舒伟 李勇杰 朱宏伟 陶蔚
北京市功能神经外科研究所
首都医科大学宣武医院功能神经外科
计算机信息技术的迅猛发展正在改变现代教育，而虚拟现实（Virtual reality，VR）作为新一代人机交互技术，有望成为未来的教育标准工具。本世纪初，VR开始用于医疗教学，借助电子信息设备的微型化和移动化，该技术得到了进一步推广。本文旨在介绍总结VR在神经外科教学中的应用。
1 VR简介
VR以计算机图形系统、交互传感设备以及显示系统为基础，创建三维虚拟环境，引导用户沉浸其中，并可与虚拟事物进行互动，产生强烈的“临场感”。它是新一代的人机交互技术，旨在扩展人类智能，提高认知水平。VR技术起初用于航空和军事行业，因为航空员、军人都需要充分的训练以应对富有挑战的工作。外科手术与航空、战争有类似之处，环境复杂易变，需要人员具备高熟练度的技能来应对，但又不可能在实战中练习，因此，VR也被引入到医学教育中来。得益于三维图像渲染技术和智能移动设备的进步，VR已经能够让用户体验到逼真的感观刺激和自然的交互。市场也相对成熟，目前已推出多款成熟、消费级的VR产品，如：Oculus Rift、PS VR和HTC vivo等。医师借助该类技术能够沉浸到虚拟媒介当中训练临床技能，体会到“真实的临床感”，甚至还会出现与虚拟场景相对应的心理和躯体反应。
2 神经外科的特点及教学中的难点
随着中国经济的发展，人们对手术疗效的期望亦越来越高，这就要求医生需要具备更熟练、高超的手术技术。外科学是一门实践科学，要求医生进行高强度的训练以提高熟练程度，减少失误。传统的外科医生培养制度很大程度上源于William Halsted在1989年于霍普金斯大学医学院创建的学徒制度。一名医生需要经历基础理论教学（如解剖、生理、病理等），然后进入临床见习、实习及轮转，最后进入专科培训。该过程耗时、费力，培养费用高。中国作为一幅员辽阔、经济水平参差不齐的发展中国家，各地区的医疗器械、培训设备也存在着较大的差异，教学水准难以统一。神经外科作为一门亚专科，开展手术操作培训的难度就更大。如何进行规范化培训以达到统一、均质的教学水平，是目前神经外科教学的难题。
近三十年，神经科学方兴未艾，神经外科手术应用的新设备、新器械不断涌现，功能也越来越复杂，如术中影像导航、手术机器人和3D打印技术等。这些既为神经外科医生提供了新工具，也给他们带来了如何快速、熟练掌握新技术、新技能的压力。以功能神经外科中的脑深部电刺激术、功能区癫痫病灶切除术为例，这些手术与传统的脑肿瘤切除手术不同，医生肉眼不能分辨出手术靶点和病灶，必须依靠术中电生理监测、功能磁共振等新技术提供辅助信息。如果医生不能将这些信息与解剖生理有机结合，手术失败的可能性将会大大增加。怎样培训才让医师更好地掌握并熟练运用新技术？这一问题也成为神经外科培训的热点。计算机科学的进步带来了VR技术，通过创建安全、逼真的虚拟手术训练场景来为神经外科医师培训提供了新思路。
3 VR在神经外科临床教学中的应用
3.1 病理解剖教学
尸体解剖是外科学教育的传统方法。通过尸体解剖，神外医学生及住院医师能够体验切皮、开颅、切割脑组织的全过程。然而人体解剖标本不仅数量稀少，难以重复操作，而且存在病理变异，不能够用于重复教学及演示特定疾病模型。动物模型可替代人体标本使用，但由于伦理学的限制，也难以大规模使用。近期流行的3D打印技术能够复制出个体化、逼真的脊柱、颅脑模型，但尚缺乏合适的打印材料，费用也过高。
1986年，美国国家医学图书馆提出了“可视人计划”（Visible human project，VHP），随后相关机构对尸体进行了影像数据采集，为VR技术进入人体解剖领域奠定了基础。近30年，中国、韩国、德国陆续开展“虚拟可视人”的研究。中国广州的虚拟中国人项目和德国汉堡大学的VOXEL-MAN项目在质量、精度上较前均有所提高。数字信息重建的虚拟人体解剖标本，能够从不同角度、平面进行切割观察。用户既可以依次剥离观察解剖形态，也能够从不同平面观察器官毗邻关系。虚拟人体解剖不仅能突破时间、空间的限制，还可以制作出各种的病理生理模型。临床教师可以通过改变相关参数，生成特定病理模型。通过这些模型，医师便可以更直观的理解不同类型的病理解剖。神经外科中的立体定向手术需要根据患者症状选择对应的神经核团作为手术靶点，而如何理解脑深部核团的三维解剖及毗邻关系一直是教学中的重点和难点。崔高宇等人采用Medview软件对基底节区的尾状核、壳核、苍白球、丘脑以及邻近结构（视神经、红核、黑质）进行三维重建，有益于医师理解整个基底节区的结构［1］。
3.2 术前计划教学
VR技术能够重建个体化的病理解剖，同时还可以对虚拟模型进行旋转、切割以制定手术计划。神经系统病变，尤其是颅底肿瘤，往往侵袭广泛，而相对固定的颅腔则限制了手术操作的空间，阻碍手术医生完全切除肿瘤。术前对手术入路的解剖、病变结构的毗邻关系进行仔细分析是完整切除病变组织、提高手术安全性的保障。低年资医师很难通过简单的二维图谱理解复杂的三维颅脑解剖，术中也就不能顺利地配合上级医师完成手术。VR能够融合患者的影像资料，如CT、MRI、CTA、DSA……等，结合不同检查的特性，从而建立特定患者的病理模型，全方位显示病变组织的解剖形态、毗邻组织的空间关系以及手术入路的相关结构。医师能旋转、切割重建的虚拟结构，从实际手术难以达到的角度和方向观察病变，从而制定手术计划、预判手术步骤，并在术中体会病理解剖。三叉神经微血管减压手术治疗三叉神经痛失败的主要原因之一便是遗漏了神经根腹侧的责任血管，导致减压不充分。Staoh.T采用VR技术融合脑池和血管信息，术前从各个角度观察三叉神经根－血管复合体结构，为提前判断责任血管提供了帮助［2］。陈永严等人则融合患者术前资料重建VR环境制定手术计划，在后期手术中也验证了虚拟结构与实际解剖结构之间的高度吻合［3］。
3.3 手术演练
VR将外科手术模拟器和计算机技术结合在一起，搭建虚拟手术环境。虽然在新鲜尸体上进行训练是外科教学的“金标准”，但其操作环境与真实手术仍存在较大差异，许多重要细节难以重现，如：血管的搏动、脑脊液的流动、脑组织的韧度等。目前随着变形仿真、交互切割、力反馈和实时显示等多种技术的研发，VR中的仿真人体器官于虚拟操作之间能够产生对应的变化，展现逼真的手术效果。医生通过视觉、听觉和触觉等方式感知到虚拟环境，沉浸其中，使用虚拟器械练习，观察组织器官的变化，体验、学习应对临床手术中出现的各种情况，锻炼手术技能。此外，虚拟手术系统还能够建立专家手术系统，根据不同病例规划手术方案并创建相应的手术场景，可节省培训费用和时间，降低后期真实手术的风险，提高手术成功率。2000年，Kockro率先应用VR进行手术演练，并逐步应用在神经外科教学培训中。早期的VR缺少触觉反馈，后期研发的设备为VR添加了触觉反馈和声效，让医师操作更加真实，配合胎盘等富血供的组织能够更逼真地模拟手术场景。该类系统多通过电磁系统检测用户动作，投射相关图像，复制不同组织的触感。国内汤可等人以尸头标本建模，构建以岩骨三维模型为基础的VR系统，在标本盒中模拟经颞下入路的手术操作，认为通过VR演练手术有助于提高手术成功率［4］。国际上一系列研究也表明VR能够提升神经外科穿刺类技能的培训效率，尤其适用于各种以任务为导向的场景，包括脑室腹腔分流、椎弓根钉置入和椎体成形手术［5－6］。
3.4 术中教学
VR技术能够帮助医生在手术中远程交流，寻求专家指导，尤其适用于依赖视频传输的手术，如内镜、血管介入治疗和显微外科。短期外科培训班虽然能够提高医师的理论水平，但由于缺乏实地操作，它还不能有效提高医师的操作技能。同时，由于法律法规和医疗安全的限制，进修和住院医师不太可能在参观学习的医院练习手术操作，因此他们很难熟练掌握某项新技术。当缺乏经验的医师返回所在医院开展新工作时，遭遇特殊情况便会不知所措，甚至导致手术失败。如果他们在手术中能与资深专家同步交流、接受现场指导，手术失败的可能性就大大降低了。随着信息技术的进步，部分VR系统仅需要常见的电子设备即可搭建。美国和越南的医生就使用IPAD搭建VR系统，通过3G网络实时传输高清图像，接收远程技术指导和手术演示，成功地完成了脑室内镜手术［7］。
VR技术可以多角度录制手术，并经互联网进行直播，从而突破了空间的限制让更多受众有了学习的机会。由于手术室空间和无菌环境的限制，参观手术的医师数量有限。即便进入手术室，参观医生也需要与手术台保持一定距离，难以观察到手术细节。摄像可以传递比较清晰的手术视频，但也仅限于单一视角，信息量有限，不能反映手术全貌。VR技术则能够多角度采集影像数据，实时上传网络直播。初，Shafi Ahmed医生采用VR技术直播肿瘤切除术，来自100多个国家的13000名医疗工作者同时在线观看。这些医生通过手机及VR头盔便能够自由的从不同视角、不同距离观察、学习手术操作，如同亲临现场，甚至还可以通过回放来分别观察主刀、助手的操作。
4 总结
随着神经外科不断进步，医生需要不断地演练以熟练掌握新技术、新方法。通过高拟真、安全的手术技能练习场景，VR能够让医生更全面的观察病理解剖、演练手术，从而熟悉操作、积累处理突发事件的经验。在真实手术中，VR能够帮助医生跨越空间的限制进行交流互动，从而实现远程诊疗、指导手术和手术演示教学。VR也还存在一些不足，尚不能代替经典的神经外科训练。VR训练仍需要补充制作相关手术训练工具，如吸引器、电凝、动脉瘤夹等；同时，该系统还需要提升手术操作模拟的精细程度，如磨钻削磨皮质骨和松质骨的触感。但我们相信随着VR技术进步，其最终能够完美重现人体组织和手术场景，在医师培训、继续教育等方面发挥更多的作用。
参考文献
［1］崔高宇, 张绍祥, 刘正津,等. 基于CVH的基底神经核区三维重建和虚拟现实研究[J]. 立体定向和功能性神经外科杂志, , 18(2):65-68.
[2] Satoh, T. Preoperative simulation for microvascular decompression in patients with idiopathic trigeminal neuralgia: visualization with three-dimensional magnetic resonance cisternogram and angiogram fusion imaging [J]. Neurosurgery, , 60(1): 104-113; discussion 113-104.
[3] 陈永严, 刘宏毅, 邹元杰,等. Dextroscope虚拟现实手术规划系统在神经外科的应用[J]. 中国临床神经外科杂志, , 5(4):172-173.
[4] 汤可, 李阳, 周敬安,等. 经颞下入路磨除岩骨虚拟现实模拟研究[J]. 中国现代神经疾病杂志, , 12(6):736-740.
[5] Kockro, R. A. Planning and simulation of neurosurgery in a virtual reality environment [J]. Neurosurgery ,2000, 46(1): 118-135; discussion 135-117.
[6] Banerjee, P. P. Accuracy of ventriculostomy catheter placement using a head- and hand-tracked high-resolution virtual reality simulator with haptic feedback [J]. J Neurosurg, , 107(3): 515-521.
[7] Davis, M. C. Virtual Interactive Presence in Global Surgical Education: International Collaboration Through Augmented Reality [J]. World Neurosurgery, (86):103-111.
