混合现实技术在神经外科应用的研究进展

刘曦，滕楚北，李学军

自21世纪初以来，随着计算机图形处理技术、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和B超等技术的飞速发展，计算机辅助手术(computer aided surgery，CAS)、计算机集成外部科学(computer integrated external science，CIS)和成像导航手术(imaging navigation surgery，IGS)等技术已越来越多地应用于现代医疗卫生领域[1]。混合现实(mixed reality，MR)是近年来出现的一个新概念，最早由Steve Mann教授提出，是虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)在三维应用中的结合[2]。MR为用户提供了一个通过感知周围物理环境结合数字虚拟模型而呈现的虚实融合图像[3]。

MR技术已用于医疗卫生领域的各个方面。一项新的研究表明，佩戴MR相关耳机能减少新冠肺炎流行期间的医务人员职业暴露[4]。MR技术也在多个临床科室推广应用，如辅助全髋关节置换术、辅助肝脏肿瘤切除术、辅助先天性心脏病手术、辅助牙齿植入术和正颌手术等[5-8]。神经外科作为一个高风险、高技术难度的科室，将MR技术引入神经外科可以为患者提供更加精准、微创且个体化的治疗方案，在一定程度上可以减少术中血管、神经以及重要功能脑组织的损伤，降低患者术后出现并发症的概率，提高患者的生活质量。现从医学教育及训练、医患沟通以及术中导航等方面阐述MR技术在神经外科各个方面的应用。

1 VR、AR和MR的关系

VR是利用计算机技术构建一个三维的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉和触觉等感官的模拟，但其中所有的东西都是虚拟的，是一个纯粹的虚拟数字图像。由于缺乏现实感觉，VR不能用于实际的操作程序，临床医生似乎很难沉浸于其中[9-10]。AR是利用电脑技术将虚拟的模型应用到现实世界，真实的环境和虚拟的结构实时地叠加到同一个画面或空间。与VR相比，AR的重点是现实世界，而不是完全的人造环境[11-12]。AR、VR和MR的应用都旨在增强用户当前的体验或现实感[13]。 MR是数字现实加虚拟数字图片，MR的关键点是与现实世界互动，及时获取信息[14]。作为图形学领域的一种新型技术，MR将计算机虚拟模型投射到用户所在的真实世界中，在虚拟世界和真实世界之间建立交互反馈回路，增强了用户体验的真实感。MR系统主要有三个特点：现实与虚拟世界的结合、使用者与环境实时性交互、虚拟世界与现实的精确匹配[15]。在临床医学应用的各个方面，MR的这些特点是必不可少的，MR是一种比VR和AR更实用的技术。

2 MR技术硬件结构特点及在神经外科应用的基本流程

MR技术目前的主流设备为微软公司开发的一种头戴式Hololens眼镜，其包括显示单元、计算单元和三维空间操作系统。以微软公司最新开发的Hololens 2为例，显示单元是波导和光投影仪的结合，能完美还原全息影像的全貌和细节，并可以透明显示现实环境，无障碍地进行面对面交流，屏幕采用目视跟踪技术来适应用户的目视位置，根据用户眼球运动调整显示颜色；计算单元保证其强大的3D渲染能力，能处理高精度全息影像，不会产生人设拖影和延迟，保证高帧率的混合现实体验；三维空间操作系统采用手势识别系统，使用户能够以触摸、拖曳等方式与全息影像互动，这种互动方式能够满足校准过程中不同术式体位的要求。

MR技术辅助神经外科手术应用流程简单(图1)，无需大型设备，仅需要Hololens眼镜和一台电脑。首先获取患者头部CT及MRI的DICOM原始数据并导入三维重建软件系统，使用多个不同模板进行可视化分割、提取及计算生成3D虚拟模型，使用不同颜色标记肿瘤、血管、神经及脑组织，再将经过重建及渲染的3D虚拟模型载入到混合现实设备中后，佩戴Hololens眼镜将重建后的虚拟模型与患者头皮校准吻合，最终实现基于混合现实技术的术前计划、术前沟通及术中导航等[16]。

图1 MR技术辅助外科手术的应用流程

图2 Hololens眼镜

3 MR技术在神经外科中的应用

3.1 医学教育和训练的应用 在目前的医学教育过程中，由于医疗环境和伦理的限制，以及解剖标本的短缺，医学教学成本一直在增加。MR技术把临床教学过程从使用二维图像和视频转变为交互式移动环境，这帮助学生从三维层面更直观地了解人体复杂的解剖结构，使学生得到更有效的学习和训练[17]。 目前，MR手术模拟器正成为低年资医生培训的一个重要组成部分，因为其可以提供无风险、低成本的培训。通过MR手术模拟器，低年资外科医生能够身临其境地体验复杂手术的操作过程和相关解剖，而无需担心手术风险和意外，从而让低年资医生更快地成长，增强对复杂手术的理解[17]。在经验丰富的医生的帮助下，MR技术可以为外科训练提供一个理想的平台，通过反复的三维可视化交流和体验，外科医生可以更自然、更自信地提高自己的手术技能水平，而不会对患者造成伤害或危险[18]。对于神经外科来说，颅内解剖结构精细又复杂，对医生的解剖认识和操作技能要求极高，利用MR技术进行辅助学习和训练，能够极大地提高专科医生的培训效率。

3.2 术前医患沟通的应用 医患之间的医学知识背景和信息不对称是医患关系紧张的主要原因之一[19]。由于MR技术有三维、逼真、动态的特点，可以使患者及家属更直观地感受手术操作过程，对手术方案细节有更深的了解，提高患者对手术风险和并发症的认识，加深医患之间的相互理解和信任；从而减少医疗纠纷，改善不良的医患关系。有研究报道了MR技术在复杂颈部骨折术前综合管理中的应用，可以使医患沟通简单、准确且顺利[20-21]。

3.3 中枢神经系统肿瘤手术的应用 中枢神经系统肿瘤包括起源于颅内及椎管内各组织的原发性肿瘤，以及由全身他处转移至神经系统的继发性肿瘤。胶质瘤、脑膜瘤、垂体瘤和神经鞘瘤等是人体常见的神经系统原发肿瘤，完整切除肿瘤同时保留正常神经功能是神经外科手术所追求的目标；而如何在术中实时精准定位并分辨肿瘤与周边正常神经、血管的关系，是当前神经外科医生关注的重点问题。MR技术能很好地解决上述问题，辅助显微手术最大范围地精准全切肿瘤，减少患者术后并发症。

经过几十年的发展，外科导航系统可以帮助医生减少手术时间和患者的手术创伤，提高手术的准确性，提高手术成功率[22]。虽然现代导航技术的精度较高，但不能减少手术时间，需要复杂的术前校准和手术室空间占用[23]。Incekara等将佩戴Hololens眼镜的术前肿瘤位置规划与标准神经导航相比较，采用MR技术进行的肿瘤定位与标准神经导航系统没有差异，总体中位数差异为0.4 cm[24]。手术医生通过术前的CT或MRI影像，重建获取全息影像信息，并以不同方式进行标记，同时通过术前标记肿瘤组织，实现“虚拟染色”，以获得更直观的肿瘤体表投影，为手术入路和手术切口的设计提供精确的定位，从而更精准、微创地切除肿瘤。

以窦旁脑膜瘤切除手术为例，MR技术可以将虚拟的患者模型包含头部皮肤、颅骨、脑膜、肿瘤、血管等与真实患者的对应部位实时匹配，并实时跟踪手术器械的位置。在透视患者器官的基础上，可以避开重要的血管(尤其是引流静脉)及重要的功能皮层，指引术者完全切除肿瘤以及受侵犯的硬脑膜，实现脑膜瘤的SimpsonⅠ级切除。以脊柱椎管肿瘤为例，MR可用于肿瘤节段的术前定位，也可用于辅助胸腰椎椎弓根钉置入。通过MR导航系统，神经外科医生可以脱离传统C臂X线机反复照射的条件，准确定位脊柱椎管病变节段和精准置入椎弓根钉，避免医生和患者的辐射暴露。对于功能区肿瘤，在保护患者功能的基础上最大限度切除肿瘤，是每个神经外科医生毕生追求的目标。MR技术可以利用MRI相关序列和CT数据重建肿瘤和周围重要结构的模型，供术者更加直观地了解肿瘤周边的动静脉血管走行、神经纤维束传导以及肿瘤与中央沟和中央前后回的关系，从而避开重要位置，精准微创切除肿瘤，提高患者术后生活质量。对于其他颅内肿瘤，MR技术通过三维重建，能给予术者更加立体的成像效果，帮助术者制定更加精准的手术方案，勾画出更加微创的手术路径，减少术中重要血管神经的损伤，提高手术质量和效率。

3.4 脑血管疾病手术的应用 颅内动脉瘤破裂出血的发生率居于急性脑血管病前列，仅次于脑血栓形成和高血压脑出血。颅内动脉瘤破裂出血具有高致残率和高病死率的特点，幸存者仍可再次发生出血，且再次发生出血的患者中40%～65%的患者会死亡。颅内动脉瘤目前主要的治疗方式是动脉瘤介入栓塞和显微镜下动脉瘤夹闭。而颅内动脉瘤好发部位为颈内动脉，其位置深且穿插眼神经、动眼神经等重要组织结构，手术风险极大。临床手术前，神经外科医生可以将DSA、CTA或MRA等影像学资料多模态融合，运用MR技术三维重建动脉瘤的位置、大小、形态、瘤体指向、瘤颈宽度以及瘤周围重要解剖结构，帮助术者选择合适的手术入路、夹闭瘤颈的方向以及选择合适的动脉瘤夹。虽然三维立体动脉成像技术已经被广泛运用于临床，但是其还无法同时显现动脉周围的神经、脑组织和颅骨等重要解剖结构。研究者分别应用虚拟现实和增强现实技术术前对患者动脉血管、动脉瘤、颅骨等构建一个3D虚拟模型，可以从任意角度进行观察动脉瘤、模拟手术入路，降低手术风险[25]。混合现实技术要更加优于VR和AR，可以在手术过程中动态反馈、实时导航，更加有益于对动脉瘤的夹闭或者栓塞，提高手术效率和降低手术风险[26]。

脑动静脉畸形(arterio-venousmalfaormation，AVM)是胚胎时期脑血管发育异常而形成的，是颅内血管畸形中最常见的一种类型[27]。AVM虽然在病理上属于良性疾病，但是临床上发病过程突然，如不及时救治预后不容乐观。7.5%～15%的AVM患者常常合并动脉瘤，其中一半是多发动脉瘤，这使得AVM患者的治疗更为棘手。AVM的治疗手段众多，包括显微手术切除、栓塞、放射治疗以及多方法联合。目前首选治疗方法是显微手术切除[28]，但是AVM的位置、大小、形态及是否合并动脉瘤的确定，需要高度依赖神经外科医生对影像学资料的判断来经验性选择最佳手术方案。Ivan等在AVM手术中使用增强现实技术，将重建的动静脉畸形团、供血动脉、引流静脉以及颅骨模型导入显微镜目镜中，术者根据图像引导，精准地制定手术入路，术中避开重要血管神经或脑组织，既保证了手术的质量，还可提高手术效率[29]。

3.5 颅脑损伤的手术应用 颅脑损伤是一种临床上较常见的创伤性疾病，具有高发生率和高病死率、致残率的特点，占全身部位损伤总数的20%。原发性颅脑损伤是指外界暴力直接作用下引起的一系列病理生理变化造成的损伤，临床上常见的是颅内血肿。

对于颅内血肿的治疗血肿定位非常关键，目前血肿的定位主要依赖于CT影像和神经导航系统，但神经导航系统存在费用昂贵、准备步骤繁杂和耗时长等缺点[30]。因此，多数基层医院都以CT影像确定血肿位置和估算血肿量。这种定位和入路选择高度依赖于神经外科医生的经验，不确定性因素较多，导致血肿清除不满意，手术损伤功能区等风险增大[31]。而MR技术可以快速利用影像学资料重建患者的血肿、重要血管、神经等的三维图像，精准地计算血肿体积和位置，确定手术入路，设计手术切口，高效清除血肿并保护重要血管和神经。Sun等[32]报道利用VR和AR技术辅助完成了25例脑内血肿穿刺术,手术时间在40～70 min，平均血肿清除率达到97%, 且没有患者出现手术后再出血，保障了穿刺的安全性和有效性。使用MR技术能够辅助神经外科医生准确快速定位出血灶，有助于颅内血肿患者得到及时有效的治疗。

3.6 脑积水的手术应用 梗阻性脑积水多见于颅脑外伤、脑血管病和颅内占位性病变等疾病，可引起颅内压急剧升高，严重者可致脑疝。

临床上最常用治疗方式是脑室穿刺外引流术，其可快速有效地缓解颅高压急症并动态监测颅内压。脑室穿刺外引流术手术路径多是神经外科医师依据头颅体表解剖标志经验性判断假想位置及穿刺角度。手术医生术中穿刺针是否进入脑室的判断依赖于临床经验和手感，尽管目前已有X线导航穿刺的方法且确定了最佳X线剂量，但是由于个体差异，即每个人的脑室位置、体积、脑室各角的差异，会出现一次穿刺不成功，甚至多次穿刺的情况；这将会增加脑室周围组织甚至血管受损的风险[33]。MR技术构建的 3D 虚拟模型与患者头颅匹配后，手术医生佩戴混合现实眼镜Hololens，可实时定位脑室位置，调整进针角度，即可避开沿途重要结构，又可准确进入脑室，从而提高穿刺成功率。 Li等[34]将MR技术用于患者床旁脑室穿刺外引流术，证实该方法可行有效，能够显著提高穿刺手术成功率，缩短手术时间和减低手术风险。

4 MR技术的优势与局限性

4.1 MR技术的优势 (1)现实与虚拟结合，实时交互，精确匹配：不同于VR和AR，MR做到了虚拟与现实完美融合，开启具有相互矫正功能的新视野，这显著提高手术的安全性和精准性。(2)及时性：基于CT、MRI影像资料，与3D打印技术获取模型至少需要10 h相比， MR图像的产生仅仅只需要几分钟，对于紧急手术而言尤为重要[35]。(3)可变性：MR技术构建的虚拟结构可以渲染(虚拟染色)、扩大、分割、任意方位调整，术者可以根据体位变化调整模型，选择合适的重建结构。(4)医患沟通更充分：MR可以让患者更直观了解手术方式，解决了患者专业知识缺乏的问题，节省术前沟通时间。(5)能够同时显示周边脑功能区、深部神经纤维束和重要血管、神经等解剖结构，可兼顾解剖、功能及其他更多影像信息实现多模态影像融合。(6)设备技术难度低，大多数基层医院均可以运用。(7)使用过程耗时短、效率高，且医生和患者不增加额外的放射线损伤。

4.2 MR技术的局限性 (1)MR构建3D虚拟模型来源于术前影像学资料，患者检查配合度、造影剂的剂量、扫描层厚度以及检查后病情动态变化都会使得模型与现实出现偏差。(2)虚拟与现实实时交互过程中，模型的手势调整精确度需要多加关注，并且模型的调整会有一点延迟，对于手术进行稍有影响。(3)图像注册即虚拟3D模型与患者手术区域精准匹配，是MR技术最重要最困难的一步，目前脑部的定位仅依赖于传统的头部标记物，配准时间及精度难以把控。(4)神经外科手术多为显微手术，佩戴MR技术头戴式设备时，无法同时使用显微镜进行手术。(5)MR设备仅有视觉输出，缺乏触觉力反馈和其他感官的模拟。(6)MR技术无法解决导航过程中，释放脑脊液后脑组织偏移的问题。

5 总结与展望

从MR在神经外科应用的研究进展看，MR技术辅助神经外科手术有待进一步发展和完善，如术中联合应用超声，实时、动态的获得脑部病灶信息，操作方便、费用低廉[36]。对于功能区病灶切除，术中MR联合使用神经电生理监测，可为神经外科精准手术保驾护航，提供更加安全的保障。MR在辅助神经外科精准手术中具有可行性和实用性。MR还有助于培养高水平的神经外科医生、促进医患沟通、提高手术效率和成功率，推进了神经外科精准、微创和个体化手术的发展。综上所述，MR技术辅助神经外科手术是安全可靠、实用且有前景的。