手術(shù)室里的AR/VR技術(shù)-增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手術(shù)中的應(yīng)用

提到未來醫(yī)學(xué)，有些人可能會(huì)想到《星際迷航》中的三階儀和無針注射器，或者麥考伊醫(yī)生對二十世紀(jì)醫(yī)學(xué)的震驚。^1??二十一世紀(jì)三十年代，我們可能還沒有這樣的醫(yī)療器械，但是當(dāng)今醫(yī)療已經(jīng)有了一些非常先進(jìn)的技術(shù)——比如內(nèi)窺鏡手術(shù)以及質(zhì)子束癌癥治療。

最近，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）已經(jīng)加入未來醫(yī)療技術(shù)的行列，應(yīng)用范圍包括培訓(xùn)和教育以及患者行為健康支持、手術(shù)和診斷成像。實(shí)際上，醫(yī)療領(lǐng)域中AR/VR的應(yīng)用預(yù)計(jì)將增長，這類技術(shù)的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的16億美元增加至2027年的162億美元，增長十倍。²

一名外科醫(yī)生正在手術(shù)室中使用AR/VR設(shè)備查看患者的診斷掃描結(jié)果

醫(yī)療領(lǐng)域使用AR/VR帶來的好處已經(jīng)顯現(xiàn)：“利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提高醫(yī)療流程的效率，比如解剖、手術(shù)服務(wù)和醫(yī)學(xué)培訓(xùn)程序。同時(shí)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以不斷改善手術(shù)環(huán)境和程序。此外，對于康復(fù)服務(wù)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)造一個(gè)更加可控的環(huán)境，使用者可以進(jìn)行互動(dòng)，促進(jìn)康復(fù)?！?sup>3

每一臺(tái)外科手術(shù)都有一定風(fēng)險(xiǎn)。每次切除我們皮膚的外部保護(hù)層或者每次身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器官暴露時(shí)，都可能發(fā)生感染。做完大手術(shù)后，患者可能需要很長時(shí)間痊愈，恢復(fù)正常機(jī)能和活力。痊愈后，可能留下疤痕，有時(shí)還可能影響未來活動(dòng)。因此，醫(yī)療專業(yè)人員和患者都對那些有助于減少、縮短或避免開刀手術(shù)的技術(shù)感興趣。

除了手術(shù)室應(yīng)用外，AR/VR系統(tǒng)也正在開發(fā)中且用于診斷支持活動(dòng)以及術(shù)前準(zhǔn)備和培訓(xùn)。^4??例如，一家芝加哥公司Immersive Touch^?開發(fā)了一款A(yù)R/VR平臺(tái)，該平臺(tái)將標(biāo)準(zhǔn)診斷成像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，比如CT和MRI掃描。醫(yī)生可以使用該平臺(tái)查看患者的3D解剖學(xué)和病理學(xué)信息，通過沉浸式虛擬環(huán)境規(guī)劃手術(shù)方法，以及術(shù)前演練特定的手術(shù)或者練習(xí)使用特定的醫(yī)療器械。

巴爾的摩著名的約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)外科醫(yī)生在手術(shù)中成功使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。2020年6月，他們完成了全球首例AR支持手術(shù)，這是一臺(tái)脊柱融合手術(shù)，醫(yī)生利用AR技術(shù)將六個(gè)螺絲植入患者的脊柱，用于緩解疼痛。后來，他們再次在手術(shù)中使用了AR技術(shù)，從一名患者的脊柱中切除了一個(gè)癌性腫瘤。⁵

在這兩例具有突破性的手術(shù)中，醫(yī)生們利用一個(gè)帶有透視顯示器的AR頭盔投影患者的內(nèi)部解剖圖像。通過CT掃描獲得骨骼和其他組織的內(nèi)部圖像——幫助外科醫(yī)生利用X射線看清患者體內(nèi)的情況。AR技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢是向醫(yī)生直接顯示圖像，不需要將目光從患者身上移開以便觀察分屏上的數(shù)字掃描結(jié)果。

同樣地，英國圣瑪麗醫(yī)院和倫敦帝國學(xué)院的外科醫(yī)生利用微軟全息眼鏡“將CT掃描的3D數(shù)字模型與手術(shù)室的患者覆蓋疊加，以便手術(shù)切除前幫助外科醫(yī)生了解患者獨(dú)特的血管、組織和骨骼解剖”。⁶

新冠大流行期間，許多人都接觸過虛擬會(huì)議和AR遠(yuǎn)程協(xié)作平臺(tái)，或者同醫(yī)生進(jìn)行過虛擬問診。利用AR技術(shù)遠(yuǎn)程連接同樣可以用于手術(shù)室。

巴塞羅那的一個(gè)外科團(tuán)隊(duì)同西班牙移動(dòng)電信運(yùn)營商Vodafone Espa?a合作，將Vuzix M400智能眼鏡引入手術(shù)室。一名胃部外科醫(yī)生在對一名患者進(jìn)行袖狀胃切除術(shù)時(shí)進(jìn)行了手術(shù)直播，同佛羅里達(dá)州邁阿密的一個(gè)醫(yī)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，該團(tuán)隊(duì)通過虛擬方式參與了本次手術(shù)。臨床醫(yī)師實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程協(xié)作和咨詢，降低了面對面接觸的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)最大程度減少了外科個(gè)人防護(hù)設(shè)備的使用，新冠疫情導(dǎo)致外科個(gè)人防護(hù)設(shè)備極度匱乏。⁷

有趣的是，植牙和正頜手術(shù)目前已成為AR/VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用最頻繁的領(lǐng)域?！疤摂M規(guī)劃通過統(tǒng)計(jì)引導(dǎo)或動(dòng)態(tài)引導(dǎo)提高了種植體插入的準(zhǔn)確性。對于正頜手術(shù)，預(yù)測規(guī)劃和術(shù)中引導(dǎo)成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。”⁸

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還被用于改進(jìn)口腔額面外科教育和培訓(xùn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬相關(guān)情境，讓學(xué)生能夠練習(xí)手術(shù)，無需接觸真實(shí)的患者。“觸覺反饋提供了另一層面的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，有助于提高動(dòng)手能力，加強(qiáng)臨床培訓(xùn)效果?！?sup>9

當(dāng)人們的健康和生活連網(wǎng)后，診斷或治療環(huán)境中使用的任何 AR、VR 或 MR 系統(tǒng)都需要非?？煽?。屏幕上顯示的任何信息都必須對用戶可讀和清晰，同時(shí)不得干擾周圍環(huán)境。

為了確保醫(yī)療領(lǐng)域使用的AR/VR/MR顯示設(shè)備的質(zhì)量和性能（例如頭盔、護(hù)目鏡和眼鏡），相關(guān)硬件需要進(jìn)行嚴(yán)格的功能測試，測試時(shí)盡量還原用戶的視覺體驗(yàn)。亮度和色度差異、同背景環(huán)境的對比度、以及顯示屏均勻性和清晰度方面的其他問題均不可接受。由于顯示圖像靠近眼睛，即使微小的缺陷（例如幾個(gè)壞點(diǎn)）也會(huì)被放大，影響可視性。

瑞淀光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)的AR/VR鏡頭，采用特殊光學(xué)設(shè)計(jì)，專門用于測量近眼顯示器（NED），比如集成在VR、AR和MR頭戴設(shè)備中的顯示器。這種鏡頭可以模擬人眼的大小、位置和視野，準(zhǔn)確捕捉和評估用戶看到的東西。

與瑞淀的ProMetric?成像亮度計(jì)或色度計(jì)搭配使用，AR/VR鏡頭可以捕捉頭盔內(nèi)部的高分辨率顯示器圖像，用于進(jìn)行像素和子像素測量，以便檢測可能影響視覺質(zhì)量的缺陷和異常。

寫在最后

上述新出現(xiàn)的AR醫(yī)療方案以及許多類似的醫(yī)療方法是醫(yī)療專業(yè)人員和技術(shù)研發(fā)人員共同努力的成果，他們已共同推進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，幫助改善人類健康和拯救生命。

盡管業(yè)內(nèi)專家普遍持樂觀態(tài)度，但關(guān)于AR技術(shù)在常規(guī)醫(yī)療中的應(yīng)用仍有一些問題需要解決。^10??麥考伊醫(yī)生對目前的醫(yī)療技術(shù)持保留意見，但當(dāng)他看到我們正在一步步朝著更先進(jìn)的技術(shù)方法發(fā)展時(shí)，他應(yīng)該會(huì)感到很欣慰。