虚拟现实技术在神经外科临床教学中的探索与实践

林 伟，陈燕伟，董冀晨，贺亚龙

(空军军医大学第一附属医院神经外科，陕西 西安 710032)

20世纪60年代末，被称为“VR教父”的美国空军电气工程师汤姆·弗内斯，首次研发了一种让战斗机飞行员在战斗中可以获得直观三维航空电子数据的新技术，其标志着虚拟现实技术(VR)的诞生[1]。他退役后来到了华盛顿大学，在那里创立了人机接口技术(HIT)实验室并继续推进该项技术的研究。在医学领域，早期的VR技术首先在牙医和青少年白血病护理团队中得到广泛运用，目的主要是转移和分散患者对手术或治疗过程中对疼痛的注意力，这是VR技术首次运用到医学领域[1]。随后，VR技术逐步扩展到其他医疗领域，例如部分眼科疾病的手术模拟训练和老年痴呆的辅助治疗等[1]。

虽然虚拟现实指的是一种特定的技术，但这种称谓现在通常是被用作统称。除了虚拟现实(VR)，其相关技术还包括增强现实(AR)和混合现实(MR)。其具体区别如下：VR是一种计算机生成的3D模拟环境，用户可以完全沉浸其中；AR是将计算机生成的虚拟图像投影到现实世界的实体上；MR也是将虚拟对象投影到真实实体上，但这些对象“在空间上具有感知能力和响应性”，允许用户与投影的3D图像进行交互[2]。在本文中，我们依旧使用VR技术来统称所有的虚拟现实相关技术。

目前，VR技术在医学教育上也逐步在扩大应用范围，发挥了越来越重要的作用，受训对象包括医学本科生、研究生教育、进修医师培训、住院医师培训，专科医师培训等[3]。在医学教育中，使用VR技术可以让学生看到更为直观的3D解剖结构，从而更加深刻地理解组织结构之间的毗邻关系。有研究发现教学中使用VR技术可以使学生的注意力更加集中、更好地调动其学习积极性并提高了其对教学的满意度[4]。而外科住院医师在患者手术前使用VR技术模拟手术，则可以快速提高手术技能，缩短学习曲线[4]。

VR技术在神经外科继续教育中的应用是一个日益活跃的研究领域，具有广阔的发展前景。本文将对VR技术在神经外科中的应用进行探索与实践。

1 当前神经外科的应用现状

1.1 手术计划

VR技术目前已逐步成为神经外科培训的重要工具，能够将二维断层成像[包括计算机断层扫描(CT)和计算机断层扫描血管成像(CTA)，以及磁共振成像(MR)和血管成像(MRA)等]数据重建成为3D(三维)影像，这些技术可以帮助神经外科医生迅速掌握手术技术并完善术前计划[5]。这项技术不仅可以让外科医生在虚拟现实中使用3D工具进行模拟解剖[6]，针对不同患者形成独特的影像数据，利用这些3D影像进行模拟手术，了解手术入路过程中所涉及的神经、动脉以及皮质结构，达到手术计划真实化，个体化的目的，使术前准备更加充分和完善[7]。而且，VR技术可以在术中使用外科显微镜将已提前做好的手术计划3D图像直接覆盖到外科医生的光学视图上，以实现3D图像与现实解剖结构完美融合，实时指导手术进程[8]。

随着新的软件工具进一步开发，不但允许神经外科医生修改这些图像的阈值、着色和透明度等，还允许医生在使用前对手术器械进行取样以实现术前计划更加贴近实际术中操作。例如，在开颅动脉瘤夹闭术前，通过对手术中各种型号的动脉瘤夹进行采样，利用软件重建到虚拟现实程序中，模拟手术过程来测试各种大小、曲度、形状动脉瘤夹的使用效果，以最终指导真实手术中动脉瘤夹的选取。有研究表明，该方法可以降低术中颅内动脉瘤的破裂概率，降低死亡率以及术后复发率。即使对于已破裂动脉瘤，术前发生蛛网膜下腔出血的情况下，该技术仍然适用并非常有效[9]。

1.2 手术模拟器

目前诸如Dextroscope(Volume Interaction Ltd，Singapore)的手术模拟设备已实现神经外科医生不再需要模拟鼠标和键盘的形式进行操作，而是使用3D显示器或投射成像虚拟工作空间，结合3D专用手柄来生成模拟手术。这些手术模拟器可以利用真实患者数据实现个体化模拟，精确定位还原肿瘤边界、脑回和脑沟等解剖结构[10]。这项技术已经逐步运用于颅内肿瘤切除、动脉瘤夹闭合动静脉畸形切除、脑神经微血管减压和深部脑电刺激植入等各种神经外科亚专业手术中，与对照组相比，术前利用手术模拟器组可以缩短手术时间、减少出血量、降低并发症[11]。

随着AR技术的发展，进一步推进了神经外科手术模拟器的进步，逐步向术中应用过度，初步达到虚拟投影与显微镜下视图相结合，实现外科医生在手术过程中的操作与虚拟影像同步发生变化，实现完全融合，这是VR技术的又一重大进步[12]。而且，将肿瘤直接投射到患者身上的试验性术中应用也正在测试中，将虚拟影像直接投影到患者实体上，以便术者可以减少对头盔显示器和监视器的依赖，避免分散手术中的注意力[13]。

1.3 颅脑外科

与脊柱外科相比，颅脑外科的VR应用相对较晚。自1985年，由于VR技术运用成本的相对降低、使用便捷性的提高以及学习环境的低风险性，使这一技术逐步完善并整合到颅脑外科的临床培训中[14]。诸如Neuro Touch、Immersive Touch等手术模拟器作为颅脑手术技能训练的辅助工具在许多医学机构开始广泛运用，而且这些训练系统提供了不同级别、不同难度的手术训练项目，可以针对不同水平的培训人员加以调整。

精准的手术导航和完善的术前规划一直是神经外科手术的重要基础。3D重建成像技术的完善，为VR技术在术前手术计划制定及术中导航使用提供了技术基础。由陈德胜医院(新加坡国家神经科学研究所)所研发的Neuro Planner是一种无框架脑立体定向设备，该设备可以将多种2D影像资料进行三维重建、融合，形成3D影像资料，并对肿瘤、血管等重要目标组织进行同时标记描绘，还可以进行术前手术入路模拟，术中实时导航指引手术路径，最终为手术精准实施提供保障[15]。

这些神经导航设备的运用过程中，研究者发现由于脑脊液的释放等因素会产生脑漂移，影响了术中导航的精确性和有效性。因此，导航设备术前所重建的影像在术中需要实时修正[16]，术中脑成像系统(IBIS)是一个新近研发的可以解决这一问题的系统，其利用术中超声进行实时标记定位，识别术前成像和术中真实情况之间的差异，并进行实时修订，以提高术中导航的精度与准确性[17]。

1.4 脑血管外科

脑血管外科是神经外科重要的亚专业，由于脑血管走形的复杂性和多变性，其诊疗过程都需要更加依赖术中成像技术，因此VR技术的临床应用为脑血管疾病的诊断和治疗带来了巨大的进步。VR技术允许术者在术前能够更好地了解动脉瘤的大小、基地、朝向、与载瘤动脉精确关系及所处周围脑组织的解剖结构特征[18]以便更精准地进行手术。2016年进行的一项研究，评估了使用沉浸反馈式平台开发的实时触觉反馈VR动脉瘤夹闭模拟器的有效性。结果证明，与对照组相比，术前利用模拟器进行手术预演，可以明显缩短手术时间，降低手术并发症[19]。除了动脉瘤外，该技术目前也应用于急性脑缺血性卒中的机械取栓培训中，该系统可以完全模拟真实脑血管造影、机械取栓的手术全过程，操作顺序及设备也与手术设备完全一致，显著提高了受训神经外科医生的手术技能水平[20]。

2 虚拟现实技术在神经外科应用中的问题与挑战

由于神经外科的解剖复杂、手术难度高、风险大，造成了神经外科专科医生成长周期较长的特点。VR技术展示了其在神经外科领域应用的独特优势。例如，VR技术通过重建三维影像，可以帮助医生理解大脑结构之间的复杂空间关系，降低了神经系统解剖的学习难度；基于VR技术的手术模拟器，再现了术中情景，使术者熟练掌握不同疾病的手术细节及重点，缩短了培训者由理论向实践的过度周期；术中VR技术的运用，可以缩短手术时间，降低手术风险，减少患者医源性损伤。另有针对血管内治疗技术培训的研究发现，术前使用配备触觉反馈技术的VR设备进行手术模拟，可以降低术中术者和患者的辐射暴露时间，提高术者的手术熟练程度。

尽管VR技术的应用为神经外科领域带来了诸多益处，但自2009年8月加拿大医生David Clarke第一次利用VR技术进行术前练习并制订手术计划以切除颅内肿瘤以来，其在神经外科的应用过程中也逐步出现了多种挑战[21]。例如，临床实用性仍不明确、使用成本高以及逐步出现的医学伦理等问题。

首先，VR技术相关的培训课程因机构和特定设备的不同而并不一致，且国内外也并无统一的培训流程和考核标准，使其在神经外科临床培训中的效果大打折扣。一方面，这种额外的培训课程也增加了临床医生的工作量，特别是对于培训项目已经安排得非常密集的住院医师规范化培训学员以及神经外科专科培训学员，也影响了他们参加培训的积极性。另一方面，对于已完成专科培训并持有专科执业证书的高年资神经外科医生，尤其是临床经验丰富的具有高级职称的医生主观上不愿投入更多的时间接受培训，或并没有完全认同这种新技术对于自身手术技能的提高作用。

其次，价格高昂的设施和维护成本仍然是VR技术在神经外科运用的一个重要障碍。目前，我国除了少部分重点教学性综合医院购买部分相关设备，并初步探索了培训流程外，绝大部分医院仍未开展。反之，对于开发VR技术相关设备的医疗技术公司，由于市场推广缓慢，应用前景仍不明朗，资金回笼受限，也限制了其研究和开发新技术和设备的速度与动力[22]。因此，我国医学院校等大型医疗培训机构也在逐步尝试解决这个问题，并提出了一些切实可行的方案。例如，医科大学的教学医院设立临床技能培训中心，将该技术不仅运用于神经外科，也拓展至其他外科。通过规模经济有效地降低每次使用的成本，减轻了机构的财务负担。当然，这一战略需要技术公司开发能够兼容不同外科专业的硬件和软件，使医院的多学科之间共享这项技术。这样医院只需购买具有运行不同软件程序的相同硬件，就可以实现神经外科、整形外科、普通外科等专业医生都参与到这样的培训中。这种成本分摊模式可推广各大医院VR技术的应用，促进技术公司的研发，推动这项技术的进步与发展，最终使广大患者从VR技术所辅助的外科手术中获益。

再次，随着VR技术从解剖教学、术前计划、模拟手术、术中导航到术中辅助指导手术的临床应用逐步深入，医学界也逐渐出现了关于该技术在医学伦理方面的质疑及争论。由于VR技术在临床手术中的参与程度的不断加深，再加上新兴的人工智能技术的融入，手术决策的重心有从手术外科医生个人的主体转移到计算机的趋势，导致医学伦理问题呈指数级增加。对于这一问题，也需要医疗机构与技术研发公司深度合作，尽快开展大规模多中心临床研究，对VR辅助手术和常规手术之间进行更直接、全方位的比较，进一步分析该项技术在神经外科手术中的作用及益处，以明确其是否值得医学领域花费时间、成本和精力进行深入研发和广泛实施。

3 结论

VR技术经过迅速发展，已经初步实现了将基于患者2D影像学数据经计算机重建后的3D图像成功的投射于手术中的患者实体。其实现了虚拟与现实融合，优化了术前计划、改进了的手术入路，其甚至已经拓展至最先进的手术机器人领域。VR技术在医学教育和神经外科培训领域也逐步显示出了强大的优势，该技术给医学本科生、神经外科实习生、参加住院医师/神外专科规范化培训的医生提供了通过增强视觉空间学习理论知识的机会，以及通过手术模拟来缩短神经外科手术培训周期的机遇。该技术为培训人员提供了大量的模拟手术训练机会，且不会增加患者医源性损伤的风险。在开颅手术、血管内介入手术、脊柱手术等众多神经外科亚专业手术中，VR技术不断提高其运用价值、拓展运用领域，有望大幅提高神经外科疾病的诊治水平。

然而，VR技术自问世的半个多世纪以来，逐步遇到了诸如临床实用性仍不明确、使用成本高以及初步浮现的医学伦理等问题。关于如何解决这些问题，进一步推动该项技术的应用与进步，都需要医疗培训机构以及技术研发公司进行进一步的深度合作。通过降低使用成本、成立VR技术设备共享机构、开展多中心大样本量的随机对照临床研究等方法，明确VR技术的实用性、降低使用门槛，使该项技术在神经外科领域能够广泛有效的应用，使广大医生及患者受益。