引用本文： 陳哲, 姜維良. 混合現實技術在血管外科中的應用進展. 中國普外基礎與臨床雜志, 2021, 28(6): 837-840. doi: 10.7507/1007-9424.202009024 復制
隨著人工智能與機器人技術的飛速發展，我們在游戲、工業、醫療、教育等行業中越來越多地看見以虛擬現實技術（virtual reality，VR）為代表的身影。VR 與醫療結合能使醫學教育的標準化得到有效提高，為醫療人才培養周期的縮短、培養成本的降低和醫療供給的釋放提供了有效途徑[1]。在 20 世紀末，“智能硬件之父”多倫多大學教授 Steve Mann 為了在增強自身視覺效果的同時，不影響眼睛對周圍環境的觀察，設計出可穿戴智能硬件，奠定了混合現實技術（mixed reality，MR）的研究基礎。隨著 MR 基礎研究的不斷嘗試，該項技術已在諸如機械制造、娛樂、古跡修復、教育等行業展開應用。近年來，MR 在醫學領域的發展也越來越受到關注，其中顱底外科、骨外科、心胸外科、神經外科、整形美容等學科都對其開展了研究和應用，并取得了良好效果[2-4]。國內將該技術應用于手術過程的研究報道也在逐年增多，孫濤等[5]將 MR 應用到乳腺腫瘤的術前規劃中并取得成功，證實 MR 在乳腺外科精準手術治療中有極大的應用前景。MR 作為新一代全息數字影像技術，在血管外科的探索與應用尚處在起步階段，但已經展現出誘人的前景。MR 的出現，將給血管外科手術導航、臨床教育、醫患溝通、醫學研究等領域帶來顛覆式的變化。
1 MR
MR 是在對 VR 和增強現實技術（augmented reality，AR）的研究基礎上誕生的新一代全息數字影像技術。該技術最核心的特性是實現了真實物理世界與虛擬數字世界的交互。該技術具有現實與虛擬世界共存、精確的匹配融合和實時交互性3 個主要特征。MR 技術利用計算機處理二維數據，重建出直觀立體的三維圖像，操作者可以對興趣區域進行拆分、重組和透明化。MR 技術將虛擬的全息實時數字內容投放到真實空間中，帶來一種讓人難以置信的數字虛擬世界與物理真實世界融合的場景[6]。
2 MR 在血管外科中的應用
2.1 MR 在血管外科手術中的應用
2.1.1 術前評估與手術制定
血管外科術前評估與規劃往往以血管超聲、核磁共振、CT 血管造影（CTA）等影像檢查結果作為參考[7]，然而這些結果受到醫生個人醫療素質、機器性能等影響，在某些情況下難以全面評估患者的血管條件。MR 設備通過對提前獲取的 CT 圖像的處理和重建，可以將復雜走行的血管解剖和病變部位真實地展現在眼前。醫生可以對興趣區域進行不同方位的觀察、測量和分析，制定手術方案，術中指導手術。此外，醫生可以有效地參與數據處理過程，以實現準確和安全的手術[8-12]。
相比于 3D 打印技術，MR 技術在及時性上也有很大的優勢，這能為急診和創傷的治療爭取寶貴的時間。獲取 CT 和 MRI 的醫學數字成像（DICOM）數據，經過處理后生成 MR 圖像僅需幾分鐘，而 3D 打印模型至少需要 10 h[13]。
2.1.2 術中導航與遠程會診
MR 技術將數字虛擬模型與物理真實場景融合，為精準手術提供了一種新的發展方向。通過該技術，醫生可以全面挖掘圖像信息，從不同角度與層次觀察病變部位，并在術中進行模擬導航，準確識別并定位病變部位，有效降低手術潛在風險[14]。該技術在神經血管外科手術中得到了應用。利用術前成像尋找到合適的血管進行顱外-顱內旁路手術后，操作者可以通過眼鏡看到影像來指導術中解剖[15-16]，外科醫生在無菌環境中通過手部指令就可以打開、關閉和操作這些窗口[17]。Zhu 等[18]首次在混合現實系統引導下為 1 例腎病綜合征患者成功放置了下腔靜脈濾器，有效避免了輻射和造影劑對患者造成急性腎損傷的風險。Lu 等[19]利用基于增強現實導航系統的創新技術，成功地逆行穿刺進入 1 例 84 歲患有嚴重肢體缺血婦女的腓動脈，證明了該系統用于血管內介入治療的可行性和安全性。
2016 年 6 月，上海 6 家醫院首次以直播的方式進行了一場 MR 手術，并同全國 20 個省份的 3 000 多名醫療從業者實時共享，MR 技術在遠程手術教學中的便利和創新給醫生們以極大的震撼。借助 MR 技術，不同地域的人們可以在遠程手術可視化平臺上實現跨時間和空間交流，給遠程會診和學術交流帶來極大的便利[14]。MR 技術使遠程咨詢變得更加方便和直觀。Wang 等[20]使用微軟 HoloLens 來促進和加強遠程醫療培訓。咨詢遠程專家的過程中，專家利用 MR 技術指導實時手術過程，有種專家親臨指導的感覺，MR 技術可以幫助專家成功完成遠程咨詢、醫患溝通和現場操作指導，而不受空間的限制[21]。
2.2 MR 在血管外科教育中的應用
血管外科作為近年來從普外科衍生并發展出來的一門新興學科，面臨著專業發展快而人才培養相對滯后、理論教學與臨床實踐脫節的困境，隨著人口老齡化和血管疾病的增多，血管疾病越來越受到人們的重視，國內血管外科專業團隊的建設也一直在進行，但由于血管外科專業性強，手術風險高，血管外科專業人才培養速度相對滯后。隨著精準醫療和微創理念的不斷深入，腔內血管干預已成為血管外科的主要手術方式。與傳統開放手術相比，血管腔內手術難以給學生以直觀和深刻的感受，這也是阻礙血管外科人才培養的原因之一[22]。血管外科的常見危重疾病是主動脈疾病，在以往的臨床教學中，大多以圖片、模型和 CT 影像的方式進行測量、評估并講解手術原理和過程，學生理解病變的解剖學特點時，需要較強的空間想象能力，對“看不見、摸不著”的主動脈病變難以產生深刻認識，更無法直接認知和感受手術操作過程，這對學生的學習積極性和教學效果有很大影響。
MR 用于血管外科臨床教學，克服了傳統教學解剖標本不足，以及視野、場地等的限制。MR 技術通過對特定患者的血管進行三維模擬重建，醫學生能對目標區域進行拆分和重組，并能從各個層次與角度進行觀察，使學習和觀察更加生動形象且簡單直觀，不像傳統教學模式那樣受時間和空間的限制[23]。楊林等[24]通過對比傳統教學與 MR 教學股動脈穿刺后發現，MR 血管模擬教學能夠有效提高穿刺成功率，減少操作中受到的輻射劑量和時間，縮短學習曲線。
由于血管外科器械的特殊性，僅對醫師進行專業知識和病例的培訓是遠遠不夠的，更應該包括對專業設備和各種放射工具的培訓。然而由于這些工具成本相對較高，除臨床以外的途徑無法輕易獲得[25]。通過 MR 平臺模擬界面進行培訓，可以獲得操作導絲、導管和使用各種設備所需的運動技能，以及不同患者和技術場景所需的決策技能，而不用親自在患者身上操作[26]，通過在高度逼真和無風險的模擬環境中訓練，可以彌補住院醫師在血管腔內操作的經驗不足，提高他們發現和應對突發不良血管事件的能力和信心[27]。
2.3 MR 與血管外科的醫患溝通
造成醫患關系緊張的主要原因之一是醫患之間醫學信息和知識背景的不對稱[28]。MR 技術具有三維、實時和逼真的特點，可以有效地解決這兩個問題[29]。患者通過觀看基于自身病變部位的三維重建，可以了解病變部位的真實情況，這是通過閱讀影像學報告難以獲得的。醫生通過 MR 模擬和講解手術過程，患者及其家屬能夠更多地參與進來并形象地了解病變部位的形態結構、治療方法和手術風險，讓患者更全面地了解病情和選擇治療方案，從而有效避免因信息和專業水平不平衡帶來的醫患矛盾[30]。
3 隱私和法律問題
與電子病歷一樣，患者數據的保密與管理也是可記錄頭戴式顯示器（HMD）與醫療實踐相結合的主要障礙。臨床醫生在使用該技術來分享、處理或儲存數據時，應該嚴守道德和法律義務的紅線[31]。
4 不足和展望
4.1 在術中導航方面
目前的研究重點主要是提高導航精度，其精確性主要受原始影像的獲取和處理、標志物的選取、算法、注冊跟蹤技術等的影響，光照強度對圖像的識別和導航有一定的干擾。人工標志物的大小、形態、數量、透明度及其與目標區域的空間關系，也會影響系統對它的感應與識別[32]。虛擬影像對目標的重合精確度很大程度上受人工標志物選擇的影響，同時人工標志物可能會對術者的視野造成干擾，具體細節還需進一步優化。另外虛擬影像數據的處理制作需要專業人士操作，軟硬件成本相對較高，若操作學習更簡便，價格更低廉，MR 將會得到更好地普及。MR 在血管外科中的應用尚處在探索階段，還需要更進一步的研究。將觸覺反饋和語音提示相結合的主動導航模式可能是今后很好的研究方向[33]。
4.2 在醫學教育方面
復雜的血管解剖結構通過 MR 直觀地展示在學生面前，使醫學教學不受學習場地的限制，提高了學習效率。但目前輔助裝備的價格高昂，需要專業的人員調整與操作，長時間佩戴會引起眼部不適感，展示的數據模型缺乏人體數據對比，且對軟組織的模擬程度相對不足。高精度人體數據模型和解剖變異可預測的 MR 交互平臺值得進一步發掘。
4.3 在醫患溝通方面
醫生使用更加直觀且精準的病變解剖模型進行詳細講解，使患者對自己疾病狀態、手術過程和手術風險有更深入地了解，以此增加患者參與度，進而有效減少因溝通不全面、手術預后預期不對等而造成的醫患糾紛。目前越來越多的健康中心把術前規劃和手術模擬提上議程[34]。
5 小結
綜上所述，MR 對于血管外科教學和手術的實施有重要指導意義，是值得進一步研究并不斷完善的數字醫學技術，但 MR 作為新興數字技術，在血管外科的應用和探索尚處于起步階段，在具備誘人發展前景的同時，也面臨著一系列挑戰。患者的 MR 影像受到 CTA 成像精度、患者檢查和手術時體位的一致性的影響較大，目前的 MR 數字影像對手術導航僅有參考作用，精確度和圖像的穩定性有待進一步提高。如果在體位一致的情況下能做到實時成像，將大大提高其手術應用與參考價值。處理 MR 軟硬件成本相對較高，且需要專業人員進行調整操作，若學習和操作更方便、價格更低廉，MR 在血管外科會得到更好地普及。相信未來隨著技術的不斷發展，研究的不斷深入，軟硬件的不斷升級，MR 將會給醫療教育、臨床培訓、醫患溝通和臨床研究帶來革命性的變化。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：陳哲，課題設計和論文撰寫；姜維良，課題設計和論文修改。
隨著人工智能與機器人技術的飛速發展，我們在游戲、工業、醫療、教育等行業中越來越多地看見以虛擬現實技術（virtual reality，VR）為代表的身影。VR 與醫療結合能使醫學教育的標準化得到有效提高，為醫療人才培養周期的縮短、培養成本的降低和醫療供給的釋放提供了有效途徑[1]。在 20 世紀末，“智能硬件之父”多倫多大學教授 Steve Mann 為了在增強自身視覺效果的同時，不影響眼睛對周圍環境的觀察，設計出可穿戴智能硬件，奠定了混合現實技術（mixed reality，MR）的研究基礎。隨著 MR 基礎研究的不斷嘗試，該項技術已在諸如機械制造、娛樂、古跡修復、教育等行業展開應用。近年來，MR 在醫學領域的發展也越來越受到關注，其中顱底外科、骨外科、心胸外科、神經外科、整形美容等學科都對其開展了研究和應用，并取得了良好效果[2-4]。國內將該技術應用于手術過程的研究報道也在逐年增多，孫濤等[5]將 MR 應用到乳腺腫瘤的術前規劃中并取得成功，證實 MR 在乳腺外科精準手術治療中有極大的應用前景。MR 作為新一代全息數字影像技術，在血管外科的探索與應用尚處在起步階段，但已經展現出誘人的前景。MR 的出現，將給血管外科手術導航、臨床教育、醫患溝通、醫學研究等領域帶來顛覆式的變化。
1 MR
MR 是在對 VR 和增強現實技術（augmented reality，AR）的研究基礎上誕生的新一代全息數字影像技術。該技術最核心的特性是實現了真實物理世界與虛擬數字世界的交互。該技術具有現實與虛擬世界共存、精確的匹配融合和實時交互性3 個主要特征。MR 技術利用計算機處理二維數據，重建出直觀立體的三維圖像，操作者可以對興趣區域進行拆分、重組和透明化。MR 技術將虛擬的全息實時數字內容投放到真實空間中，帶來一種讓人難以置信的數字虛擬世界與物理真實世界融合的場景[6]。
2 MR 在血管外科中的應用
2.1 MR 在血管外科手術中的應用
2.1.1 術前評估與手術制定
血管外科術前評估與規劃往往以血管超聲、核磁共振、CT 血管造影（CTA）等影像檢查結果作為參考[7]，然而這些結果受到醫生個人醫療素質、機器性能等影響，在某些情況下難以全面評估患者的血管條件。MR 設備通過對提前獲取的 CT 圖像的處理和重建，可以將復雜走行的血管解剖和病變部位真實地展現在眼前。醫生可以對興趣區域進行不同方位的觀察、測量和分析，制定手術方案，術中指導手術。此外，醫生可以有效地參與數據處理過程，以實現準確和安全的手術[8-12]。
相比于 3D 打印技術，MR 技術在及時性上也有很大的優勢，這能為急診和創傷的治療爭取寶貴的時間。獲取 CT 和 MRI 的醫學數字成像（DICOM）數據，經過處理后生成 MR 圖像僅需幾分鐘，而 3D 打印模型至少需要 10 h[13]。
2.1.2 術中導航與遠程會診
MR 技術將數字虛擬模型與物理真實場景融合，為精準手術提供了一種新的發展方向。通過該技術，醫生可以全面挖掘圖像信息，從不同角度與層次觀察病變部位，并在術中進行模擬導航，準確識別并定位病變部位，有效降低手術潛在風險[14]。該技術在神經血管外科手術中得到了應用。利用術前成像尋找到合適的血管進行顱外-顱內旁路手術后，操作者可以通過眼鏡看到影像來指導術中解剖[15-16]，外科醫生在無菌環境中通過手部指令就可以打開、關閉和操作這些窗口[17]。Zhu 等[18]首次在混合現實系統引導下為 1 例腎病綜合征患者成功放置了下腔靜脈濾器，有效避免了輻射和造影劑對患者造成急性腎損傷的風險。Lu 等[19]利用基于增強現實導航系統的創新技術，成功地逆行穿刺進入 1 例 84 歲患有嚴重肢體缺血婦女的腓動脈，證明了該系統用于血管內介入治療的可行性和安全性。
2016 年 6 月，上海 6 家醫院首次以直播的方式進行了一場 MR 手術，并同全國 20 個省份的 3 000 多名醫療從業者實時共享，MR 技術在遠程手術教學中的便利和創新給醫生們以極大的震撼。借助 MR 技術，不同地域的人們可以在遠程手術可視化平臺上實現跨時間和空間交流，給遠程會診和學術交流帶來極大的便利[14]。MR 技術使遠程咨詢變得更加方便和直觀。Wang 等[20]使用微軟 HoloLens 來促進和加強遠程醫療培訓。咨詢遠程專家的過程中，專家利用 MR 技術指導實時手術過程，有種專家親臨指導的感覺，MR 技術可以幫助專家成功完成遠程咨詢、醫患溝通和現場操作指導，而不受空間的限制[21]。
2.2 MR 在血管外科教育中的應用
血管外科作為近年來從普外科衍生并發展出來的一門新興學科，面臨著專業發展快而人才培養相對滯后、理論教學與臨床實踐脫節的困境，隨著人口老齡化和血管疾病的增多，血管疾病越來越受到人們的重視，國內血管外科專業團隊的建設也一直在進行，但由于血管外科專業性強，手術風險高，血管外科專業人才培養速度相對滯后。隨著精準醫療和微創理念的不斷深入，腔內血管干預已成為血管外科的主要手術方式。與傳統開放手術相比，血管腔內手術難以給學生以直觀和深刻的感受，這也是阻礙血管外科人才培養的原因之一[22]。血管外科的常見危重疾病是主動脈疾病，在以往的臨床教學中，大多以圖片、模型和 CT 影像的方式進行測量、評估并講解手術原理和過程，學生理解病變的解剖學特點時，需要較強的空間想象能力，對“看不見、摸不著”的主動脈病變難以產生深刻認識，更無法直接認知和感受手術操作過程，這對學生的學習積極性和教學效果有很大影響。
MR 用于血管外科臨床教學，克服了傳統教學解剖標本不足，以及視野、場地等的限制。MR 技術通過對特定患者的血管進行三維模擬重建，醫學生能對目標區域進行拆分和重組，并能從各個層次與角度進行觀察，使學習和觀察更加生動形象且簡單直觀，不像傳統教學模式那樣受時間和空間的限制[23]。楊林等[24]通過對比傳統教學與 MR 教學股動脈穿刺后發現，MR 血管模擬教學能夠有效提高穿刺成功率，減少操作中受到的輻射劑量和時間，縮短學習曲線。
由于血管外科器械的特殊性，僅對醫師進行專業知識和病例的培訓是遠遠不夠的，更應該包括對專業設備和各種放射工具的培訓。然而由于這些工具成本相對較高，除臨床以外的途徑無法輕易獲得[25]。通過 MR 平臺模擬界面進行培訓，可以獲得操作導絲、導管和使用各種設備所需的運動技能，以及不同患者和技術場景所需的決策技能，而不用親自在患者身上操作[26]，通過在高度逼真和無風險的模擬環境中訓練，可以彌補住院醫師在血管腔內操作的經驗不足，提高他們發現和應對突發不良血管事件的能力和信心[27]。
2.3 MR 與血管外科的醫患溝通
造成醫患關系緊張的主要原因之一是醫患之間醫學信息和知識背景的不對稱[28]。MR 技術具有三維、實時和逼真的特點，可以有效地解決這兩個問題[29]。患者通過觀看基于自身病變部位的三維重建，可以了解病變部位的真實情況，這是通過閱讀影像學報告難以獲得的。醫生通過 MR 模擬和講解手術過程，患者及其家屬能夠更多地參與進來并形象地了解病變部位的形態結構、治療方法和手術風險，讓患者更全面地了解病情和選擇治療方案，從而有效避免因信息和專業水平不平衡帶來的醫患矛盾[30]。
3 隱私和法律問題
與電子病歷一樣，患者數據的保密與管理也是可記錄頭戴式顯示器（HMD）與醫療實踐相結合的主要障礙。臨床醫生在使用該技術來分享、處理或儲存數據時，應該嚴守道德和法律義務的紅線[31]。
4 不足和展望
4.1 在術中導航方面
目前的研究重點主要是提高導航精度，其精確性主要受原始影像的獲取和處理、標志物的選取、算法、注冊跟蹤技術等的影響，光照強度對圖像的識別和導航有一定的干擾。人工標志物的大小、形態、數量、透明度及其與目標區域的空間關系，也會影響系統對它的感應與識別[32]。虛擬影像對目標的重合精確度很大程度上受人工標志物選擇的影響，同時人工標志物可能會對術者的視野造成干擾，具體細節還需進一步優化。另外虛擬影像數據的處理制作需要專業人士操作，軟硬件成本相對較高，若操作學習更簡便，價格更低廉，MR 將會得到更好地普及。MR 在血管外科中的應用尚處在探索階段，還需要更進一步的研究。將觸覺反饋和語音提示相結合的主動導航模式可能是今后很好的研究方向[33]。
4.2 在醫學教育方面
復雜的血管解剖結構通過 MR 直觀地展示在學生面前，使醫學教學不受學習場地的限制，提高了學習效率。但目前輔助裝備的價格高昂，需要專業的人員調整與操作，長時間佩戴會引起眼部不適感，展示的數據模型缺乏人體數據對比，且對軟組織的模擬程度相對不足。高精度人體數據模型和解剖變異可預測的 MR 交互平臺值得進一步發掘。
4.3 在醫患溝通方面
醫生使用更加直觀且精準的病變解剖模型進行詳細講解，使患者對自己疾病狀態、手術過程和手術風險有更深入地了解，以此增加患者參與度，進而有效減少因溝通不全面、手術預后預期不對等而造成的醫患糾紛。目前越來越多的健康中心把術前規劃和手術模擬提上議程[34]。
5 小結
綜上所述，MR 對于血管外科教學和手術的實施有重要指導意義，是值得進一步研究并不斷完善的數字醫學技術，但 MR 作為新興數字技術，在血管外科的應用和探索尚處于起步階段，在具備誘人發展前景的同時，也面臨著一系列挑戰。患者的 MR 影像受到 CTA 成像精度、患者檢查和手術時體位的一致性的影響較大，目前的 MR 數字影像對手術導航僅有參考作用，精確度和圖像的穩定性有待進一步提高。如果在體位一致的情況下能做到實時成像，將大大提高其手術應用與參考價值。處理 MR 軟硬件成本相對較高，且需要專業人員進行調整操作，若學習和操作更方便、價格更低廉，MR 在血管外科會得到更好地普及。相信未來隨著技術的不斷發展，研究的不斷深入，軟硬件的不斷升級，MR 將會給醫療教育、臨床培訓、醫患溝通和臨床研究帶來革命性的變化。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：陳哲，課題設計和論文撰寫；姜維良，課題設計和論文修改。