孟凡皓，朱智慧，張小輝，張韜

(1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院，北京100032；2深圳羅湖區(qū)人民醫(yī)院)

經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)這兩項(xiàng)技術(shù)為我們的生活帶來(lái)很多改變，也逐漸被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。VR是多種技術(shù)的高度結(jié)合，包括了模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面；它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，可以讓使用者完全沉浸到該環(huán)境中，并且通過(guò)有觸感反饋功能的控制器與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。而AR可以實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置、角度，配合圖像圖形技術(shù)，在屏幕上把虛擬圖像疊加在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。目前，已有報(bào)道在微創(chuàng)肝臟手術(shù)[1]中運(yùn)用AR技術(shù)將肝臟內(nèi)部的血管和腫瘤的位置顯示在術(shù)區(qū)，也有學(xué)者嘗試將AR和MR技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)外科[2]和泌尿外科[3]等學(xué)科。早在1997年Wagner等[4]介紹了AR的概念，并首次在AR設(shè)備的輔助下完成正頜手術(shù)；2001年Thomas等[5]開(kāi)發(fā)的Impulse 2000訓(xùn)練系統(tǒng)，可以模擬患者口腔內(nèi)患齲情況，用于醫(yī)學(xué)生臨床技能練習(xí)。近5年來(lái)，VR與AR技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，主要包括臨床教學(xué)、術(shù)前設(shè)計(jì)和術(shù)中導(dǎo)航3個(gè)方面。現(xiàn)就VR和AR在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 臨床教學(xué)

頭頸部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在狹小的范圍內(nèi)可能同時(shí)存在腺體、肌肉、神經(jīng)和血管等重要組織；在教學(xué)過(guò)程中僅依靠課本或視頻資料缺乏立體感和層次感，而尸體標(biāo)本數(shù)量有限、價(jià)格高昂，這都為教學(xué)增加了困難。將VR技術(shù)應(yīng)用到頭頸解剖教學(xué)中，可生動(dòng)、立體地展現(xiàn)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)。2012年，李陽(yáng)等[6]利用Dextroscope系統(tǒng)進(jìn)行上頜動(dòng)脈下頜段的三維解剖研究，并與實(shí)際標(biāo)本進(jìn)行對(duì)照，為減少上頜動(dòng)脈下頜段的術(shù)中損傷提供解剖依據(jù)。結(jié)果表明虛擬解剖組所測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)與尸體組測(cè)得的實(shí)體數(shù)據(jù)一致，提示該技術(shù)具有可靠性與一定的優(yōu)越性。

操作技能的練習(xí)所用耗材成本較高，借助VR和AR系統(tǒng)，可為醫(yī)學(xué)生提供逼真的操作練習(xí)環(huán)境。目前已有用于正頜外科手術(shù)培訓(xùn)的VR手術(shù)模擬系統(tǒng)[7,8]，該系統(tǒng)可以為使用者反饋操作的力度和器械運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，并能提示操作者截骨角度和距離與術(shù)前設(shè)計(jì)方案之間是否存在偏差。Miki等[9]介紹了一種模擬內(nèi)窺鏡輔助下完成頜下腺切除術(shù)的VR培訓(xùn)系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，初學(xué)者經(jīng)過(guò)7次練習(xí)后均更加熟練，手術(shù)所需時(shí)間較一開(kāi)始明顯縮短。下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉是頜面外科中一項(xiàng)基礎(chǔ)操作，但如果操作不慎可能會(huì)引起麻醉效果不佳或麻藥入血等問(wèn)題，甚至造成更嚴(yán)重后果。Correa等[10]介紹了一種用于下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉訓(xùn)練的VR系統(tǒng)，可以評(píng)估注射位置和深度是否正確，并且提供近乎真實(shí)的進(jìn)針感覺(jué)反饋。也有學(xué)者將傳統(tǒng)教材與AR技術(shù)相結(jié)合[11]，開(kāi)發(fā)了一本貴金屬高嵌體預(yù)備教材，通過(guò)識(shí)別課本上每一章節(jié)的特殊“標(biāo)識(shí)物”，AR設(shè)備就會(huì)將相應(yīng)的操作過(guò)程以三維圖像的方式呈現(xiàn)在眼前，仿佛老師在眼前演示一樣。2013年，Kikuchi等[12]介紹了一種用于練習(xí)預(yù)備金屬烤瓷冠的VR系統(tǒng)。Llena等[13]對(duì)AR技術(shù)在培訓(xùn)醫(yī)學(xué)生窩洞預(yù)備中的效果和使用滿意度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)僅在一類(lèi)洞的深度和二類(lèi)洞頰、舌向預(yù)備范圍上與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比有差異。彭春等[14]對(duì)VR技術(shù)在口腔正畸進(jìn)修醫(yī)師教學(xué)中的應(yīng)用效果進(jìn)行探討，主要是進(jìn)行虛擬正畸托槽粘貼和排牙培訓(xùn)，通過(guò)培訓(xùn)后進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查和理論成績(jī)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，VR技術(shù)可顯著提高臨床進(jìn)修醫(yī)師的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，利于對(duì)口腔正畸教學(xué)要點(diǎn)的理解，提高口腔正畸臨床操作技能的掌握，有助于口腔正畸臨床進(jìn)修醫(yī)師教學(xué)。

近幾年，伴隨著VR模擬系統(tǒng)在口腔教學(xué)中越來(lái)越多的應(yīng)用，比如大阪大學(xué)的HAP-DENT、伊利諾伊州的Periosim、荷蘭穆格Simodont和北京大學(xué)口腔醫(yī)院的iDental等系統(tǒng)，有諸多學(xué)者對(duì)VR和AR技術(shù)在口腔教學(xué)中的應(yīng)用效果進(jìn)行研究。2015年Wang等[15]對(duì)iDental系統(tǒng)的精確度進(jìn)行評(píng)估，并分別從主觀和客觀上評(píng)價(jià)該系統(tǒng)在模擬牙體預(yù)備這項(xiàng)操作時(shí)的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)還需在該系統(tǒng)中加入頰黏膜和支點(diǎn)才能更真實(shí)地還原口腔內(nèi)操作環(huán)境。Ioannou等[16]對(duì)VR手術(shù)模擬器和動(dòng)物模型的培訓(xùn)效果進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明VR手術(shù)模擬器可以減少培訓(xùn)的成本，并且培訓(xùn)的效果也要優(yōu)于傳統(tǒng)的動(dòng)物模型試驗(yàn)。2016年，英國(guó)的Mirghani等[17]對(duì)Simodont牙科VR模擬器在口腔教學(xué)應(yīng)用中的效果進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)Simodont評(píng)分結(jié)果可以反映出大一與大五學(xué)生的水平差異。

2 術(shù)前設(shè)計(jì)

頜面外科手術(shù)因其特殊的手術(shù)部位，手術(shù)的難度與風(fēng)險(xiǎn)較大，而且患者對(duì)美觀有較高的要求；術(shù)前對(duì)病變情況進(jìn)行充分評(píng)估，可以更好地確定切除范圍，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。VR和AR技術(shù)可以根據(jù)患者的CT或MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，完整呈現(xiàn)病變的位置以及與重要解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，可以幫助醫(yī)生在術(shù)前更好地進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃與方案設(shè)計(jì)；并且，VR技術(shù)憑借其出色的沉浸感和觸覺(jué)反饋設(shè)備，甚至可讓醫(yī)生在術(shù)前模擬手術(shù)，使手術(shù)更加安全、高效。Olsson等[18]運(yùn)用VR技術(shù)模擬游離腓骨肌皮瓣重建下頜骨手術(shù)，可以通過(guò)VR系統(tǒng)在術(shù)前模擬腫瘤切除、腓骨重建方案設(shè)計(jì)及受區(qū)血管選擇，可以減小術(shù)中風(fēng)險(xiǎn)，獲得更好的手術(shù)效果。此外，有學(xué)者將VR技術(shù)應(yīng)用于正畸和阻塞性呼吸暫停低通氣綜合征治療等方面。2016年Medellin-Castillo等[19]介紹了一種具有觸覺(jué)反饋功能的VR系統(tǒng)，可以將二維圖像上的標(biāo)志點(diǎn)準(zhǔn)確還原到三維重建模型上，幫助醫(yī)生準(zhǔn)確確定頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，減少誤差和設(shè)計(jì)時(shí)間；并且，對(duì)需要正頜的患者，該系統(tǒng)還可以設(shè)計(jì)手術(shù)方案。李陽(yáng)等[20]運(yùn)用Dextroscope VR系統(tǒng)，借助CT數(shù)據(jù)進(jìn)行重建與融合，獲得上呼吸道的三維圖像，在三維模型上對(duì)上氣道狹窄的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果，為患者選擇相應(yīng)的手術(shù)方案進(jìn)行治療。結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后上氣道的狹窄部位均明顯擴(kuò)大，各區(qū)段體積至少增大2倍以上，取得了良好的治療效果。VR技術(shù)可以將二維CT、MRI數(shù)據(jù)以三維立體的形式呈現(xiàn)在醫(yī)生的眼前，讓醫(yī)生更加直觀地了解病變信息。

3 術(shù)中導(dǎo)航

傳統(tǒng)術(shù)中導(dǎo)航只能顯示二維圖像，并且術(shù)者需要反復(fù)觀察屏幕與術(shù)區(qū)，這無(wú)疑增添了很多不便。AR技術(shù)憑借其與身邊環(huán)境實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)，可以將術(shù)前設(shè)計(jì)方案或是重要的解剖結(jié)構(gòu)以三維圖像的形式投射在術(shù)區(qū)，使術(shù)者實(shí)現(xiàn)裸眼觀察。2013年，Suenaga等[21]使用3D AR技術(shù)在實(shí)物模型上模擬截骨手術(shù)，以評(píng)估該系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)者裸眼所看到的圖像位置不會(huì)隨觀察的角度而改變，而且圖像與實(shí)物重合的精確度可以達(dá)到1 mm以下。2013年Lin等[22]介紹了一種基于AR技術(shù)的口腔種植系統(tǒng)，并通過(guò)術(shù)后CT數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估術(shù)前虛擬設(shè)計(jì)方案與實(shí)際預(yù)備位點(diǎn)之間的誤差。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，總共完成的40例種植體的位置均在安全范圍內(nèi)，深度和角度上的誤差是可以接受的。2015年，Liu等[23]利用AR技術(shù)在錐形束CT血管造影引導(dǎo)下行機(jī)器人舌癌切除手術(shù)，并與X線透視引導(dǎo)技術(shù)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)切除范圍更理想，并能更好地保護(hù)舌動(dòng)脈等重要組織。雖然，現(xiàn)在大多數(shù)關(guān)于AR技術(shù)在術(shù)中應(yīng)用還停留在實(shí)驗(yàn)階段，但已有學(xué)者嘗試佩戴AR設(shè)備完成正頜手術(shù)，術(shù)中指導(dǎo)上頜骨的截骨和就位。2016年Zhu等[24]運(yùn)用AR技術(shù)在頜面外科手術(shù)中將下牙槽神經(jīng)管的位置投射到術(shù)區(qū)，避免了術(shù)中損傷重要神經(jīng)。臨床中已經(jīng)有20例應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，包括偏突頜畸形、半側(cè)顏面短小和下頜角肥大等患者的整形手術(shù)，所有病例術(shù)后通過(guò)CT驗(yàn)證都取得了滿意的結(jié)果；除1例術(shù)后出現(xiàn)血腫外，其余均未發(fā)生并發(fā)癥。這也為AR技術(shù)在術(shù)中的導(dǎo)航應(yīng)用帶來(lái)了啟發(fā)。

2016年P(guān)rofeta等[25]將AR技術(shù)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù)(SPECT)相結(jié)合用于檢測(cè)頭頸部腫瘤患者淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移與分布的情況，并借助AR技術(shù)來(lái)輔助完成淋巴結(jié)活檢手術(shù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)合了γ探頭(類(lèi)似于傳統(tǒng)放射引導(dǎo)手術(shù))和追蹤系統(tǒng)(類(lèi)似于導(dǎo)航設(shè)備)，為患者注射γ放射性同位素后，立即檢測(cè)頭頸部放射活性的分布情況，并以此來(lái)推斷有無(wú)可疑轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)，最終借助AR技術(shù)以圖像的形式將可疑淋巴結(jié)直接疊加顯示在術(shù)區(qū)，讓醫(yī)生裸眼就可以準(zhǔn)確看到淋巴結(jié)的位置。

4 小結(jié)

目前，已有許多學(xué)者嘗試將AR和VR應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)的各領(lǐng)域當(dāng)中，相較于傳統(tǒng)技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)。①臨床教學(xué)：VR憑借完全沉浸式的特點(diǎn)和觸控設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互反饋，可以為醫(yī)學(xué)生提供逼真的練習(xí)環(huán)境，節(jié)省教學(xué)成本。②術(shù)前設(shè)計(jì)：AR和VR都可以完全真實(shí)的還原患者的病灶位置、與重要解剖結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系等重要信息，不僅可用于設(shè)計(jì)手術(shù)方案，還可以用于與患者術(shù)前溝通，讓患者及家屬更好地了解手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)或預(yù)后情況。③術(shù)中導(dǎo)航：AR憑借其可以與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互的優(yōu)勢(shì)，并且可以裸眼觀察，讓術(shù)者更好地了解病情。所以，AR與VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，VR和AR技術(shù)在醫(yī)學(xué)中也將實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。目前已有學(xué)者完成AR技術(shù)與手術(shù)機(jī)器人結(jié)合完成下頜角切除術(shù)的可行性試驗(yàn)，同一個(gè)標(biāo)本的兩側(cè)下頜角分別通過(guò)機(jī)器人和醫(yī)生完成，對(duì)比發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有明顯差異。VR和AR技術(shù)的應(yīng)用必將為醫(yī)生提供更多的幫助，讓手術(shù)變得更加精準(zhǔn)、客觀和高效，進(jìn)一步提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，使患者和醫(yī)生都能從中獲益。