商冠寧

骨腫瘤學科是骨科學范疇內(nèi)難度最高的亞專業(yè)之一，病種繁雜多樣，手術難度和風險高，術中出血量大且常伴副損傷發(fā)生，青年醫(yī)師學習曲線較長。混合現(xiàn)實技術作為一種新興的數(shù)字化技術，其能夠突破虛擬世界和現(xiàn)實世界的界限，將數(shù)字化數(shù)據(jù)整合至人對于真實世界的感知中，使人獲得模擬的感覺，如視覺、聽覺等，并與之交互[1]。近年來，已有多項研究探索了混合現(xiàn)實技術在不同骨科亞專業(yè)手術規(guī)劃中的應用價值。本文將著重闡述混合現(xiàn)實技術在骨腫瘤患者圍手術期中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景，以提高骨腫瘤科?？漆t(yī)師對混合現(xiàn)實技術在骨腫瘤領域應用的認知和掌握。

1 混合現(xiàn)實技術及應用

1.1 混合現(xiàn)實技術 隨著計算機技術的進步，數(shù)字醫(yī)學也隨之迅速發(fā)展，混合現(xiàn)實(Mixed Reality, MR)技術是繼虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)技術、增強現(xiàn)實(Augmented Reality, AR)技術之后出現(xiàn)的全新數(shù)字化全息成像技術，因其廣闊的應用前景而受到醫(yī)學界的廣泛關注[2-3]。MR技術是在AR技術的基礎上發(fā)展而來，通過將術前影像(CT或MRI)產(chǎn)生的三維虛擬模型與實際物體相結合產(chǎn)生立體圖像，與AR技術虛擬圖像簡單地疊加到真實環(huán)境不同，使用MR設備能夠實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬環(huán)境的實時交互[4]。MR技術因其能夠打破虛擬世界與現(xiàn)實世界的屏障，并且融合了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實功能，從而能夠強化模擬手術的真實感并提高手術的精確性，實現(xiàn)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實世界的實時交互，在醫(yī)學領域得到了廣泛的應用。尤其在骨科學領域，已經(jīng)在臨床教學及培訓、醫(yī)患溝通、術前規(guī)劃、手術模擬操作、術中導航、術后個性化康復等方面取得了一定進展[5-6]。

1.2 混合現(xiàn)實技術在骨腫瘤外科手術中的應用

骨腫瘤外科由于解剖結構復雜、個體差異較大,手術中容易損傷腫瘤毗鄰的重要血管和神經(jīng)，對操作的精準程度要求較高；同時對各種修復重建材料與患者匹配精確程度要求較高，手術難度較大。目前，三維重建技術、3D打印技術、計算機輔助導航技術等輔助手段在骨腫瘤外科手術中得到了應用，提高了手術的安全性和精準性[7-8]。MR技術通過現(xiàn)實與虛擬世界的深度擬合、三維虛擬模型與真實世界的精準匹配、環(huán)境與使用者的實時交互而具備了既往數(shù)字化技術所不具備的優(yōu)勢，有可能成為骨腫瘤精準化外科治療的有效輔助手段。

2 混合現(xiàn)實技術的臨床應用

2.1 教學應用 MR技術作為在三維應用的基礎上結合形成的新技術，通過現(xiàn)實與虛擬世界的聯(lián)系快速地進行信息交換，增強體驗的真實感。MR技術的面世推動教育信息化時代的發(fā)展，智慧學習環(huán)境的形成，也使醫(yī)學教育更加數(shù)字化、智能化、精準化[9]。MR技術的三個基本屬性決定了它在臨床教學應用中的得天獨厚的優(yōu)勢：沉浸感、交互性和想象性。MR技術相比較于傳統(tǒng)教學模式更能提高學員的學習興趣，增強三維空間想象能力，有助于學員更好地了解人體解剖的三維結構，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。通過MR技術對骨腫瘤診療全流程的精準化展示，將骨腫瘤的治療流程以三維立體的空間結構直觀地表現(xiàn)出來，有助于增強學員對骨腫瘤治療方案和手術過程的理解，提高畢業(yè)后培訓教學質量，從根本上解決骨與軟組織腫瘤科青年醫(yī)生培養(yǎng)周期長，培養(yǎng)難度大的問題。

2.2 術前醫(yī)患溝通 由于骨科手術涉及的解剖結構復雜性和手術技術專業(yè)性，患者及其家屬對疾病認識的局限性，患者通常難以理解復雜的病情和治療方案。同時由于醫(yī)患溝通的不充分，患者及家屬經(jīng)常無法充分理解骨腫瘤的手術方案及康復理念。根據(jù)骨腫瘤患者的個性數(shù)據(jù)，利用MR技術進行建模，佩戴MR眼鏡，在醫(yī)生的解釋下，患者及其家屬可以360度全方位地看到病變的狀態(tài)、位置、大小以及與鄰近器官的關系，而不僅僅是閱讀難以理解的文字報告[10-11]。應用混合現(xiàn)實技術可以簡單、準確、順暢地進行醫(yī)患手術治療方案溝通，使患者對手術風險和手術方案的細節(jié)有了更深入的了解，能夠使醫(yī)生與患者之間更好的交流。結合醫(yī)生的互動解釋和虛擬操作，患者及患者家屬通?？梢詼蚀_、生動地了解局部解剖結構、治療方法和手術程序，使其能夠更清晰、更直觀地了解治療方案，加深患者對自身病情和手術潛在風險的理解。解決醫(yī)生和患者及家屬專業(yè)知識不對稱和醫(yī)患信任危機等問題，使溝通過程變得簡單、有效，提高患者對于治療的配合度與依從性，并且有效避免醫(yī)患潛在矛盾的發(fā)生。

2.3 手術規(guī)劃 骨腫瘤由于病種繁多、解剖變異復雜，手術切除及修復重建均極具挑戰(zhàn)。以往醫(yī)師對于患者疾病信息的獲取通常依賴X線平片、CT、MRI等影像學檢查結果，手術方案的制定更多的依賴于術者的臨床經(jīng)驗以及對解剖結構和疾病的熟知，面對術中突發(fā)狀況更多的考驗術者臨場應變能力。而由于骨科手術相對復雜的解剖情況，疾病周圍的血管神經(jīng)結構關系難以完整精確地還原和再現(xiàn)[12]。

MR技術可以將CT、MRI等影像學數(shù)據(jù)進行處理，通過MR設備將復雜的病變情況三維立體地呈現(xiàn)在術者面前，手術醫(yī)生可以直觀地感受腫瘤的情況、缺損的大小及形態(tài)，制定最佳手術入路，設計完美手術計劃，并可進行術前模擬手術等操作。在術前借助MR技術模擬手術，有助于最優(yōu)化手術入路的選擇及降低高難度步驟的風險，優(yōu)化手術方案。模擬手術進行三維重建能夠直觀、立體地展現(xiàn)病變部位及毗鄰關系，并可進行三維立體測量，方便醫(yī)師制定相應手術方案，進行仿真手術以及模擬置入物置放，使醫(yī)師充分了解手術的技術難點及操作細節(jié)，降低手術風險，減少副損傷和并發(fā)癥，提高骨科手術精準化程度，使治療方案變得更加精準、高效。

2.4 術中精準定位 MR技術作為VR技術和AR技術的進一步發(fā)展，使復雜的、高風險的手術變得準確、安全，在輔助醫(yī)師定位病灶、確定切除范圍、保護周圍重要的血管神經(jīng)等方面具有顯著的臨床意義及應用價值，從而大幅度提高手術精確性并降低手術風險。MR技術可以為術中可視化，提供了更多的控制自由，又由于數(shù)據(jù)可以由用戶隨時操作，因此手術醫(yī)生不需要進行術前校準[13]。類似于AR技術，MR技術可以使外科醫(yī)生在保證無菌條件的同時訪問患者數(shù)據(jù)，從而減少了患者和外科醫(yī)生的輻射暴露。MR技術將虛擬模型與真實場景相結合，為精密手術的可視化制導創(chuàng)造了一種新的模式。利用該技術，醫(yī)生可以全面觀察病變細節(jié)，深入挖掘圖像信息，術中從而實現(xiàn)病變的精確定位，降低手術風險。術中精準定位有助于優(yōu)化手術方式，提高了骨腫瘤手術成功率及個性化精準重建，更能滿足骨腫瘤外科治療的精確化、個性化需求。

2.5 新輔助治療評效 對于化療/放療敏感的惡性骨腫瘤患者，在行新輔助治療前后通過影像學資料數(shù)據(jù)使用MR技術計算腫瘤體積來評估化療的作用更加精準。將新輔助治療前后的影像學資料收集、數(shù)據(jù)處理、分析、集成和輸出，進而進行個體化、精準的混合現(xiàn)實技術建模，將兩者的三維成像進行對比，可有效評估化療療效[14]。利用MR技術可以更精準地重建腫瘤與周圍組織，清晰地展示腫瘤與重要血管、神經(jīng)的解剖關系，準確地計算腫瘤體積，為后續(xù)手術提供參考。

3 混合現(xiàn)實技術的優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點 MR技術具有的現(xiàn)實世界與虛擬世界的深度擬合、三維虛擬模型與真實世界的精準匹配、環(huán)境與使用者的實時交互特征，使得MR技術在未來的醫(yī)學領域具有廣闊的前景。和3D打印相比，在獲取影像學數(shù)據(jù)后MR圖像的制作速度也相對迅速，而且MR圖像還可以進行各種放大、渲染、選擇性濾過等操作，對疾病的觀察更加細致。相較于VR技術，MR技術能夠保留真實世界的視野，使手術的安全性和準確性得到很大程度的提高，目前MR技術系統(tǒng)在國內(nèi)外醫(yī)學領域的應用才剛剛起步，但是其與臨床教學、醫(yī)患溝通、手術規(guī)劃、手術模擬操作、術中導航、術后康復鍛煉的結合日趨緊密，未來可結合大數(shù)據(jù)，根據(jù)患者資料建立MR數(shù)據(jù)庫，精確測量相關數(shù)據(jù)，反復模擬手術，制定最佳手術方案，實現(xiàn)外科手術的精準化、規(guī)范化治療；對于疑難病例可利用MR技術進行病情模擬制作后用于遠程會診，同時也能夠保證外科手術操作個體化。

3.2 缺點 當前,混合現(xiàn)實技術等數(shù)字化技術飛速發(fā)展,與醫(yī)學有機融合,為臨床診療模式帶來了革命性的改變,降低了對經(jīng)驗與想象力的依賴,為手術提供了三維精準數(shù)字化的科學依據(jù)，但目前還有一些亟待解決的問題。由于MR技術設備高昂的成本，現(xiàn)階段并不能廣泛應用；佩戴智能眼鏡會出現(xiàn)不適和疼痛，有可能不利于手術醫(yī)生工作；目前技術還不能完美實現(xiàn)及時實時互動，圖像處理需要時間，因此延遲是不可避免的；與骨骼建模相比，軟組織的信號強度變化很大，對于小血管和某些軟組織難以重建，在后處理階段需要大量的人工干預。尤其對于較復雜的手術，應用時容易出現(xiàn)圖像與實際分離的現(xiàn)象,還沒有很好的注冊方法能夠實現(xiàn)將虛擬模型與患者完全吻合;其次,伴有軟組織腫塊時,周圍受累組織難以精確重建；重建模型與真實視野重疊時可能會影響術者的視野,在手術操作時仍需高度警惕,避免不必要的副損傷。

4 展望

近年來，數(shù)字化骨科技術已經(jīng)成為骨腫瘤的基礎研究及精準化診療基石。隨著數(shù)字化骨科技術在骨腫瘤治療中的應用，個性化、微創(chuàng)化、精準化、智能化已經(jīng)成為骨腫瘤診療模式發(fā)展的方向。MR技術的虛擬三維立體影像可以從不同的角度不受限制地查看病變區(qū)域的骨骼、周圍神經(jīng)和血管組織，為骨腫瘤外科診療提供了一種全新的視角，MR技術的未來發(fā)展將極大地推進新時代醫(yī)學的創(chuàng)新。