李文濤+++貢桑明久++任春瑩+魏艷+孟喜君

[摘要] 神經(jīng)解剖比較復(fù)雜，不容易掌握。手術(shù)操作的難度較大，對(duì)微創(chuàng)和精細(xì)程度具有較高的要求，除此之外，神經(jīng)外科手術(shù)的教學(xué)培訓(xùn)和解剖手段比較有限?，F(xiàn)階段有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)和臨床中的應(yīng)用已有報(bào)道，但是有關(guān)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用卻少有報(bào)道。本文對(duì)基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航計(jì)劃平臺(tái)進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

[關(guān)鍵詞] 多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航；虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；神經(jīng)外科教學(xué)

[中圖分類號(hào)] R651 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2017）11（c）-0187-03

Application of virtual reality and augmented reality technology based on multimodal functional navigation in neurosurgical teaching

LI Wentao1 GONGSANG Mingjiu2 REN Chunying1 WEI Yan1 MENG Xijun1

1.Department of Neurosurgery， the First Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University， Shaanxi Province， Xi'an 710061， China； 2.Department of Cerebral Surgery， Tibet People's Hospital of Ali Area， Tibet Autonomous Region， Ali 859000， China

[Abstract] Neuroanatomy is complicated and difficult to master. The operation is difficult and it has higher requirements for minimally invasive and meticulous level. In addition， the teaching， training and dissection methods of department of neurosurgery operation are limited. At present， the application of virtual reality technology in department of neurosurgery teaching and clinical practice has been reported， but there are few reports about the application of augmented reality technology in neurosurgical teaching. This paper introduces the multimodal neuronavigation planning platform， virtual reality and augmented reality technology in neurosurgical teaching are analyzed and discussed.

[Key words] Multimodal functional navigation； Virtual reality； Augmented reality； Neurosurgical teaching

在神經(jīng)外科解剖教學(xué)中，傳統(tǒng)教學(xué)主要依靠尸體、教學(xué)模型、解剖圖譜以及文字等，術(shù)前手術(shù)計(jì)劃以及模擬手術(shù)過程等臨床教學(xué)則主要依靠高年資醫(yī)師帶教、現(xiàn)場(chǎng)觀摩以及二維圖片等，而對(duì)于神經(jīng)功能的可塑化教學(xué)等內(nèi)容，則是憑空想象[1]。傳統(tǒng)教學(xué)模式的效率不高，而且枯燥乏味，無法標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化實(shí)施，進(jìn)而對(duì)神經(jīng)外科的教學(xué)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響，制約了青年神經(jīng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和進(jìn)步的過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了快速完善和更新，并在一定程度上為神經(jīng)外科教學(xué)帶來了技術(shù)變革。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過電腦模型形成模擬世界，讓使用者通過三維空間獲得感官方面的模擬，使其身臨其境，不受限制地對(duì)三維空間內(nèi)的事物進(jìn)行及時(shí)觀察[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重視沉浸感，讓使用者在實(shí)際使用過程中不能有效區(qū)分真實(shí)和虛擬環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但能構(gòu)建虛擬世界，更加重視融合真實(shí)世界和虛擬世界，在同一空間中實(shí)時(shí)疊加真實(shí)物體和虛擬世界。現(xiàn)階段在航空模擬領(lǐng)域以及軍事模擬領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，并開始廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下步驟：①采集處理數(shù)據(jù)和構(gòu)建3D模型。采用DICOM格式存儲(chǔ)血管造影、MRI以及CT等影像學(xué)檢查技術(shù)所獲得的結(jié)果，并可在大部分現(xiàn)有技術(shù)平臺(tái)中應(yīng)用。選擇面繪制或者體繪制方法來進(jìn)行3D模擬重建。②顯示3D模擬?，F(xiàn)階段的3D顯示方法主要包括投射式顯示、穿透式顯示、視頻式顯示。為了讓圖像疊加的準(zhǔn)確性顯著提高，每一種顯示方法都需要跟蹤定位術(shù)者眼位或者頭部、顯示屏以及攝像頭，讓3D圖像的顯影準(zhǔn)確性能顯著提高?，F(xiàn)階段常用的跟蹤定位方法主要為電磁跟蹤和紅外光學(xué)跟蹤。③注冊(cè)圖像。在圖像中準(zhǔn)確疊加附加信息時(shí)，注冊(cè)過程是最后一步，同時(shí)也是最困難的一步?，F(xiàn)階段常用的方法為交互式注冊(cè)方法，也就是在患者身上和3D模型上定位能辯別的標(biāo)志物，通過對(duì)這些標(biāo)志物進(jìn)行重疊計(jì)算，來正確重疊全部圖像。然而對(duì)于實(shí)施注冊(cè)的問題，現(xiàn)階段的注冊(cè)方法無法有效解決。術(shù)中腦脊液釋放、重力作用、組織塌陷等均會(huì)引起注冊(cè)偏差。endprint

2 基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 教學(xué)模擬

在神經(jīng)外科的教學(xué)活動(dòng)中，常用方法包括高年資帶教、現(xiàn)場(chǎng)觀摩、尸體、動(dòng)物、模型以及圖譜等，但是這些教學(xué)方式都有一定的不足之處。模型不具備真實(shí)性，圖譜則不具備立體感，動(dòng)物解剖結(jié)構(gòu)則存在一定程度的變異，尸體不具備可重復(fù)性，而且價(jià)格比較貴。高年資帶教、手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)觀摩的缺點(diǎn)則主要為缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)、感染發(fā)生率高、不能重復(fù)等。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能對(duì)特定患者或者正常人的3D顱腦模型進(jìn)行模擬重建，讓低年資醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生能對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行反復(fù)、隨時(shí)解剖，而且能從不同角度進(jìn)行觀察，也不會(huì)讓患者的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用增加?，F(xiàn)階段在神經(jīng)外科教學(xué)中，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是識(shí)別特定解剖結(jié)構(gòu)等常規(guī)教學(xué)，另外也可以用來學(xué)習(xí)新技術(shù)或特定的復(fù)雜病例。臨床研究發(fā)現(xiàn)，采用基于immersive touch平臺(tái)的腦室穿刺模擬，能讓臨床醫(yī)師更好地了解和掌握腦室造瘺技術(shù)[3]。有學(xué)者通過virtual temporal bone系統(tǒng)成功再現(xiàn)巖骨的神經(jīng)和血管走行、內(nèi)耳結(jié)構(gòu)[4]，利用該系統(tǒng)能讓使用者有效模擬巖骨磨除過程和巖骨不同手術(shù)入路。通過跟蹤調(diào)查使用者發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能讓學(xué)習(xí)者更好地了解和認(rèn)識(shí)手術(shù)操作和相關(guān)解剖知識(shí)。

2.2 術(shù)前計(jì)劃

在采用手術(shù)方式治療深部病變和復(fù)雜顱底病變時(shí)，手術(shù)計(jì)劃是否詳細(xì)，會(huì)對(duì)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)以及手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生造成直接影響。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能讓病變充分暴露在3D層面，讓術(shù)者能充分了解病變和周邊重要結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而且能從不同入路讓病變充分暴露，進(jìn)而讓手術(shù)方式的安全性顯著提高。有臨床研究報(bào)道顯示[5]，采用dextroscope系統(tǒng)能對(duì)手術(shù)入路進(jìn)行確定，并選擇合理的動(dòng)脈瘤夾。結(jié)合臨床具體情況，術(shù)前應(yīng)對(duì)手術(shù)患者進(jìn)行常規(guī)輔助檢查，如PET、MRA、MRV、MRA、MRI以及CT等，同時(shí)給予fMRI和DTI檢查，分別進(jìn)行功能區(qū)皮層的定位和傳導(dǎo)束的重建。利用導(dǎo)航軟件平臺(tái)，能有效實(shí)現(xiàn)功能皮層、傳導(dǎo)束以及病變等結(jié)構(gòu)的三維可視化。教師和學(xué)生能對(duì)病變和重要功能結(jié)構(gòu)、解剖結(jié)構(gòu)的三維關(guān)系進(jìn)行各種角度的觀察，進(jìn)而為手術(shù)入路的制訂提供科學(xué)依據(jù)，讓手術(shù)計(jì)劃更加合理。

2.3 模擬手術(shù)過程

手術(shù)麻醉后，協(xié)助患者選擇合理的體位，選擇頭架對(duì)患者頭部進(jìn)行固定。將導(dǎo)航參考架安裝好，注冊(cè)導(dǎo)航，并對(duì)精確程度進(jìn)行驗(yàn)證。疊加并配準(zhǔn)術(shù)前采集的相關(guān)解剖數(shù)據(jù)信息、重建的功能結(jié)構(gòu)、病變結(jié)構(gòu)和患者的真實(shí)顱腦，利用顯微鏡下功能神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)和顯微鏡目鏡能透過術(shù)區(qū)或頭皮直接觀看功能結(jié)構(gòu)和病變結(jié)構(gòu)，能對(duì)功能結(jié)構(gòu)和病變結(jié)構(gòu)的體表投影進(jìn)行程序化勾畫，進(jìn)而為設(shè)計(jì)合理的皮層和骨瓣造瘺口、頭皮切口的位置提供科學(xué)依據(jù)。術(shù)中通過顯微鏡功能神經(jīng)導(dǎo)航下的功能結(jié)構(gòu)和病變結(jié)構(gòu)的可視化能讓手術(shù)變得有理有據(jù)，更加直觀和簡單。能對(duì)腫瘤邊界、手術(shù)操作位置及其與功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行直觀和實(shí)時(shí)判斷，進(jìn)而讓手術(shù)安全性顯著提高[6]。譬如，對(duì)1例右側(cè)顳葉深部膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行手術(shù)時(shí)，按照準(zhǔn)備流程將影像資料、解剖數(shù)據(jù)及體表定位等準(zhǔn)備工作完善后即可注冊(cè)建立對(duì)應(yīng)的神經(jīng)功能導(dǎo)航，并三維重建出腫瘤形狀、腫瘤周圍重要神經(jīng)傳導(dǎo)束，并顯示出腫瘤周圍重要功能皮層區(qū)域且可以予以標(biāo)注區(qū)分。根據(jù)神經(jīng)導(dǎo)航結(jié)果及三維重建的腫瘤與周圍重要結(jié)構(gòu)關(guān)系選擇最適宜的手術(shù)切口，適度調(diào)整皮層入路，盡量減少對(duì)重要傳導(dǎo)束、動(dòng)靜脈血管的損傷，以實(shí)現(xiàn)盡量保存對(duì)應(yīng)軀體功能的目的。且在這一過程中，觀摩人員均可在儀器的顯示設(shè)備上清楚地看到重建的腫瘤、神經(jīng)傳導(dǎo)束、重要?jiǎng)屿o脈血管及皮層功能區(qū)等，提問、學(xué)習(xí)和交流即時(shí)進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程不但是教學(xué)過程，同時(shí)也是醫(yī)療過程，能讓醫(yī)療過程和教學(xué)過程融為一體，讓臨床資源得以高效和充分地利用。神經(jīng)功能評(píng)估和術(shù)后影像復(fù)查，也充分驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)顯示技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性，能讓神經(jīng)外科教學(xué)更加直觀和生動(dòng)。

2.4 功能神經(jīng)結(jié)構(gòu)解剖教學(xué)

因病變存在高級(jí)功能區(qū)的重塑，而且高級(jí)功能的結(jié)構(gòu)存在個(gè)體化差異，所以無法有效判斷病理狀態(tài)下功能皮層的位置以及皮層下白質(zhì)纖維束的走行。通過虛擬技能能對(duì)不同情況下皮層功能結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行充分了解和準(zhǔn)確判斷，進(jìn)而更好地理解功能的可塑性。深部白質(zhì)缺乏有效的參考標(biāo)志，利用虛擬技術(shù)則能對(duì)病變情況進(jìn)行明確，同時(shí)還能對(duì)占位效應(yīng)條件病變和白質(zhì)纖維束的三維位置關(guān)系進(jìn)行明確，能對(duì)重要傳導(dǎo)束白質(zhì)內(nèi)的形態(tài)和走行進(jìn)行全程觀看。

3 討論

在神經(jīng)外科教學(xué)中，以往主要是利用板書、口頭傳達(dá)、人體、標(biāo)本以及掛圖等輔助教學(xué)工具來開展教學(xué)互動(dòng)。在社會(huì)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和進(jìn)步的今天，多媒體教學(xué)開始成為了現(xiàn)階段的主要教學(xué)模式，多媒體教學(xué)集合了動(dòng)畫、視頻、文字以及圖像等信息。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用徹底改變了以往教師的主導(dǎo)地位，能讓學(xué)習(xí)者的積極性和主動(dòng)性得以充分發(fā)揮，讓教學(xué)活動(dòng)更加積極、活潑和生動(dòng)[7]。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生所獲得的知識(shí)主要為間接知識(shí)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為學(xué)習(xí)者構(gòu)建一般人不能接觸到的環(huán)境，或者不存在的世界，或者是無法在真實(shí)世界中看到的信息，讓學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)和觀察更加形象、直觀，能徹底改變傳統(tǒng)教學(xué)模式在空間和時(shí)間方面的限制[8]。如果能將基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理相結(jié)合，則能在全國范圍內(nèi)進(jìn)行規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的神經(jīng)外科教學(xué)活動(dòng)，徹底改變神經(jīng)外科的教學(xué)模式。

術(shù)前二維信息是傳統(tǒng)手術(shù)計(jì)劃教學(xué)的主要依據(jù)，如磁共振影像、CT檢查等。神經(jīng)外科教師利用顱骨、頭皮的標(biāo)記，采用尺子測(cè)量換算來進(jìn)行定位。淺部病變能粗略定位，占位效應(yīng)顯著的病變和深部病變則不能有效定位。術(shù)前計(jì)劃教學(xué)缺乏依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)教學(xué)效果造成影響?；诙嗄B(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則能讓病變定位問題得以有效解決[9]?；诙嗄B(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能對(duì)病變進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但無法為定位功能結(jié)構(gòu)提供有效幫助。利用基因多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)，能整合二維影像，形成立體、直觀的三維影像，對(duì)重要功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行清晰顯示，而且還能形成虛擬的手術(shù)環(huán)境，制訂科學(xué)合理的術(shù)前計(jì)劃。利用三維可視化可以對(duì)病變及其周邊重要功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行全方位和多角度展示，最終讓手術(shù)計(jì)劃達(dá)到最優(yōu)[10]。endprint

總之，傳統(tǒng)神經(jīng)外科教學(xué)模式的效率較低，無法標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化開展，進(jìn)而對(duì)神經(jīng)外科教學(xué)的發(fā)展、培養(yǎng)青年神經(jīng)外科醫(yī)師都造成了嚴(yán)重的影響。應(yīng)用基于多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能從根本上改變神經(jīng)外科的教學(xué)模式。在神經(jīng)外科教學(xué)中應(yīng)用基因多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能讓神經(jīng)功能結(jié)構(gòu)和解剖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維可視化，進(jìn)而顯著提高教學(xué)質(zhì)量，而且還能使教學(xué)更加標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，在對(duì)青年神經(jīng)外科醫(yī)師進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)，有效縮短時(shí)間，具有推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王東梅，楊繼梅.標(biāo)識(shí)在神經(jīng)外科手術(shù)顯微器械管理中的應(yīng)用[J].中國實(shí)用神經(jīng)疾病雜志，2017，20（4）：137-138，139.

[2] 由娜.利用PDCA循環(huán)法對(duì)神經(jīng)外科植入器械管理的研究[J].中國實(shí)用神經(jīng)疾病雜志，2017，20（1）：125-127.

[3] 劉鳳，白俊超.神經(jīng)外科手術(shù)室貴重精密器械設(shè)備的安全管理與使用[J].中國實(shí)用神經(jīng)疾病雜志，2013，16（21）：68-69.

[4] 葉建蘭，笪虎.銳利器械保護(hù)套在神經(jīng)外科精細(xì)器械處置中的應(yīng)用[J].國際護(hù)理學(xué)雜志，2016，35（8）：1146-1147.

[5] DeRibaupierre S，Wilson TD. Construction of a 3-D anatomical model for teaching temporal lobectomy [J]. Comput Biol Med，2012，42（6）：692-696.

[6] 趙杰.神經(jīng)外科手術(shù)器械儀器管理[J].醫(yī)藥前沿，2014，6（21）：375.

[7] 王海云，王國林.神經(jīng)外科麻醉專科醫(yī)師培養(yǎng)體系的建立與實(shí)施[J].臨床麻醉學(xué)雜志，2017，33（5）：421-424.

[8] 徐宇倫，王磊，楊辰龍，等.顯微神經(jīng)外科手術(shù)設(shè)備器械培訓(xùn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2016，13（6）：125-126，127.

[9] 寸恩浩，楊軍，陳素華，等.Destroscope虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在顯微神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2015，29（6）：14-15.

[10] 陳兆哲，虞露立，吳遠(yuǎn)水，等.研究豬腦灌注模型在顯微神經(jīng)外科培訓(xùn)中的使用[J].江西醫(yī)藥，2017，52（8）：757-759.

（收稿日期：2017-07-23 本文編輯：王 娟）endprint