伍聰 周舟 賀民 劉艷輝

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR），也稱為VR技術(shù)，是指由計(jì)算機(jī)生成的可由人探索和互動(dòng)的三維模擬仿真環(huán)境的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)借助計(jì)算機(jī)交互式硬件和軟件的應(yīng)用，通過(guò)模擬人的視、聽、觸覺(jué)等，使人能夠沉浸在模擬的虛擬仿真環(huán)境里，并且能夠操縱物體或執(zhí)行一系列動(dòng)作，從而與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，能夠使用戶達(dá)到身臨其境的效果[1-2]。VR技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)被成功應(yīng)用在各個(gè)不同的領(lǐng)域中。虛擬人體、實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院也都相繼出現(xiàn)，對(duì)醫(yī)療行業(yè)的整體發(fā)展起到了重要價(jià)值[3-5]。就神經(jīng)外科而言，涉及到的很多知識(shí)點(diǎn)都復(fù)雜且抽象，而且神經(jīng)外科手術(shù)操作風(fēng)險(xiǎn)巨大，無(wú)法讓學(xué)員過(guò)早進(jìn)行實(shí)踐操作，這在一定程度上影響到了醫(yī)師的成長(zhǎng)。而VR技術(shù)的應(yīng)用，則可以開辟新的培訓(xùn)方式，讓學(xué)員“沉浸式”的學(xué)習(xí)，并且模擬手術(shù)操作流程，增加神經(jīng)外科教學(xué)的效率。

1 當(dāng)前神經(jīng)外科醫(yī)師培訓(xùn)的面臨的問(wèn)題分析

神經(jīng)外科近幾年來(lái)已經(jīng)得到了較好的發(fā)展，特別是對(duì)神經(jīng)解剖的理解和手術(shù)顯微鏡的廣泛應(yīng)用大大地降低了手術(shù)的并發(fā)癥、提高了疾病的治療效果。與此同時(shí)，手術(shù)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)神經(jīng)外科醫(yī)師提出了更大的挑戰(zhàn)。要求術(shù)者對(duì)解剖有深刻的理解，同時(shí)需要輕柔操作、精細(xì)解剖，增加了神經(jīng)外科手術(shù)教學(xué)的難度。

就當(dāng)前神經(jīng)外科醫(yī)師普遍的培訓(xùn)情況看，都是以圖譜、動(dòng)物、人體標(biāo)本以及現(xiàn)場(chǎng)觀摩等方式完成。這些方式都存在不同程度的缺陷：圖譜沒(méi)有立體感，模型不夠真實(shí)；動(dòng)物和人體必定存在差異；人體標(biāo)本的稀有珍貴，無(wú)法重復(fù)操作，同時(shí)人體標(biāo)本本身可能存在解剖的生理變異，學(xué)生解剖的單一標(biāo)本并不能代表普遍的正常解剖狀態(tài)；更重要的是，很難期望人體標(biāo)本同時(shí)伴有神經(jīng)外科相關(guān)病變；而手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)觀摩和資深醫(yī)師的帶教都無(wú)法讓接受培訓(xùn)的學(xué)生積累實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，增加患者發(fā)生并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)[3，6]。導(dǎo)致在實(shí)際培訓(xùn)當(dāng)中形成了技術(shù)和需求方面的反差。在神經(jīng)外科醫(yī)師培訓(xùn)過(guò)程中采用新的技術(shù)方法也成為不少學(xué)者都關(guān)注的問(wèn)題。作為一種新的教學(xué)方法，VR技術(shù)可以讓接受培訓(xùn)的學(xué)生在虛擬的情況下接受相關(guān)的操作，這樣不會(huì)對(duì)患者的身體健康產(chǎn)生損害，同時(shí)也可以幫助操作者促進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的積累以及熟練度的提升，可以成為醫(yī)學(xué)教育當(dāng)中不可缺少的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)。

2 華西醫(yī)院神經(jīng)外科虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)的設(shè)備和現(xiàn)狀

華西醫(yī)院臨床技能中心于2017年引進(jìn)美國(guó)Surgical Theater公司educational SuRgical Planner（eSRP）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，開展神經(jīng)外科虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)活動(dòng)。該系統(tǒng)主要包括電腦主機(jī)硬件、可觸控屏幕、動(dòng)作感應(yīng)器、VR眼鏡、VR手柄等設(shè)備?？筛鶕?jù)患者CT、MRI等影像學(xué)資料，重建虛擬頭部結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖像切割、旋轉(zhuǎn)、延展擴(kuò)大等操作開展教學(xué)活動(dòng)。該系預(yù)存了數(shù)個(gè)教學(xué)案例可供選擇，包括根據(jù)DSA重建的顱內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng)；根據(jù)CT腦血管成像重建的頸內(nèi)動(dòng)脈床突旁動(dòng)脈瘤、后交通動(dòng)脈瘤、大腦中動(dòng)脈瘤案例；根據(jù)頭部增強(qiáng)CT重建的腦血管畸形案例、鞍區(qū)占位病變的案例等。另外，該系統(tǒng)可通過(guò)VR手柄的按鍵操作，選擇將手柄在虛擬圖像中演示成為吸引器、顯微剝離子、顯微刮匙、動(dòng)脈瘤持夾鉗等常規(guī)手術(shù)器械。其中，動(dòng)脈瘤持夾鉗還可搭配選擇各種形態(tài)大小的動(dòng)脈瘤夾，包括各種型號(hào)的直頭、彎頭、直角、套環(huán)動(dòng)脈瘤夾等，并且可以模擬動(dòng)脈瘤夾釋放和調(diào)整的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

我院神經(jīng)外科利用該系統(tǒng)常規(guī)開展針對(duì)各階段醫(yī)師的臨床技能教學(xué)活動(dòng)。學(xué)員主要是本科實(shí)習(xí)生、研究生、規(guī)范化醫(yī)師培訓(xùn)學(xué)員和?？漆t(yī)師培訓(xùn)學(xué)員等。下文將根據(jù)我科VR教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科醫(yī)生培訓(xùn)中的應(yīng)用類型，分析各種應(yīng)用類型的特點(diǎn)，并提出今后需要改進(jìn)的方向。

3 神經(jīng)外科醫(yī)師培訓(xùn)當(dāng)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用類型和特點(diǎn)

3.1 神經(jīng)解剖教學(xué)當(dāng)中VR技術(shù)的應(yīng)用

美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館在1986年時(shí)提出了可視化人體計(jì)劃（visible human project，VHP），之后有專門的機(jī)構(gòu)針對(duì)尸體采集影像數(shù)據(jù)?？梢哉f(shuō)是VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域開展的前身。近幾十年來(lái)，我國(guó)也都相繼開展了VHP相關(guān)的研究[6]。我國(guó)廣州和德國(guó)大學(xué)開展合作，提高了項(xiàng)目的精度和質(zhì)量[7]。數(shù)字信息重建技術(shù)可以對(duì)人體解剖標(biāo)本進(jìn)行虛擬重建，讓學(xué)生從不同的角度和層面完成切割和觀察。學(xué)生借助于VR技術(shù)可以對(duì)解剖形態(tài)進(jìn)行依次觀察，也可以從不同平面觀察器官周圍的關(guān)系。例如，我們采用的VR系統(tǒng)，可根據(jù)CT頭部血管三維重建掃描的數(shù)據(jù)，利用VR技術(shù)重建顱底骨質(zhì)及顱內(nèi)血管走形。在對(duì)于頸內(nèi)動(dòng)脈床突旁動(dòng)脈瘤手術(shù)解剖教學(xué)中，學(xué)生利用VR眼鏡及手柄等設(shè)備，可以將自己的視點(diǎn)設(shè)置于顱內(nèi)任何位置，同時(shí)還能擴(kuò)大、旋轉(zhuǎn)三維圖像，在視點(diǎn)確認(rèn)后，學(xué)生可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)自己頭部從各個(gè)角度觀察解剖結(jié)構(gòu)。在VR虛擬頭顱環(huán)境下，學(xué)生可以真切地“沉浸”在重建的三維解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)，更便于認(rèn)識(shí)頸內(nèi)動(dòng)脈走形、動(dòng)脈瘤朝向、動(dòng)脈瘤與前床突的解剖關(guān)系。

3.2 術(shù)前計(jì)劃教學(xué)當(dāng)中VR技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于剛進(jìn)入工作崗位的神經(jīng)外科醫(yī)生而言，在掌握了相關(guān)解剖知識(shí)之后，下一步就需要進(jìn)行病變的術(shù)前定位、選擇手術(shù)入路進(jìn)而設(shè)計(jì)手術(shù)切口。神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)病變通常被重要的功能性解剖結(jié)構(gòu)包裹，而顱骨的內(nèi)腔又相對(duì)固定，手術(shù)空間狹窄。如何通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)自然解剖間隙、避免對(duì)重要功能結(jié)構(gòu)的干擾，同時(shí)又能最簡(jiǎn)潔的到達(dá)病變部位，是術(shù)前計(jì)劃的重點(diǎn)和難點(diǎn)。VR技術(shù)可以對(duì)患者的影像學(xué)資料進(jìn)行充分融合，建立特殊的虛擬模型，對(duì)病變組織的形態(tài)進(jìn)行全方位的顯示；還可以和術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，確定病變位置[7-9]；同時(shí)還能通過(guò)切割、旋轉(zhuǎn)等方式來(lái)選擇最佳手術(shù)途徑，制定相應(yīng)的手術(shù)計(jì)劃；也能夠在術(shù)前，進(jìn)行手術(shù)步驟預(yù)演，使手術(shù)醫(yī)生能過(guò)確定每一步手術(shù)操作的要點(diǎn)和難點(diǎn)。例如，在VR模擬經(jīng)蝶垂體瘤切除手術(shù)計(jì)劃中，可以將VR手柄調(diào)成顯微刮匙模式，這樣可以預(yù)先比較不同大小型號(hào)的刮匙，對(duì)腫瘤側(cè)方頸內(nèi)動(dòng)脈的干擾程度，從而降低在實(shí)際手術(shù)操作中因刮匙損傷頸內(nèi)動(dòng)脈的風(fēng)險(xiǎn)。上述特點(diǎn)使得VR技術(shù)在神經(jīng)外科術(shù)前計(jì)劃教學(xué)中能發(fā)揮重要的作用。

3.3 手術(shù)操作教學(xué)當(dāng)中VR技術(shù)的應(yīng)用

VR技術(shù)構(gòu)建起虛擬手術(shù)環(huán)境，允許醫(yī)師采用虛擬的器械完成學(xué)習(xí)，提高手術(shù)操作的技能和水平[10-12]。我院采用的eSRP虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（Surgical Theater公司，美國(guó)）可以通過(guò)VR手柄選擇各種顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾，并模擬動(dòng)脈瘤夾釋放的過(guò)程。學(xué)員在操作演練時(shí)，可以選擇不同形狀、大小的動(dòng)脈瘤夾。還可以嘗試從不同角度、深淺反復(fù)調(diào)整動(dòng)脈瘤夾的位置。這些操作是不可能讓學(xué)員在實(shí)際手術(shù)中完成，對(duì)學(xué)員掌握動(dòng)脈瘤夾閉手術(shù)技巧有重要的幫助作用。

但是，目前使用的VR系統(tǒng)大多局限于視覺(jué)的“沉浸”式體驗(yàn)，對(duì)于手術(shù)操中觸覺(jué)的反饋仍然不足。手柄只能模擬各種手術(shù)器械的外形，無(wú)法給與操作者觸覺(jué)和手感反饋，特別是腦組織的韌性、腦脊液流動(dòng)、腦動(dòng)脈的牽拉程度等。另外，目前VR系統(tǒng)無(wú)法模擬手術(shù)中可能發(fā)生的突發(fā)情況。例如，夾閉動(dòng)脈瘤過(guò)程中，因過(guò)度牽拉引起了動(dòng)脈瘤破裂出血等。這些方面將是VR技術(shù)未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)和方向。

4 總結(jié)與展望

當(dāng)前神經(jīng)外科技術(shù)得到了快速發(fā)展，醫(yī)生必須要及時(shí)掌握新的技能和方法，借助于安全和逼真的手術(shù)技能訓(xùn)練場(chǎng)景，可以幫助其更好的適應(yīng)實(shí)際手術(shù)環(huán)境。而VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以為醫(yī)生提供逼真的虛擬環(huán)境，讓其對(duì)病理解剖、手術(shù)演練等更加了解，通過(guò)實(shí)際的參與性操作來(lái)積累更多的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中也存在不足之處，仍然無(wú)法完全取代傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式，特別是缺乏手術(shù)操作中觸覺(jué)和手感反饋，還需要補(bǔ)充制作與其相匹配的訓(xùn)練工具。但今后隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，VR技術(shù)必將在神經(jīng)外科培訓(xùn)和教育領(lǐng)域發(fā)揮更廣泛而重要的作用。