神经系统复杂的神经、血管及颅底骨性结构，要求神经外科医生对生理及病理状态下的解剖结构有着清晰的认识。而在既往的学习过程中，神经外科医生只能通过图谱、尸体解剖或观摩手术来进行学习，其效果难以令人满意。随着计算机技术的发展，虚拟现实及增强现实技术的出现及其应用给神经外科开辟了新的天地。本文就虚拟现实（virtual reality，VR）及增强现实（augment reality，AR）技术近年来在神经外科的应用做一简要综述。南京军区总医院神经外科潘灏

一、VR及AR 简介

VR技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。其强调的是沉浸感（immersion），即模拟环境过度逼真，导致使用者难以区分真实与虚拟环境。而AR技术不仅仅模拟产生三维空间的虚拟世界，更强调将该虚拟世界与真实世界相融合，将虚拟的世界与真实的物体实时叠加到同一空间。目前AR及VR技术已广泛应用于军事及航空模拟领域，在医学上的应用也日渐广泛。

就医学应用而言，VR和AR技术的实现需要以下几个步骤。首先，数据的采集处理与3D模型的构建。CT、MRI及血管造影等检查结果，存储于DICOM格式，可以应用于绝大多数现有的技术平台。利用体绘制（Volume rendering）或面绘制（Surface rendering）方法重建3D模型。其次，3D模型的显示。现有的3D显示方式主要有视频式显示（Video-based display）、穿透式显示（See-through display）、投射式显示（Projection-based display） 三种。为了更准确的将图像叠加，以上三种显示方法都必须对摄像头、显示屏及术者头部或眼位进行跟踪定位，以保证3D图像显影的精确性。目前使用的主要有红外光学跟踪及电磁跟踪。最后，图像注册。将附加信息准确的叠加到图像中的最后一步也是最困难的一步就是注册过程。目前常用的是交互式注册（interactive registration）方法。即依次在3D模型及患者身上定位可辨别的标志物（可为体表解剖标志或贴于患者表面的影像标志物），通过计算重叠这些标志物，来实现所有图像的正确重叠。但是现有的注册方法均不能很好的解决实时注册的问题。术中脑脊液的释放、组织的塌陷、重力作用的影响等均会导致注册的偏差。

二、VR及AR技术在神经外科的应用

1、教学模拟   既往的神经外科教学过程多依赖图谱、模型、动物、尸体、现场观摩及高年资带教完成，这些方式均存在一定程度的缺陷。图谱缺乏立体感，模型缺乏真实性，而动物的解剖结构多有变异，尸体价格昂贵且缺乏可重复性。手术现场观摩及高年资带教则存在难以重复、没有实际操作经验、增加感染几率及患者风险等缺点。VR技术的使用可以模拟重建正常人或某特定患者的3D颅脑模型，可以让医学生和低年资医生随时反复解剖特定区域，并可以从多个角度去观察 ，并且不存在增加患者费用及风险的可能 [1, 2]。目前VR在教学中的使用主要是对特定解剖结构的识别等常规教学，也可用于特定复杂病例或新技术的学习过程中。研究发现，基于Immersive Touch平台的脑室穿刺模拟可使住院医师熟练掌握脑室造瘘技术[3]。徐波等利用VR技术建立正常成年人脑形态三维图形，机械臂操作系统建立脑穿刺手术模型，通过计算机辅助技术，显著提高低年资医生的脑室穿刺成功率，并显著降低穿刺的误差[4]。Kockro和Hwang开发的Virtual Temporal Bone系统成功的再现了岩骨内复杂的神经、血管走行及内耳的精密结构，使用者可以利用该系统模拟涉及岩骨的不同手术入路以及难以掌握的磨除岩骨过程[5]。而对于使用者的跟踪调查也显示VR技术可以显著提高学习者对解剖及手术操作的认识[6]。

2、术前计划   对于复杂的颅底或深部病变，手术最大的难度在于最好的显露病变、最小的骚扰周边重要结构。详尽的手术计划可以有效降低手术风险，降低手术并发症。而VR技术可以在3D层面显露病变，使术者明确病变与周边重要结构的关系，并可以尝试从不同的入路显露病变，来选择最安全的手术方式。目前国外文献报道的有Dextroscope系统及基于此系统的VIVIAN (Virtual  Intracranial Visualization and Navigation)[7, 8]、用于立体定向神经外科的StereoPlan 系统[9]及用于伽玛刀的Virtual framing系统等[10]，以上系统已用于微血管减压、动脉瘤、血管畸形及肿瘤等病变的模拟。而国内也有利用Dextroscope系统术前模拟处理颅底肿瘤及前循环动脉瘤的相关报道。研究发现，Dextroscope系统可以良好显示动脉瘤与载瘤动脉、鞍背、鞍结节、视柱、前床突、视神经管口的局部解剖关系以及血管变异情况， 便于临床医师确定手术入路及选择不同的动脉瘤夹。但是受图像质量的限制，该系统难以显示和评估动脉瘤周围细小的穿支动脉[11]。该系统也可以良好的显示颅底肿瘤的位置、大小及其与神经、血管、颅底骨质之间的关系，从而在虚拟环境下实现对每个病例的进行不同手术入路的模拟，以选择最佳的手术入路，减少患者的损伤，实现个体化的手术方式。但使用者也发现该系统无法提供脑组织牵拉变形及双手触觉的反馈，同时无法将系统产生的三维模拟信息直接进行手术导航[12-13]。

3、术中导航   与现有导航技术相比，基于VR和AR技术的导航可以3D显示患者的影像信息，甚至将图像叠加到患者体表或术野，从而更好地指导手术，对于手术切口的定位、骨瓣的选择及术中重要结构的保护均有重要的意义。Meng等报道，在经皮射频消融三叉神经根切断术中，薄层CT连续扫描并重建颅底结构，利用VR技术指导将射频针尖端准确定位于卵圆孔，取得良好的手术效果 [14]。Stadie等利用基于Dextroscope的VR技术，将48例患者术前的MRI及CT信息重建3D模型，根据此模型确定最小骨窗部位，并将此结果与常规导航进行比较。VR技术精确定位率达98%（47/48），而常规导航的精确率仅为92%（44/48）。虽然两组间未见显著差异，但是对数例导航失败及出现偏差的患者，VR导航技术仍能很好的进行术中导航，提示其相对于常规导航的优越性[15]。 Kockro等研发的DEX-Ray系统使用一根整合有微型摄像头的探针，该探针伸入术野时，所得图像与术前3D影像叠加，从而可以穿透表层看到虚拟的深部病变组织，实现实时、准确的基于视频的导航[16]。Sun等利用DTI技术标定患者的视放射，并将其与MRI图像整合，结合术中MRI，进行累及视放射的肿瘤手术中的功能导航。此AR技术的运用将肿瘤切除率从 88.3% 提高到95.7%，同时显著降低了视觉功能损伤的几率[17]。相似的，Zhao等标定涉及语言功能的弓状束，用于累及弓状束的肿瘤患者的术中功能导航，结果发现术后患者语言功能均有所改善。提示AR技术的使用可以进一步实现最大程度肿瘤切除及功能保护[18]。

4、其他方面的应用   在神经介入方面，现已有多个公司开发的系统用于介入练习，如Simbionix的ANGIO Mentor、Mentice AB的 VIST和Medical Simulation Corporation的SimSuite等。这些系统均被证实可以显著提高住院医师对介入操作的熟悉度，减少操作时间、造影剂使用量和X线照射时间。而对操作者的调查也证实这些模拟系统具有一定的真实性[19-21]。Masutani等利用AR技术，将介入操作过程中的X线透射影像与术前构建的3D血管模型融合，在介入操作过程中实现实时导航，有效的避免了大量X线照射和造影剂注射[22]。Schulze等利用现有的仿真内镜系统，进行12例患者的经鼻蝶垂体瘤手术中的导航，发现改良后的该系统有助于定位解剖变异的鞍底及颈内动脉 [23]。Chui等研发的椎体成形术模拟系统，利用数码手套给使用者形成一定的阻力，真实的再现了椎体成形时注射骨水泥的阻力感，在该系统上的训练也必将帮助使用者进一步掌握相应的手术技术24]。

目前AR及VR技术在神经外科的应用仍有很多技术限制，如实时图像融合注册、多系统整合、系统反馈的高仿真性等，而系统高昂的价格、复杂的工作系统、难以掌握的操作流程也限制其广泛的使用。相信随着计算机技术及材料工程的进一步发展，VR及AR技术在神经外科必将起到更为广泛的作用。