不同现实可视化系统在麻醉领域中的应用

黄芳 王云

首都医科大学附属北京朝阳医院麻醉科，北京 100020

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(4):423-429.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20211108-00531

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【综述】

近年来，随着全息影像技术的高速发展，虚拟现实（virtual reality, VR）系统、增强现实（augmented reality, AR）系统及混合现实（mixed reality, MR）系统在医学上的应用日益广泛 。利用这些先进的可视化系统可以实现更多交互式和现实的医疗体验，因此越来越多的医务人员选择在手术、教学、技能培训等领域运用3R（VR、AR和MR）技术。目前，国内外对于3R系统在麻醉领域的应用仍处于起步阶段，但其提供的高级可视化技术为麻醉学科教学与临床麻醉中的舒适性、安全性及精准性提供了新的途径，应用前景值得期待。现对3R系统的优缺点及其在麻醉领域的应用现状进行综述。

1 3R系统      

VR、AR和MR系统有其各自的定义、特征以及优缺点，详见表1。

1.1　VR系统

1.1.1　VR系统的定义

VR系统基于计算机和电子软件，利用立体显示技术并结合相关传感器技术、人机交互技术、网络技术等，通过建模技术搭建虚拟场景，可实现用户身临其境的模拟效果。

1.1.2　VR系统用于医学领域的优缺点

目前，VR系统在医学领域的应用尚不成熟，其局限性包括建模时间较长、实时性有待提升；感官体验不强，当虚拟物体被放大和（或）旋转时，用户可能会失去方向感，且长时间携带头盔式设备会出现头晕的状况；定位感应系统不够灵敏。同时VR场景完全是由计算机生成的，当虚拟数据与真实数据不一致时，医疗操作误差严重。因此，VR系统多用于物理治疗、临床教育、疼痛管理、焦虑管理和技能模拟培训等 。

1.2　AR系统

1.2.1　AR系统的定义

AR系统是VR系统的进一步发展，将计算机生成的虚拟物体、场景等实时叠加，通过空间配准覆盖在真实环境中。与虚拟现实的明显区别在于其仍然具有可视化现实世界的能力。增强现实的基本要素包括真实物体（如患者）、虚拟建模、空间配准、仪器跟踪和可视化，其中最重要的是虚实空间配准和可视化技术。

1.2.2　AR系统用于医学领域的优缺点

在AR系统中，虚拟建模与真实环境的匹配最终可增强图像的可视化，使临床医师在诊疗过程中保持专注以发现未预料到的并发症。国外已将AR技术与计算机导航技术相结合，比传统导航技术更具独特的优越性。主要体现在AR技术可将虚拟建模图像与真实患者直接叠加，显示完整的导航图像，提高手术精准性；实现同时观看导航图像及真实患者，提高手术安全性。但大多数AR系统解决方案依赖复杂的外部导航系统和笨重的设备，因此限制了其在常规外科手术中的应用。同时AR系统的可视化对于表达深度感知是不够的，这一缺点可以通过AR和VR系统之间的无缝切换来改善 。

1.3　MR系统

1.3.1　MR系统的定义

MR系统是在AR系统上的进一步发展，将计算机虚拟模型引入并集成到用户所看到的现实世界中，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强用户体验的真实感。MR系统具有现实与虚拟世界相结合、实时交互性、精准匹配性3个主要特征。

1.3.2　MR系统用于医学领域的优缺点

MR系统可以对图像观察部位进行各种渲染、放大、切割和选择性可视化，从而使诊断更准确，诊疗方案制定更快速，医患沟通更及时、高效。MR系统能在手术中帮助外科医师将虚拟全息元素实时叠加在患者实际表面解剖上，同时能正确处理虚拟对象与真实对象之间的遮挡关系 ，使外科医师与辅助设备、其他医务人员或任何可访问该系统的人之间进行双向通信，开启了一种具有虚拟与真实对象之间相互校正功能的新视野，极大地提高了手术的安全性和精准性 。因此，MR系统在医疗领域中有着巨大的潜力，已被应用于医学教育、医患沟通、制定手术计划、手术导航和远程会诊等多个领域。

目前，MR系统在医学领域广泛应用的一个障碍是图像注册（即实现虚拟模型与真实患者的精准匹配），这一障碍可以通过在使用过程中不断检测、重新配准或开发校准图像导航软件的方式来克服；同时另一个阻碍因素可能是增加的成本，但精度的潜在增加、操作次数和辐射暴露的减少都可以抵消这些系统的高前期成本。

2 3R系统在麻醉学科教学中的应用     

2.1　区域阻滞模拟教学

模拟培训已经成为麻醉教学的重要组成部分。然而，这些模拟主要是基于人体模型，临床技能训练大部分仍然是在患者身上进行的。高保真的尸体训练虽然为技能训练提供了逼真的模拟，但因易用性差、成本高，影响了其广泛应用。为了实现类似尸体训练的逼真性，迫切需要虚拟训练平台。运动、视觉和触觉等感官模式不仅会为虚拟环境增添真实感，而且可以提供操作员反馈，使虚拟环境包含综合的客观指标，以衡量培训效果并指导临床实践。

区域麻醉领域已开发了几种用于训练麻醉操作技能的VR模拟器。Ullrich等 创建了一种腋窝臂丛神经阻滞模拟器，采用一种基于电距离的方法来模拟电子脉冲在软组织中的传输，通过改进的寻径算法计算针尖发射电子的全过程，同时对骨骼动画进行运动学计算来可视化前臂的运动反应。Färber等 开发了一个用于腰椎穿刺训练的虚拟现实系统，利用三维可视化和触觉装置产生执行操作的感觉，并可以对抵抗针插入和旋转的力进行反馈，同时可以通过跟踪操作者的训练过程评估腰椎穿刺的成功程度。Grottke等 还开发了一种VR模拟器（图1），便于操作者进行腹股沟区域不同外周神经阻滞（图2），该研究采集了5例受试者腹股沟区神经的MRI和磁共振血管造影数据，结合分割算法在虚拟空间中对周围神经的解剖结构进行建模。使用医学成像交互工具包、洞察分割和注册工具包、可视化工具包进行数据处理、配准和分割，并在工具箱ViSTA的基础上实现可视化和交互式操作（图2）。与当前可用的VR模拟器相比，该模拟器提供了解剖学上的多样性；但扫描仅限于少数个体，因此限制了解剖变化的范围。在技能培训中使用VR模拟器的优势在于。可以在不危及患者的情况下创造一个具有标准化和可复制场景的现实环境，同时具有重复练习的便利

但以上研究并未将解决方案整合到正式教学计划中。Kulcsár等 在此基础上进行随机对照研究，模拟教学环境由一个沉浸式工作台和带有快门眼镜的改良版虚拟桌面创建。VR模拟器能够教授实习生体验椎管内穿刺时穿刺针经过不同组织（皮肤、皮下组织、韧带、骨骼等）层次时的手感；该模拟器纳入人体背部相关解剖结构的2D视图，使进针路径动态地叠加在相关椎间隙的CT扫描视图上，同时结合3D重建技术，以获得针头实际位置反馈（图3），屏幕上的虚拟针由触觉装置控制，通过沉浸式工作台模拟与椎管内麻醉相关的感觉。研究结果发现，与传统培训相比，基于VR模拟器的培训在椎管内麻醉实施方面没有明显优势。原因可能是样本量较小，同时模拟器的设置相对理想，而现实生活中患者在年龄、体重和解剖结构上存在差异。

2.2　气道管理模拟教学

气道管理是麻醉科医师的核心技能之一。基于模型的模拟教学可让学员迅速掌握气道管理常见工具的使用方法及操作技巧 。纤维支气管镜是处理困难气道最常用的无创工具之一，适用于多种困难气道情况的处理，也可用于双腔支气管插管的定位，但对气道解剖的识别和操作技能的熟练程度具有一定要求。Goldmann和Steinfeldt 提出借助VR气道模拟器使麻醉医师获得纤维支气管镜插管的基本技能，研究中先使用成年人VR气道模拟器对受试者进行为期4 d的培训，培训结束后2周在人体尸体上验证不同受试者插管成功所需时间。结果表明，借助VR气道模拟器，新手麻醉医师能明显缩短插管时间（114 s比75 s），同时与经验丰富的麻醉医师在人体尸体上的插管时间差异无统计学意义（24 s比23 s）。Davoudi和Colt 认为，高仿真的计算机虚拟技术模拟培训可显著提高学员纤维支气管镜使用技术的操控性和准确性，不仅保障了患者安全，且具有可重复和即时纠错等诸多优点。

由于市面上大多数的VR支气管镜模拟器实用性不高且比较昂贵。Casso等 开发了一种新型、超便携、性价比高的VR支气管镜模拟器，又称计算机气道模拟系统（图4）

该模拟器利用患者胸部CT影像和支气管镜数据库建立虚拟气道三维模型，可以通过口或鼻、咽、气管支气管树进行连续支气管镜定位，同时集合触觉反馈系统以模拟支气管镜顶端与黏膜之间碰撞的感觉。22名麻醉医师用此模拟器进行了支气管镜检查（口至隆突），操作时间为66 s，教学实用性和教学价值评分分别为（4.9±0.3） 分和（4.8±0.4） 分。但其虚拟气道三维模型仅限于正常患者，限制了存在气道解剖异常与病变的案例。Yau等 将VR移动应用程序（Airway Ex*）与传统气道模拟培训相结合应用于气道管理教学。Airway Ex*是一款手机游戏应用，用户可以使用手机或平板设备，通过逼真的视觉效果和控制来练习支气管镜插管。该应用程序中根据气道管理的难度设置了6个不同的案例，VR组医师在封闭的房间里使用应用程序（Airway Ex*）进行额外30 min的自主学习，与单纯接受常规授课式教学和低逼真度模拟训练的医师相比，VR组医师在支气管镜插管技能操作规范方面获得了较高的评分，但是两组医师在插管成功所需的时间上差异没有统计学意义。其原因可能是该研究中采用的VR移动应用程序属于部分沉浸式而非完全沉浸式，同时在训练前没有测量基线时间。

3 3R系统在临床麻醉中的应用      

3.1　区域麻醉与疼痛治疗中的应用

3.1.1　提供进针导航，实时引导

区域麻醉成功的关键不仅需要明确最佳的穿刺位置，还需要选择合适的穿刺针轨迹到达目标。超声实时引导区域麻醉技术学习曲线长，双手配合操作稳定性较差，对于深部骨性标记物显示困难，且受体位与操作者的影响较大。

AR系统已被应用于硬膜外和硬膜内肿瘤切除的手术计划和导航 。该研究中建立AR系统的工作流程简单，首先应用术中CT对10例因硬膜外和硬膜内肿瘤接受手术的患者进行导航注册，并与患者术前CT、MRI和正电子发射断层扫描的多模式图像数据在脊柱上进行非线性配准，整个术中配准成像过程仅需5 min；然后采用自动分割的方法勾画出椎体的三维轮廓，并对肿瘤范围和植入物进行分割和可视化。在AR系统的支持下，脊柱外科医师成功地完成了全部患者硬膜外和硬膜内肿瘤切除手术，在实现平均配准误差为1 mm的同时使平均辐射剂量减少了70%。Ameri等 验证了基于AR的超声引导系统在模拟硬膜外麻醉中的应用，解决了导航过程中定位硬膜外间隙和穿刺针可视化的挑战。在这个系统中超声换能器和穿刺针都是在3D增强环境下观察的，而硬膜外腔则是在针尖处使用单元件换能器识别。在这项研究中，AR系统所有尝试均成功，而单纯超声引导成功率只有57%。因此，与单纯超声引导相比，基于AR的超声引导系统能精准定位解剖标志、实时引导、提高穿刺成功率。

目前，MR系统在区域麻醉领域中的应用处于起步阶段。Wilkie等 验证了在狗身上使用MR系统执行麻醉程序的可行性和精准性，通过MR系统可以提供实时定位与引导，简化神经阻滞程序，进行技能培训。周亮等 使用MR辅助CT引导卵圆孔穿刺射频温控热凝治疗原发性第三支三叉神经痛，与常规组（Hartel前入路法）相比，MR组（MR辅助CT引导）减少了术中穿刺调整次数，不良反应（咀嚼无力）发生率低于常规组，同时由于MR所呈现的解剖直观性，可以大大缩短低年资医师的学习曲线。

3.1.2　区域麻醉实施过程中的疼痛与焦虑管理

在实施区域麻醉时，患者会有不同程度的疼痛与焦虑，围手术期焦虑与手术预后密切相关 ，尤其对于孕产妇，考虑到胎儿药物暴露，多采用非药物方法（音乐疗法和催眠）治疗，但疗效欠佳  。VR系统可以通过使患者分散注意力的方式缓解其在区域麻醉实施过程中的疼痛与焦虑。麻醉医师实施区域麻醉时，给患者使用VR系统，患者借助头戴式显示器、身体跟踪传感器和用户直接输入设备参与多种感官模式或逼真的VR场景，从而实时分散患者在区域麻醉实施过程中的疼痛和紧张。在VR系统中，需要给患者提供一个定制的、符合感控要求的VR头戴式显示器，内置音频驱动程序；然后将沉浸式和（或）交互式视频内容分发给患者，如水下环境、平静的声音或有野生动物的湖泊环境等，该视频内容可重复播放并可以用头部追踪器来探索。在使用过程中患者可以自行决定是否停止观看视频（图5）。

有研究报道，与常规治疗相比，沉浸式VR系统可以有效缓解区域麻醉过程中的疼痛和焦虑，患者满意度提高，期间无恶心、头晕等不良反应，同时能减少患者对镇静药的需求，这些研究表明，VR系统是一种低风险、非药理学的减少焦虑与疼痛的辅助干预手段 。但Huang等 报道在区域麻醉中应用沉浸式VR系统后，所有患者对VR干预的耐受性良好，而对于镇静药的需求差异无统计学意义。其原因可能与研究的非盲性和使用辅助镇痛有关。

3.2　临床气道管理中的应用

头颈部癌症患者常因口咽、喉和气管肿瘤使气道的解剖结构严重扭曲和狭窄。术前对其气道相关解剖结构进行识别与研究，不仅可使麻醉医师选择最适合的插管方法，同时能够预测手术中的关键步骤与危机事件。对三维空间结构的准确估计和无限制设计是3D打印技术的独特优势。虽然3D打印技术可以利用气道CT或MRI结果模拟重建三维气道模型，可将抽象的影像学资料转换为仿真实物，有助于医师更直观地掌握异常气道及毗邻关系，但因在制作特定患者的3D模型时易受时间和成本影响，故存在一定局限性。Ormandy等 提出对头颈部癌症患者术前采用AR软件程序结合3D打印模型对气道解剖结构进行虚拟可视化评估，进而帮助这类患者制定最优的气道管理策略。Shaylor等 报道1例使用VR模拟器结合3D打印技术用于术前气道评估并制定个体化气道管理计划的案例。患儿7.5岁，18 kg，由于尤文氏肉瘤肺转移，计划进行右上肺叶切除术，术中需要进行肺部隔离术。麻醉医师首先通过识别术前CT影像中气管、主支气管和叶支气管来建立三维模型，并转换到VR模拟器程序中，同时采用3D打印技术将三维模型制作成仿真气管实物。手术前1 d，麻醉医师在虚拟现实模拟器上熟悉患者的气道解剖结构，同时结合3D气道模型为患儿成功选择合适的双腔气管导管，减少了进行肺部隔离的尝试次数，并反馈患儿的解剖结构与VR模拟器程序中三维模型之间的良好相关性，可快速识别隆突和右上肺叶支气管。

4 应用前景分析      

对脊柱解剖结构的精准定位是实施椎管内麻醉的基础。传统的硬膜外穿刺定位方法主要依靠单纯的解剖标志和一些间接方法（如阻力消失法、负压现象等），这对麻醉医师的操作熟练程度要求较高，尤其对解剖标志不清楚（如肥胖患者）或者脊柱畸形的患者进行硬膜外穿刺，有高达70%的概率定位到错误的间隙 。借助影像学技术（X线、CT、MRI）虽然能够提供精准的定位，但因设备昂贵、辐射暴露等导致实用性不高。近年来，超声技术在区域麻醉领域的发展迅猛，具有便携、无辐射、辅助定位、实时引导的特点，在很大程度上提高了区域麻醉的精准性与安全性 。Ashab等 探讨了AR系统在模拟硬膜外麻醉中探测与定位脊椎节段水平的应用，该系统包括一个由三眼摄像系统实时跟踪的超声换能器、一个自动生成超声全景图模块（提供腰椎的扩展视图）、一种自动识别全景图中椎体水平的图像处理技术、一个图形界面，在患者背部的实时摄像机视图上覆盖已识别的水平（图6）。与传统触诊相比，AR系统对于椎间隙识别更准确。首先，在患者背部接近穿刺部位的地方（在消毒区域之外）贴一个由微米追踪器跟踪的标记，通过在换能器上附加第2个标记并进行旁正中矢状面扫描获得跟踪的超声图像，显示椎板图像被自动注册以创建连续椎体的全景超声图像；生成全景图像后，系统使用自动分割技术识别椎体水平，并在视频图像中添加标注水平；然后，这些信息被覆盖在由微米跟踪器从患者背部获得的图像上；最后发送到用户界面。

Hetherington等 设计出一个成功识别腰椎椎体水平的机器学习系统。脊椎水平识别系统是由3D切片机扩展而来，该系统使用深度卷积神经网络来分类低位脊柱的超声横断面图像，实现了几个现有卷积神经网络的架构，利用迁移学习比较其在实时系统中的充分性。在该系统中，卷积神经网络的输出被一个新的状态机处理，并随着换能器向上移动（从骶骨开始至L1椎体）而自动识别腰椎椎体水平。此外，图形显示被开发和集成在3D切片机。最后，通过AR显示器将腰椎椎体水平投影到患者背部（图7）。研究表明，该系统在20次超声波扫描中有17次成功识别了所有的椎体水平，处理速度为40帧/s，在适当降低扫描速度后，准确率达到95%。但是此研究中脊椎水平识别系统状态机中的参数是通过手动调节确定的，会出现不稳定的参数变化情况。以上AR系统在探测解剖标志方面的成功应用，可用于未来区域麻醉相关研究的基础，也将引领区域麻醉领域进一步向精准方向发展。

综上所述，随着科学技术的不断发展，各种现实可视化系统在麻醉领域的应用将成为新方向。由于设备昂贵和技术的不成熟，当前国内外对于各种现实系统在区域麻醉领域的研究大多是实验性的。未来需要进一步的前瞻性随机对照研究来验证其在麻醉领域中的应用价值。同时，不同的现实可视化系统与导航技术、人工智能技术的整合将为麻醉教学、临床和科研发展提供更为广阔的前景。