混合现实技术在外科领域的应用研究进展

闫晓冬，侯建存，田青，张雅敏 天津医科大学一中心临床学院，天津3009；天津市第一中心医院

随着科学技术的突飞猛进，数字医学得到了不断发展。近年来，虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)等技术在医学领域中得到广泛应用，为外科疾病精准、个体化治疗提供新的途径[1]。MR是将VR和AR技术的优势相结合，将CT、MRI等传统影像数据通过高效智能化图像分割算法进行3D重建渲染，进而将3D虚拟模型通过头戴式3D眼镜投射至现实世界场景中，实现现实世界、虚拟世界及用户间的实时交互[2]。临床医生利用MR技术，能够任意变换重建器官及病灶的大小、颜色、透明度，可以从任意角度进行立体观察以辨别脏器的解剖结构，从而辅助临床手术方案制定、术中定位及精准切除。同时，MR也为术前医患间可视化沟通、远程医疗、医学教学等方面带来诸多便利。本文就近年来MR技术在外科领域的应用进展作一综述。

1 术前规划

在传统外科手术中，医生依靠自身的医学知识、临床经验以及想象力，将X线、CT、MRI等2D影像在大脑中将病灶信息恢复与重建，从而制定手术方案。这对于青年外科医生而言是具有一定难度的，需要大量临床实践来补充，而MR技术在医学领域的应用恰好可以解决这一难点。一项针对8名泌尿外科医生在术前应用MR技术对肾脏肿瘤定位的评分调查问卷结果显示，MR技术能更好地还原肾脏肿瘤与周围血管、尿路的位置关系，为肾部分切除患者的术前规划提供指导意义[3]。在肝脏肿瘤术前通过对原始数据进行MR重建，有助于术者了解病灶与周围组织器官的关系、体积大小等信息，可显著降低手术风险、减少术中出血量、缩短手术时间[4]。Wu等[5]基于MR技术设计出了一种手术导航系统，可以使术者更为直观地观察骨折的具体形态，以及周围毗邻的重要血管、神经、脊髓等复杂解剖结构，进而制定出最佳手术方案。Jiang等[6]以志愿者血管CTA数据制成的3D打印模型为基础，利用模型在模拟手术室中对基于MR技术的血管定位系统的定位精度进行测试，在不同条件下测定MR图像与实际模型特定标记点之间距离，结果显示最小误差为1.35 mm、最大误差为3.18 mm，均在临床可接受范围内，说明MR技术可有效帮助外科医生完成术前规划。

2 术中导航

随着微创技术的发展，医生常常需要在小空间内进行手术，特别是在人体复杂的解剖部位，如心脏、肝脏、大脑、脊柱和骨盆，而这些部位往往分布着重要的血管和神经。此外，有些疾病可能会导致患者出现解剖学变异，术前评估不精确可能会导致严重后果。在肩关节假体植入术中，术者可以利用MR技术获得全息立体图像，从而选择更好的手术视野，提高了手术的准确性和安全性，并有效避免假体植入过程中损伤血管神经[7]。

Kasprzak等[8]将经食管超声心动图数据实时传输并匹配到MR技术生成的心脏模型中，并成功利用MR技术定位狭窄部位，联合二尖瓣球囊扩张术治愈1例NYHA Ⅲ级的风湿性二尖瓣狭窄患者。Lei等[9]将股骨骨折患者影像学图像利用MR技术形成3D图像，由此提供术中引导并完成全髋关节置换术。Incekara等[10]利用MR技术对颅脑肿瘤在颅脑表面皮肤范围以及中心位置进行定位，并与传统神经导航系统进行比较，结果显示25例颅脑肿瘤患者中有9例经MR定位的脑部肿瘤中点与神经导航系统无差异，总体中位误差范围在0.4 cm以内。Wei等[11]研究显示，采用MR技术辅助进行的经皮椎体后凸成形术较单纯成形术可以准确定位椎体位置及压缩范围，术中利用球囊扩张可使锥体高度得到改善，同时减少了患者术中X线透视次数。Zhu等[12]对1例肾功能不全伴有肺栓塞患者应用MR技术，成功放置下肢静脉滤器，有效地减少了造影剂对患者肾功能的损伤，以及术中射线对医务人员及患者的辐射损伤。

此外，MR技术可为术者提供更直观的肝内胆道及血管走行位置信息，为术者的术中判断提供有效帮助[13]。有研究纳入了15例需行脑室穿刺引流患者，术中应用MR技术辅助脑室穿刺的手术时间为(40.20 ± 10.74)min，穿刺次数由传统方法的(2.33±0.98)次缩减到(1.07±0.26)次，目标偏差也由(11.26±4.83)mm缩减至(4.34±1.63)mm，说明应用MR技术可有效缩短脑室穿刺引流患者的手术时间、减少穿刺次数并且缩小目标偏差[14]。此外，MR技术还可应用于乳腺肿瘤[15]、胸壁肿瘤[16]等疾病的手术治疗，有助于提高手术效率、缩短手术时间、精准切除肿瘤。

3 教学培训

医学院校传统的解剖教学大多依赖于教师讲解、人体标本以及物理模型等方式，近年来由于医疗环境和医学伦理的限制，真实人体标本短缺，无法满足教学需求。对于复杂的人体解剖构造，单纯的理论知识以及空间想象往往会造成学生学习效率低下，难以深刻理解。MR技术能使抽象解剖从多角度、多层面进行立体呈现，帮助学生更直观地了解人体复杂的解剖结构，使医学生能够得到有效学习[17]。Ruthberg等[18]进行了一项针对48名医学在校生的调查研究，结果显示利用Hololens眼镜进行骨骼肌肉解剖教学可缩短操作时间，加深学生对于解剖结构的理解，使学习过程缩短。Kang等[19]将12个具有不同类型的双出口右心室心脏样本的CT数据集转换为立体图像，使用MR技术对其进行研究性观察，并且将在立体模型上确定的形态特征与实际心脏标本的观察结果进行比较，结果表明MR技术可对空间复杂的先天性心脏病变提供高精度的立体显示，并具有交互功能，可增强学生对其形态学的3D理解能力，并且对于教学及病例保存均具有一定价值。同时，传统课堂教学具有模式单一和忽视学生体验过程的弊端，而MR技术可使医学教育由2D图像和视频向交互式移动性学习发生转变[20]。

目前，MR技术因其无风险、可重复的优势，正成为医师培训的重要学习内容。应用MR模拟器，青年医生可不必走进手术室就有机会观摩到复杂的手术操作。Maniam等[21]通过将MR与手术模拟器相结合，完整地呈现了颞骨的空间虚拟成像，并可在3D图像中模拟手术钻孔步骤，且具有可反复操作的优势。此外，在脊柱外科手术教学中，运用MR技术可以真实地模拟人体解剖、还原手术过程，从而提高医学教学的形象化、交互性以及学生的3D空间感[22]。Brun等[23]对先天性心脏病患者的心脏结构进行MR技术重建，可有效帮助临床医生尤其是年轻医生对于先天性心脏病复杂解剖结构的理解。Kobayashi等[24]将MR技术与中心静脉穿刺及胸腔穿刺引流的临床教学操作相结合，使得培训者的视觉提示和触觉反馈增强，同时加强了教师与培训者之间交互性指导。Hooten等[25]提出了一种新的MR手术模拟器，可为医学生模拟脑室造瘘术提供真实体验。

4 远程医疗与医患沟通

传统远程诊疗需要通过图片、视频等途径进行，而利用MR技术可以使远程诊疗变得更为直观，有助于提升远程医疗中医生间的合作体验及效率[26]。线上专家借助MR技术可以完成异地、实时地对患者进行远程手术、术中指导及病例讨论等。Hanna等[27]在尸检时利用MR技术对人体标本进行全息投影，不仅可以实时分享信息，而且可以允许其他病理学家远程访问进行指导，真正实时地在虚拟标本上标注感兴趣的解剖区域。Wang等[28]利用Hololens系统开发了远程医疗指导系统，证实了MR技术在远程医疗中的可行性及适用性。

目前，医患关系紧张的原因之一在于患者及家属对疾病认识的不完全。MR技术具有可视、实时、动态等优势，术者可向患者及家属更为直观地显示病变部位，介绍并模拟手术过程，使患者及家属对疾病及手术方案更为了解[29]。Wu等[30]报道了MR技术在复杂颈椎骨折术前沟通的应用，术者利用MR技术向患者及家属全方位展示具体颈椎骨折的位置与形态，使其对手术风险及手术方案有更深入的了解，同时使医患沟通变得简单、顺畅。

综上所述，MR技术给医学教育培训、医学研究、医患沟通、临床治疗等带来颠覆性的变化，有助于促进医学的快速发展。MR技术巨大的应用前景有望使其成为外科治疗的重要手段之一，并有助于推动医疗服务向个性化、精准化大趋势发展。