虚拟现实技术及增强现实技术应用于神经外科教学的思考

陈敬寅，王 林，陈 高

(浙江大学医学院附属第二医院，浙江 杭州 310009)

神经外科在近几十年来经历了从最初的简单的钻颅术到目前的各种结合了影像导航技术的手术技术革命。神经外科医师需要掌握包括但不限于对于错综复杂的中枢神经系统解剖的知识、手术过程中分工明确的协调以及对于随时变化的手术情境的应变能力。然而目前广泛应用的神经外科培训系统依然和19世纪90年代发展起来的经典的培训模式类似。

虚拟仿真一流课程是我国高等学校教育“六卓越一拔尖”计划中“双万计划”一流课程之一[1]。虚拟现实(virtual reality，VR)技术和增强现实(augmented reality，AR)技术最早能够追溯到20世纪60年代，但直到2010年，计算机技术的发展程度才能够有效地将沉浸式体验真正实现到VR和AR系统中。

教育部要求在“十三五”期间建设10个国家级的虚拟仿真一流课程[2]。近年来将各种模拟现实技术结合进医学教育中的重要性越来越被广泛认识。VR系统和AR系统技术在普外科、口腔科、耳鼻喉科、妇科及护理等临床工作和教学工作中的应用也逐步展开。因此将VR及AR技术有效地结合进神经外科的专业教学和课程思政教学中，可能是未来神经外科教学的新方向。

一、VR及AR系统在神经系统解剖教学中的应用

神经外科医师的解剖训练是一项对于复杂的神经系统的熟悉和学习的过程。3D技术的创新使得VR及AR系统能够清晰准确地还原出颅内各种结构的位置与相互关系，并且通过与系统的交互，让学员能够从多种角度观察颅内结构。而通过提供的触觉等准确反馈，更能让学员实现用触摸感受解剖部位的具体情况以及局部组织的软硬质地等。

值得一提的是，传统的解剖教学往往都较多地局限于正常解剖结构的学习，但随着相关技术的发展和不断成熟，VR及AR系统还能让学员通过重建真实病人数据，进而针对能够体现患者特征性的解剖结构进行可视化的和可操作化的学习[3]。由此可见，VR及AR技术在神经外科解剖教学上拥有深远的发展前景。

二、VR及AR系统在神经外科术前导航和手术规划教学中的应用

传统的神经外科手术规划中，神经外科医师只能通过2D的CT或MRI影像等通过空间想象构建其自身理解的解剖和病理3D模型，这样的方式不可避免的存在一定的偏差。

VR及AR系统能够通过模拟3D环境应付不同种类的神经外科疾病的术前导航和手术规划的场景。VR及AR系统甚至能通过重建患者的影像学资料，让手术医师提前演练手术的过程，提高操作的熟练度，进而缩短手术操作的时间，降低患者面临的风险。通过VR及AR系统能够实时显示浅表、深部以及被各种结构阻挡视野的隐藏的解剖结构，使得低年资的住院医师对术前导航和手术入路的规划变得更加准确。华山医院的团队通过使用三维仿真技术精确模拟labbé静脉解剖，为手术入路的选择提供了准确，直观的依据[4]。

三、VR及AR系统在脑室穿刺术培训中的应用

在神经外科中，脑室穿刺术是低年资神经外科医师进行的基本神经外科手术之一，也是目前我国神经外科住院医师结业考试的操作项目之一。由于肉眼无法直接观察位于脑组织深部的脑室系统，几乎每位神经外科医师都会遇到反复穿刺失败的情况。随着穿刺尝试次数的增多，患者发生术后感染以及脑内出血的概率都会大大增加。

VR及AR系统可以整理和重建现有的这些有特征性的患者的脑组织的影像学资料库，构建3D模型并结合至系统内，使操作者能够在非正常的脑组织结构下亦得到充分脑室穿刺的锻炼；在实际手术中，可以将手术患者的影像学资料进行现场重建并结合至VR及AR系统中，在操作者佩戴的设备中将患者的脑室系统投影至真实的患者体表，从而提高脑室穿刺成功率，最终达到更好的手术效果并改善患者的预后。伊利诺伊大学等的团队证明通过类似的正规的VR及AR系统的培训，能够显著提高住院医师行脑室穿刺术的能力[5]。

四、VR及AR系统在血管内介入治疗教学中的应用

血管内介入治疗高度依赖于术中实时影像学的辅助。目前，VR及AR系统的局限性主要在于系统产生的对于操作者的触觉和感觉等的反馈上。一般认为，当手术学员训练的环境和实际操作的环境最相近的时候，在实际操作的环境下学员的技术和相应的能力能够得到最大程度的发挥。而血管内介入治疗由于其主要是通过血管内置入导丝和导管等装置进行治疗，手术医师对于手术器械提供的触觉和感觉等反馈的依赖度相较于其他传统的神经外科手术较少。这一特点使得介入治疗培训非常适合与VR及AR系统相结合。VR及AR系统能够在2D或者3D的环境下模拟整个血管内操作的过程。从而使得学员能够更好地理解血管的解剖结构并掌握相关的技术。VR和AR技术能够让受训者在无风险且高度还原实际情况的环境下训练他们的血管内介入治疗技术。

五、VR及AR系统在神经外科课程思政教学中的应用

“健康中国”建设要求医疗卫生服务提供更符合现代社会要求的“生物—心理—社会”的综合医学模式。课程思政是以专业课程为载体，以蕴含其中的思想政治元素为灵魂，将思想政治教育融入专业课程教学中，把立德树人作为教育根本任务的一种全新综合教育理念。课程思政是新时代高校教育的新理念新模式[6]。由于神经外科疾病的特征，临床工作中面对因神经系统疾病存在意识障碍及缺陷的患者及其家属时需要特别重视医学人文精神的体现。因此，神经外科医学教育担负着培养德医双馨的神经外科医务工作者的重任。

传统的神经外科教学由于其教学内容的复杂性，使得学员往往缺乏对患者的整体性和社会性的关注。通过VR及AR系统能够构建3D仿真环境，将患者的局部信息整合成整体，将患者经历医疗行为后可能发生的并发症及其带来的社会问题等医德教育相关的问题一体式的结合到3D环境下的沉浸式体验中，向学员提供实时的反馈，这将能够在神经外科教学的较早阶段就让学员更好的关注自身道德思想品质的建设和优秀的医学人文素养的培养，从而达到“潜移默化、润物无声”的课程思政教学效果。

目前，我们中心已经初步将VR及AR系统结合到神经外科的临床教学中，根据目前反馈的情况看，学员们普遍对教学效果表示满意，相关的对照研究正在进一步开展中。当然，VR及AR系统也存在一些局限性。VR及AR系统必须能够达到符合要求的视野深度、焦点深度、视野宽度，图像分辨率以及位置追踪的准确度。同时VR和AR系统必须保持足够舒适度，从而能够适应长时间的佩戴。另外，VR及AR系统的价格也必须控制在培训机构能够承受的范围之内。但可以预见的是，随着VR及AR技术的完善发展，这些局限性也会随之逐渐消失。未来，通过使用VR及AR系统建设的规范的神经外科课程，不但能够显著提高神经外科医师的训练效果，还能用于对从入门到高年资的不同层次的神经外科医师的专业能力及医学人文素养相关能力的考核。综上所述，VR及AR系统在神经外科的专业教学和课程思政教学中拥有广阔的应用前景，有助于神经外科教学效率的提升，并最终造福于广大患者。