三维信息处理及信息传递交互等方面有进一步提高[6]，为神经外科临床教学提供了新的途径。本文就MR技术在神经外科临床教学中的探索与实践进行总结。

1 MR技术的概念及其在医疗领域的应用现状

VR技术是利用计算机生成虚拟的、可体验的数字环境，通过输出设备为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟，将用户与现实世界隔离，使用户仿佛置身于现实世界之中，但无法与现实环境交互。AR技术是指在现实世界中添加一个由计算机构建的虚拟环境，相对于VR 技术，AR 具有虚实结合的特点，达到超越现实的感官体验。MR 技术是VR 技术的进一步发展和AR技术的延伸，是将数字信息利用计算机图形处理技术和可视化技术生成真实环境中不存在的虚拟图像，并通过传感器技术将虚拟图像投射至真实环境中并呈现真实对象的特征。真实的环境和虚拟的图像实时地显示在同一空间中，实现了现实与虚拟世界的融合。同时，MR 在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动，给用户一种难以置信的现实和虚拟混合沉浸式体验。因此，MR较VR、AR延伸了用户的感知能力，增强了用户体验的真实感[7，8]。

MR系统主要有三个特点：现实世界与虚拟世界的深度契合、虚拟模型与现实世界的精确匹配、环境和用户之间的实时交互性[8，9]。多模态MR 技术将CT、MRI等影像数据融合后行三维可视化重建，通过微软Hololens 眼镜将虚拟立体成像与手术操作区域配准，用作术中定位与引导[10]。不同于神经导航的是，MR 技术还有“透视”效果，结合3D 打印模型，可行无风险、可重复的模拟手术操作。MR技术的这些特点让其成为应用于医学前沿的流行信息技术，在医学教育培训、医学研究、医患沟通和临床治疗等方面带来了革命性的变化，促进了医学的快速发展。有学者应用MR技术辅助颞骨解剖教学及经椎间孔入路腰椎间盘切除术的临床教学[11，12]。还有学者利用可穿戴MR 全息影像技术指导经颅穿刺置管，证实其安全、可靠[13]。在颅内肿瘤手术、癫痫手术以及脊柱手术中，基于多模态MR 技术展现的术中可视化技术已经得到了初步应用，手术的准确性与安全性得到了提升，显示出广阔的应用前景[14～16]。

2 神经外科教学的难点及存在问题

2.1 神经解剖学的学习 传统医学教育依赖于解剖图谱中二维图像以及尸体解剖，但解剖标本短缺，且无法重复利用，导致低年资医师很难将二维图像在脑海中完成空间重构。

2.2 颅内病灶定位及切口设计 颅内病灶的术前影像学检查多以二维图像呈现，低年资医师将影像学的病灶范围与病人颅内病灶的实际位置建立对应的关系十分困难，而颅内病灶的定位恰恰是神经外科的重要基础，定位偏差就无法设计出合理的切口。尽管神经导航有助于培养这种视觉空间技能，但难以反复进行临床实践，故学习曲线较长，制约了神经外科青年医师的成长。

2.3 术中解剖识别与操作 神经外科手术操作要求精准、细致，术中在暴露或处理病灶时，术者应对周边结构了然于心。低年资医师在术中对于深在的结构难以识别，对于非直视下操作如脑室穿刺难以灵活把握，由此导致手术并发症增多。

3 MR技术在神经外科临床教学中的应用及优势

MR 技术通过采集正常的颅脑影像学原始扫描数据，利用计算机软件进行分析重建，将颅脑解剖结构以三维图像呈现在真实环境中（图1）。由此，把临床解剖教学过程从使用二维图像转变为三维立体结构，可以从不同角度、不同位置进行“透视”，有助于低年资医师直观了解神经解剖及重要解剖结构之间的空间位置关系，缩短学习曲线，提高专培的效率，并节约教学成本[17]。另外，MR 技术还可以应用于远程医学教育培训。新型冠状病毒肺炎疫情发生后，很多学生无法返校，有大学应用MR技术远程教授解剖学课程，发现MR 技术有潜力解决成本和获取问题，可望在世界各地实现同质化、高质量的医学教育[18]。

图1 虚拟模型立体呈现颅脑解剖结构及颅内肿瘤位置与周边解剖

神经肿瘤教学是神经外科规培的重要内容。在颅内肿瘤临床教学过程中，可以利用MR 技术立体呈现颅脑解剖结构及肿瘤在颅内的位置、大小及形态，并与3D打印的病人头颅模型进行配准（图2），进行手术切口设计及手术入路模拟教学，理解手术暴露及切除过程中肿瘤与周边神经、血管、纤维束的毗邻关系，体会手术操作中的注意事项。此外，还可以建立颅脑肿瘤MR 技术病例数据库，让专培医师通过不同部位的神经肿瘤，理解不同手术入路的精髓。借助MR技术进行术前规划和手术模拟练习[19]，提供了一种高效、沉浸式的全新教学模式，对病人无任何风险，且可以反复操作、回顾总结，有助于低年资医生增强对颅内肿瘤手术的理解，缩短培养周期[20，21]。

图2 虚拟模型与3D打印的颅骨模型匹配过程以及匹配后形成的“透视”效果

经颅穿刺广泛用于脑内血肿、脑积水、脑脓肿以及功能神经外科疾病。由于靶点位置不可见，低年资医师经验匮乏难以把握，是神经外科临床教学的重点难点。MR技术可以协助术者“看穿大脑”，设计并优化穿刺路径，结合3D打印技术即可以实现模拟手术穿刺教学。有研究表明接受MR技术辅助手术模拟训练的医生对相关解剖的掌握程度、穿刺操作的熟练程度、穿刺部位的选择以及模拟操作的自信心均高于接受常规训练的医生[22]。一系列研究显示MR技术能够提升神经外科穿刺类技能的培训效率，尤其适用于各种以任务为导向的场景，包括侧脑室穿刺[23]、椎弓根螺钉的植入和椎体成形手术等[12]。经皮卵圆孔穿刺微球囊压迫术是治疗原发性三叉神经痛微创技术之一，术中精准穿刺卵圆孔是手术成功的前提。我科应用可穿戴MR全息影像技术辅助术中穿刺置管（图3），提高了穿刺的准确度和效率。

图3 可穿戴混合现实全息影像技术辅助卵圆孔穿刺治疗“三叉神经痛”

4 MR技术的局限性

影像学检查的原始数据是MR 技术重建虚拟模型的基础，因此影像学的成像质量对模型重建有决定性影响。MR技术实时交互时，手势操作难以精确调整模型角度，具有一定的滞后性。MR设备仅有视觉输出，缺乏触觉力反馈和其他感官的模拟。虚拟模型与真实病人难以精准匹配[24]，不能解决脑脊液丢失等导致的脑移位问题，限制了MR 技术的术中应用。佩戴MR 技术头戴式设备时，不能同时使用显微镜手术。因此，MR技术的应用目前大多仍处于探索阶段。

5 总结与展望

MR 技术是VR、AR 技术的进一步延伸，在神经外科临床教学方面大有可为，包括神经解剖的学习、教学查房、术前规划、模拟手术等，通过立体呈现的颅脑解剖及病灶部位，虚拟与现实交互融合，即时干预与反馈，能有效减少学习曲线，增强神经外科医生的视觉空间技能，达到事半功倍的教学效果。随着技术的革新，MR技术将在医学教育培训、医学研究、医患交流和临床治疗领域带来巨大变革，显示其广泛的应用价值。