虚拟现实技术在神经外科培训中的应用特点

伍聪 周舟 贺民 刘艳辉

虚拟现实技术（virtual reality，VR），也称为VR技术，是指由计算机生成的可由人探索和互动的三维模拟仿真环境的技术。这项技术借助计算机交互式硬件和软件的应用，通过模拟人的视、听、触觉等，使人能够沉浸在模拟的虚拟仿真环境里，并且能够操纵物体或执行一系列动作，从而与虚拟环境进行实时互动，能够使用户达到身临其境的效果[1-2]。VR技术当前已经被成功应用在各个不同的领域中。虚拟人体、实验室和医院也都相继出现，对医疗行业的整体发展起到了重要价值[3-5]。就神经外科而言，涉及到的很多知识点都复杂且抽象，而且神经外科手术操作风险巨大，无法让学员过早进行实践操作，这在一定程度上影响到了医师的成长。而VR技术的应用，则可以开辟新的培训方式，让学员“沉浸式”的学习，并且模拟手术操作流程，增加神经外科教学的效率。

1 当前神经外科医师培训的面临的问题分析

神经外科近几年来已经得到了较好的发展，特别是对神经解剖的理解和手术显微镜的广泛应用大大地降低了手术的并发症、提高了疾病的治疗效果。与此同时，手术技术的进步对神经外科医师提出了更大的挑战。要求术者对解剖有深刻的理解，同时需要轻柔操作、精细解剖，增加了神经外科手术教学的难度。

就当前神经外科医师普遍的培训情况看，都是以图谱、动物、人体标本以及现场观摩等方式完成。这些方式都存在不同程度的缺陷：图谱没有立体感，模型不够真实；动物和人体必定存在差异；人体标本的稀有珍贵，无法重复操作，同时人体标本本身可能存在解剖的生理变异，学生解剖的单一标本并不能代表普遍的正常解剖状态；更重要的是，很难期望人体标本同时伴有神经外科相关病变；而手术现场观摩和资深医师的带教都无法让接受培训的学生积累实际操作的经验，增加患者发生并发症的风险[3，6]。导致在实际培训当中形成了技术和需求方面的反差。在神经外科医师培训过程中采用新的技术方法也成为不少学者都关注的问题。作为一种新的教学方法，VR技术可以让接受培训的学生在虚拟的情况下接受相关的操作，这样不会对患者的身体健康产生损害，同时也可以帮助操作者促进经验的积累以及熟练度的提升，可以成为医学教育当中不可缺少的重要构成环节。

2 华西医院神经外科虚拟现实技术教学的设备和现状

华西医院临床技能中心于2017年引进美国Surgical Theater公司educational SuRgical Planner（eSRP）虚拟现实系统，开展神经外科虚拟现实技术教学活动。该系统主要包括电脑主机硬件、可触控屏幕、动作感应器、VR眼镜、VR手柄等设备。可根据患者CT、MRI等影像学资料，重建虚拟头部结构，通过图像切割、旋转、延展扩大等操作开展教学活动。该系预存了数个教学案例可供选择，包括根据DSA重建的颅内动脉系统；根据CT脑血管成像重建的颈内动脉床突旁动脉瘤、后交通动脉瘤、大脑中动脉瘤案例；根据头部增强CT重建的脑血管畸形案例、鞍区占位病变的案例等。另外，该系统可通过VR手柄的按键操作，选择将手柄在虚拟图像中演示成为吸引器、显微剥离子、显微刮匙、动脉瘤持夹钳等常规手术器械。其中，动脉瘤持夹钳还可搭配选择各种形态大小的动脉瘤夹，包括各种型号的直头、弯头、直角、套环动脉瘤夹等，并且可以模拟动脉瘤夹释放和调整的动态过程。

我院神经外科利用该系统常规开展针对各阶段医师的临床技能教学活动。学员主要是本科实习生、研究生、规范化医师培训学员和专科医师培训学员等。下文将根据我科VR教学的经验，总结虚拟现实技术在神经外科医生培训中的应用类型，分析各种应用类型的特点，并提出今后需要改进的方向。

3 神经外科医师培训当中虚拟现实技术的应用类型和特点

3.1 神经解剖教学当中VR技术的应用

美国国家医学图书馆在1986年时提出了可视化人体计划（visible human project，VHP），之后有专门的机构针对尸体采集影像数据。可以说是VR技术在医学教育领域开展的前身。近几十年来，我国也都相继开展了VHP相关的研究[6]。我国广州和德国大学开展合作，提高了项目的精度和质量[7]。数字信息重建技术可以对人体解剖标本进行虚拟重建，让学生从不同的角度和层面完成切割和观察。学生借助于VR技术可以对解剖形态进行依次观察，也可以从不同平面观察器官周围的关系。例如，我们采用的VR系统，可根据CT头部血管三维重建扫描的数据，利用VR技术重建颅底骨质及颅内血管走形。在对于颈内动脉床突旁动脉瘤手术解剖教学中，学生利用VR眼镜及手柄等设备，可以将自己的视点设置于颅内任何位置，同时还能扩大、旋转三维图像，在视点确认后，学生可以通过转动自己头部从各个角度观察解剖结构。在VR虚拟头颅环境下，学生可以真切地“沉浸”在重建的三维解剖结构内，更便于认识颈内动脉走形、动脉瘤朝向、动脉瘤与前床突的解剖关系。

3.2 术前计划教学当中VR技术的应用

对于刚进入工作岗位的神经外科医生而言，在掌握了相关解剖知识之后，下一步就需要进行病变的术前定位、选择手术入路进而设计手术切口。神经系统相关病变通常被重要的功能性解剖结构包裹，而颅骨的内腔又相对固定，手术空间狭窄。如何通过神经系统自然解剖间隙、避免对重要功能结构的干扰，同时又能最简洁的到达病变部位，是术前计划的重点和难点。VR技术可以对患者的影像学资料进行充分融合，建立特殊的虚拟模型，对病变组织的形态进行全方位的显示；还可以和术中神经导航系统结合，确定病变位置[7-9]；同时还能通过切割、旋转等方式来选择最佳手术途径，制定相应的手术计划；也能够在术前，进行手术步骤预演，使手术医生能过确定每一步手术操作的要点和难点。例如，在VR模拟经蝶垂体瘤切除手术计划中，可以将VR手柄调成显微刮匙模式，这样可以预先比较不同大小型号的刮匙，对肿瘤侧方颈内动脉的干扰程度，从而降低在实际手术操作中因刮匙损伤颈内动脉的风险。上述特点使得VR技术在神经外科术前计划教学中能发挥重要的作用。

3.3 手术操作教学当中VR技术的应用

VR技术构建起虚拟手术环境，允许医师采用虚拟的器械完成学习，提高手术操作的技能和水平[10-12]。我院采用的eSRP虚拟现实系统（Surgical Theater公司，美国）可以通过VR手柄选择各种颅内动脉瘤夹，并模拟动脉瘤夹释放的过程。学员在操作演练时，可以选择不同形状、大小的动脉瘤夹。还可以尝试从不同角度、深浅反复调整动脉瘤夹的位置。这些操作是不可能让学员在实际手术中完成，对学员掌握动脉瘤夹闭手术技巧有重要的帮助作用。

但是，目前使用的VR系统大多局限于视觉的“沉浸”式体验，对于手术操中触觉的反馈仍然不足。手柄只能模拟各种手术器械的外形，无法给与操作者触觉和手感反馈，特别是脑组织的韧性、脑脊液流动、脑动脉的牵拉程度等。另外，目前VR系统无法模拟手术中可能发生的突发情况。例如，夹闭动脉瘤过程中，因过度牵拉引起了动脉瘤破裂出血等。这些方面将是VR技术未来发展的挑战和方向。

4 总结与展望

当前神经外科技术得到了快速发展，医生必须要及时掌握新的技能和方法，借助于安全和逼真的手术技能训练场景，可以帮助其更好的适应实际手术环境。而VR虚拟现实技术则可以为医生提供逼真的虚拟环境，让其对病理解剖、手术演练等更加了解，通过实际的参与性操作来积累更多的经验。当然在实际应用中也存在不足之处，仍然无法完全取代传统的培训方式，特别是缺乏手术操作中触觉和手感反馈，还需要补充制作与其相匹配的训练工具。但今后随着技术的进一步发展和完善，VR技术必将在神经外科培训和教育领域发挥更广泛而重要的作用。