混合现实技术在耳鼻咽喉头颈外科教学中的研究应用与展望

李静赵辉王方园马莹李欣李文娟刘宸箐

1中国人民解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科医学部，国家耳鼻咽喉疾病临床医学研究中心，

聋病教育部重点实验室，聋病防治北京市重点实验室（北京100853）

2青岛市中医医院（市海慈医院）（青岛266033）

3维卓致远医疗科技发展有限责任公司（北京100097）

混合现实（Mixed reality，MR）技术是以虚拟现实（Virtual reality，VR）技术和增强现实（Augmented reality，AR）技术为基础研发而成，是将现实和虚拟世界合并后产生可视化环境的一种新型技术，是虚拟现实技术的进一步发展。该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，真正将虚拟影像和真实世界合二为一，带来一种现实和虚拟混合的场景，增强了体验的真实感。随着信息化进程加快，计算机及空间定位技术飞速发展，医疗行为中三维图像的全息影像可视化的需求得以逐步实现，由于其真实感、全方位立体性，在医学各个领域中逐渐开始应用。

1 混合现实技术应用现状

MR技术目前已应用于医学很多领域，特别是在医学教学方面，取得了良好效果；此外，在临床手术中有些学科也在尝试辅助应用混合现实技术，也取得了不错的效果，因此，MR技术在医学上具有良好应用前景。根据研究报道，目前在骨科、心血管外科、泌尿外科、肝胆外科、口腔科等学科领域已经开展应用，在病变的诊断、手术计划的制定方面，展现出明显的优势[1-3]，但目前在耳鼻咽喉头颈外科方面的应用尚无文献报道。

在教学方面，李涛等[4]将传统教学方法与混合现实全息影像结合对进修医生进行心血管影像诊断教学，发现混合现实全息影像结合传统教学方法优势明显；口腔科在医疗教学方面应用比较多，王雨薇等[5,6]分别研究发现，通过将计算机辅助技术应用在口腔科门诊教学中，可以加强学生对口腔科疾病，如阻生及埋伏牙拔除术等的理解掌握，并有助于学生直观了解术区解剖结构，可以能更好的培养口腔颌面外科医师，提高学习速度及教学效果。在临床手术应用方面：WU XH等[7,8]将混合现实技术应用在颈椎骨折需要手术治疗的患者，取得了一定成果。Lee等[9,10]通过研究认为MR技术在骨科中应用起到术前模拟操作，可提高手术准确率，降低部分手术的并发症。王亚楠等[11]通过将全息影像技术引导机器人辅助腹腔镜下肾部分切除术治疗肾门部肿瘤，均取得了良好效果，证实了本技术的可行性与有效性。

2 耳鼻喉科应用必要性和可行性

虽然混合现实技术在医学中应用已经较多，但其在耳鼻咽喉头颈外科尚无临床及教学应用的报道。耳鼻咽喉头颈外科由于解剖位置隐蔽、结构复杂[12]导致医生对立体解剖不易理解，因此既往专科医生培养周期长、效率低，虽然随着内镜技术的应用，医生培训较前有一定发展，但在体现立体感及术前模拟方面内窥镜仍有限制，因此耳鼻咽喉头颈外科医生培训仍面临诸多困难。

对于很多医生来讲，熟练掌握鼻腔鼻窦、侧颅底、蝶鞍区、鼻眼相关解剖并精确阅片难度较大，既往针对解剖的常规教学方法主要有幻灯片讲解、图谱教学、尸头解剖、手术演示等，这些方法虽有效果，但对大部分医生，效果较慢。随着混合现实技术在医学的应用逐渐增多及对此技术的深入理解，我们发现应用混合现实技术在耳鼻咽喉头颈外科有更大优势，例如，在胸腹部手术应用中，腹腔、呼吸运动可导致解剖部位的相对运动，进而导致数据的采集、处理出现误差，而耳鼻咽喉头颈外科这方面影响较小，可保证图像精准度。因此，将本技术应用在耳鼻喉科头颈外科中应当可行。

3 混合现实全息影像呈现技术在耳鼻咽喉头颈外科教学应用实践

教学工作在医学体系中占有重要地位，是学科持续发展的基础，考虑到不同学员的专科知识基础、受教育背景、接触专科时间不同，而且教学效果短期较难量化，我们选择从事耳鼻咽喉头颈外科专业2-5年的规培生、进修生作为受试对象，受试学员有一定专业基础，但专业知识仍有一定提升空间，这样可以尽可能让学员做出的效果评果客观可靠，最终共分批选出12名学员进行培训，并对培训效果进行分析总结。

教学方法及内容：将患者CT原始DICOM数据导入到三维医学影像工作站（StarSource Medical Image Workstation，Visual3D，北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司）进行分割、重建、编辑，再通过“星图”混合现实影像系统（StarAtlas Holographic Medical Image System，Visual3D，北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司）进行数据输出，获得全息影像数据。带教老师和学生通过混合现实全息眼镜，观看虚拟的立体解剖模型和三维影像模型，模型可以根据需求移动、变化大小、分段隐藏、改变颜色和调节透明度（图1-2)。应用混合现实全息影像技术，通过现场讲解的方式，对学员在专科解剖、专科阅片方面进行讲解。

图1 虚拟立体解剖展示Fig.1Ⅴirtual stereoscopic anatomy display

图2 三维立体影像展示Fig.2 Three-dimensional image display

教学成果评估：授课时间1小时，内容为耳鼻咽喉解剖、CT影像讲解，授课结束后以调查问卷的形式进行教学效果反馈，将本次教学效果同传统的教学方法进行比较，对知识掌握速度、兴趣、理解程度、教学效率等方面进行全面评估。结果分为较传统教学方法效果明显下降、下降、无差别、提升、明显提升。结果所有学员都认为本方法可以明显提高掌握知识速度、同时学习兴趣、教学效率、对知识理解程度都明显提升。

本次研究为概念验证研究，旨在通过小样本研究，体验混合现实技术在教学中的应用效果，以发现问题、解决问题；通过学员对教学效果反馈，发现混合现实技术因其可以更直观、立体、分层展现出解剖及影像学图片，使学员学习、接受知识更简单、高效，在教学中应用较传统教学方法效果明显提高，获得了准确客观并令人振奋的数据，这为我们后续进一步研究提供了支持。但因学员需要佩戴混合现实全息眼镜进行学习，考虑到技术及成本原因，每次同时学习人数比较少，不适合大规模教学；另外，既往没有文献报道本技术在耳鼻咽喉头颈外科方面的应用，可供参考研究较少，今后我们将在各个方面做进一步研究。

4 耳鼻咽喉头颈外科应用展望

4.1 教学方面全面普及

混合现实全息影像技术打破了虚实之间的界限，将医学信息以更加立体直观的方式呈现在学生眼前，可实现逼真的虚拟模型，使学生告别传统枯燥、乏味、死记硬背的学习方式，更轻松的理解、学习，使学习变得形象，有趣，大大增加学习兴趣。在影像及解剖教学方面，既往常规的影像学检查一般提供二维的图像，虽然可以进行三维扫描，但很难以三维立体方式呈现出内部影像，通过三维的立体化的影像教学，可以对放射图像的解读更加清晰易懂，准确且立体地反映局部病变；另外，在混合现实全息影像技术应用后，通过空间操作，可以根据设定，逐层、逐块“透视化”显示解剖结构，使解剖“立体化”，帮助医生详细、准确了解内在解剖标志，使学员更好的理解解剖，提高学习效率。

在医疗及教学查房中，在疑难病例讨论、术前讨论、病例汇报方面，通过全息影像技术，立体的呈现病变，更好的评估肿物范围，定位病变部位，制定更合理手术方案，同时，可以让参加讨论医生更好的理解疾病。另外，在“四生”临床技能考核中，通过混合现实技术模拟出考核内容，如咽部异物取出、内窥镜操作模型、鼻出血填塞等立体图像，可以增加考试的真实性、提高考核效率、降低成本。

4.2 临床手术、教学手术、远程手术应用越来越多

耳鼻喉科手术要求操作精准、微创，尤其目前手术范围已经在侧颅底等既往“禁区”开展。在临床上，耳鼻喉科肿瘤也经常和周围重要结构关系密切，如颅底、视神经、眼眶、颈内动脉、垂体等，手术危险，易发生严重并发症，因此对医师技术要求更高，所以进行专科手术培训非常有必要。

目前医疗环境复杂、易发生医疗纠纷，同时考虑病人安全及手术效果，让学员在真实病人进行操作练习手术的机会比较少，特别是在重要解剖区域，学员亲自动手机会更少，这限制了年轻医生的成长速度，利用全息影像技术重建病变及周围解剖结构，可反复模拟手术过程，从而提高手术教学效果，快速提高学员手术能力。在临床手术应用方面，外科医生在手术之前，通过混合现实全息影像技术的帮助，可实时显示术区周围解剖结构及病变部位，增加定位准确性[13]，同时，可以在虚拟空间显示器上重复模拟手术，寻找最佳手术方案并提高熟练度。提前预估手术风险，减少手术并发症，使术者更加精准地切除肿瘤，提高手术成功率。

远程手术是远程医疗的重要部分，包括远程手术会诊、手术观察、手术指导以及手术实施等，有学者研究发现[14]通过混合现实技术的帮助，可使医生借助远程医疗手段，在远距离遥控外科手术，制定复杂手术的计划，对异地、实时地对患者进行远程手术。耳鼻喉科各级医院之间水平差异较大，特别是侧颅底疾病，很多医院开展少，经验不足，通过远程手术指导，可以提高下级医院水平，帮助开展新业务。

5 混合现实技术应用前景及问题

混合现实技术在耳鼻咽喉头颈外科领域应用有着广阔的应用前景和潜力，虽然目前在国内全面应用混合现实技存在一些困难，比如成本较高、人工智能资源短缺、相关基础配套设施不完善等，但混合现实技术在各个领域已经慢慢参与到我们的学习和工作中，且取得良好效果，相信在不久的将来，我们一定可以将它在国内耳鼻咽喉头颈外科学界推广。

本技术虽然不断完善，但与真实空间的匹配精度仍需进一步提升。另外，和目前应用的导航技术一样，本技术不能代替医生的经验，手术者对解剖和疾病的认识很关键，所以，对于医生来讲，传统的教学方法以及教学导师组联合教学[15]等仍然是重要组成部分，所以将混合现实技术与传统教学方法结合会在一段时间成为主流，这种技术也可能会彻底改变目前教学模式，推动教学模式的变革，从而推动本学科整体发展速度，让更多医生受益，最终让人民享受更好的医疗技术。