【探索·神外 第四期】仿真模拟技术在神经外科的应用
“探索·神外” 系列，由天新福医疗·医学部牛博士精选国际上该领域的前沿学术技术资料，进行编译并将陆续推送。旨在为大家提供一些新视角、新资讯，欢迎选阅。
仿真模拟技术及相关模型在各种领域的应用都有其特殊的实际意义和作用。那么，仿真模拟技术在神经外科的应用现状如何呢？本文将对仿真模拟技术的概念、基本术语、仿真模型的分类以及当前已在神经外科手术中应用的模拟技术、仿真模型及主要特点进行介绍。拟态仿真模型在显微神经外科培训中的应用对于提高显微外科培训效率和促进三维成像在临床中的普及具有一定的指导意义。因此，制作三维解剖模型和创建根据患者特异性信息生成三维模型的计算机模拟器，以及能够改进触觉反馈系统和虚拟模型显示质量的技术都是当前很有前途的领域，但还需要进行更多的专业性教育和研究来对模拟器和物理模型的有效性和实际更广泛应用的可能性和有效性进行评估。
关键词：模拟 神经外科 模型 教育训练 显微神经外科
近年来，仿真模拟训练在医学领域中得到了积极而快速的发展 [1, 2]。仿真模拟技术作为一种科学概念，在神经外科领域中的应用具有显著的实际意义[3]。特别是与神经外科的具体问题相结合时，就更能够体现出它的实用性和巨大的发展潜力。以俄罗斯为例，2011年其卫生系统规定临床医生的医学模拟培训课程每年需要达到136个小时。俄罗斯医学模拟培训中心在2014年就已经达到了50家，并在2017年时达到了80家之多。检索数据库，包括Pubmed和Elibrary可以发现，医学模拟相关文献超过1500篇，并且有逐年增多的趋势。下文将对医学模拟训练在神经外科的应用情况进行综述。
一、相关术语及分类
本文中，模拟指的是一种对过程的模态、重建和再现。神经外科手术拟态模型的原材料
大概可以分为几类：
物理材料[1]
（1）组织
活体模型（实验动物）
组织（尸体解剖、鸡翅、胎盘）
（1） 人工材料（人造假肢、假人）
（2） 虚拟（模拟器）
A. 增强现实模型
B. 完全虚拟化的模型
虽然现有的医学模型的类型还不能完全满足所有的医学领域的需求，但在某些特定或特异性范围内的应用还是有其特有价值的，大致可以分为局部模拟和整体模拟两类。而生物体模拟模型的来源较为广泛，比如实验用大鼠或小鼠，常作为显微神经外科培训的主要材料来源[5]，腹腔镜、胸腔镜、血管外科、以及脑外科培训常采用猪作为实验材料动物[6]。
实验动物
计算机模型则利用三维或者二维建模技术，对人体组织形态、疾病类型、生理状态、诊断过程或者手术方式进行建模。触觉，是虚拟仿真技术的一个基本术语，也是模拟器反馈的一个必需特性之一。而增强现实是指投射到屏幕上或目镜上的计算机模拟图像，是根据真实物体所创建的[8, 9]。因此，构建易用性和实用性更强的模拟模型的基本原则就是“效用性”[10]，是指能够有效满足当前临床所需的一种特性[11]。本文所提到的有效性是指医学领域中所利用到的模拟器或仿真技术是否具有循证医学的理论依据[12]。
计算机虚拟人体
二、神经外科模拟训练的研究进展
美国神经外科协会参照飞行员训练所用的模拟器使用经验[13]开发出了一套适合住院医师进行技能模拟训练的课程，包括[14]：
1. 脑室-腹腔分流系统的穿刺置入及开/闭操作
2. 引流管的安装
3. 颅内压监测探头的安装
4. 脑室外引流
5. 深静脉和动脉插管
6. 急救操作培训
7. 手术显微镜及显微器械使用训练
8. 手术病人的体位摆放
9. 脑外伤后硬膜下血肿的手术去除操作：磨钻使用、骨窗设计、骨瓣去除、 硬脑膜缝合、骨瓣复位以及皮肤缝合。
因此，在全国范围内建设手术模拟训练中心，对于医师的基本操作培训来说应当是非常有益的。下文将对神经外科不同手术的模拟训练及所采用的模型做一综述：
三、 病例与模拟
对于神经外科或者其它高风险的治疗领域来讲，非技术因素往往也是决定干预性手术治疗成功与否的关键。这些些非技术因素包括理想的团队合作、领导力、事态预判、决策决断以及人际沟通等[15]。S. Harnof等通过一些人为设置的“场景”来对神经外科医生的沟通技能进行考量 [16]。研究显示，术中最常见的一些不良事件一般都是人为引发的，“场景”包括：如何获得或确认手术方案、病人出院谈话、手术可能并发症的告知—比如告知病人家属“幼儿脑肿瘤难以切除、术后可能会有严重并发症发生，甚至死亡”等。以色列已经从国家层面上强制要求将这种“情景”培训列为神经外科住院医师培训项目的一部分[16]。
四、 建立神经外科专用尸体解剖实验室
尸体模型
由V.Kshettry等人进行的一项调研显示[17]，95.4%的神经科或神经科学机构主管/主任认为建立神经外科专用的尸体解剖实验室对于医师培训来讲是非常有必要的，并且充分认可虚拟仿真模拟技术可能对医师培训带来的显著益处。目前来看，唯一亟待解决的仅是如何为临床单位的尸体解剖实验室提供充足的尸源的问题，却特别是适合培训用途的、经过指示剂灌注、能够满足各类开颅手术入路研究、高质量的科学研究适用标本[18]。因此，经计算机3D建模的虚拟标本就成为了最有效的补充。
五、 开颅手术模拟
开颅手术准备示意图
牛头骨由于易于获取、价格便宜、操作安全性强，一直以来都是采用高速磨钻进行开颅练习的最常用的材料。实际上，头骨模型的选择会根据实际临床练习的需求，比如骨瓣固定术、颅骨成形术及神经导航手术等的不同而异[19]。对于开颅后皮肤缝合练习来讲，适合选择与头皮软组织结构相似的人工材料进行。这时的“场景”模拟练习可以设定如下：外伤患者突发急性颅内血肿，急诊室在接到“病人”病情突然恶化的信息后，在模拟手术室对假人进行开颅去骨瓣减压手术。
六、 神经内镜操作模拟
神经内镜-脑室镜示意图
R.Sierra等人[20]报道了一种脑室系统虚拟模型，可用来进行特定的术前训练和术中导航，以及进行脑室镜的各种治疗方式的研究。经鼻内镜手术虚拟模型也由此发展而来，且操作基本相似。
近年来，可用于进行特定的术前脑室镜手术训练和术中导航模拟训练的材料有很多：计算机虚拟模型(NeuroTouch)、经过防腐的生物体模型、以及经鼻蝶和脑室神经外科手术操作技术培训用假体等[21]。例如，例如，S.I.M.O.N.T就是一种可以用来研究脑室系统外科解剖、鼻-鼻窦内窥镜和经蝶入路操作技能训练的模拟器。斯坦福大学也专门开发了用于特定病人鼻窦内窥镜解剖和颞骨手术的虚拟仿真技术[22]。
虚拟仿真技术示意图
七、 显微吻合重建模拟
脑动脉搭桥模拟示意图
对于显微吻合技术的训练，常见的方式有：在显微镜下缝合纱布[24]、硅胶管[25]、大/小鼠血管[5]、胎盘组织血管[26]、鸡翅等[27]。其中最为复杂的是术中深部组织吻合的模拟训练 [28, 29]。
八、 蛛网膜下腔解剖及动脉瘤夹闭模拟
蛛网膜下腔解剖操作示意图
显微外科基本技能的训练离不开在实验室内开展的相关培训[30, 31]。比如，Hicdonmez等人[32]对采用新鲜牛脑进行纤维外科器械及技术培训的方式进行了描述。其中提高蛛网膜下腔解剖技术的一种有效途径，是在显微镜下使用不同的显微器械在乳胶手套上、其它人工材料[29]或实验动物模型上进行显微缝合和分离操作[6]。另外，作者还利用在人胎盘组织构建的动脉瘤模型上开展了动脉瘤夹闭等操作培训[33]。
颅内动脉瘤夹闭和栓塞示意图
九、 硬脑膜缝合
硬脑膜缝合示意图
硬脑膜缝合训练常采用的材料包括：人工硬脑膜、硅胶大脑模型以及头骨模型。先将一张较薄的人工硬脑膜延展、紧密覆盖在硅胶大脑模型上，然后通过设计的骨窗进行硬脑膜剪开和闭合操作[34]。同样，这种练习对于脊髓手术硬脊膜缝合操作也是非常有用的[35]。
十、 脑室外引流模拟穿刺
脑室穿刺引流示意图
模拟内容包括穿刺针、输液管、储液囊的连接，以及对组织进行的穿刺操作。穿刺前覆盖一层人造革，这样可以在触碰和穿刺时获得与真实组织相似的触觉反馈。
十一、 脑血管外科
脑血管造影示意图
对于血管干预类手术来讲，相关模型可以分为实体假人模型、动脉瘤动物（猪）模型[36]和动静脉畸形的硅胶模型等[37]。近年来，利用计算机虚拟模型进行血管内干预手术的模拟训练已经逐渐成为了业界最为流行的方式。针对血管手术操作所设计的模拟器模型包含各种训练模块，比如冠状动脉、外周血管和主动脉等[38]，以及少数特殊使用的大脑模型。
颅内动脉瘤及脑血管介入手术示意图
这一类模拟方式的一个非常重要的优势是可以对各种类型的血管及其分支进行模拟切开并提供触觉反馈，并通过能动性的改变其神经生理学特性和血流动力学特性来对操作者的技术进行衡量和评估（相关仪器的价格一般在14万美元左右）。在神经外科的操作实践中，该类模拟器可以用来训练颈动脉和脑动脉的支架植入术、球囊血管成形术、选择性靶动脉给药和血栓切除术等[39]。
十二、 腰椎穿刺
腰椎穿刺训练模型
针对腰椎穿刺手术的模拟训练，现在已经有了专门的仿真假人模型，并配有专门的虚拟触觉模拟器[40]。
十三、 脊柱外科
脊柱病变及治疗示意图
对于脊柱外科手术来讲，目前已有很多物理的和虚拟的模拟模型可供选择进行介入性的手术模拟操作。T. Halis等提出了一种以虚拟现实技术为基础的、可以用来模拟颈椎椎间盘切除手术的模型[41]，但目前虚拟现实技术的精确性仍然存在着争议。目前的解决方式是，在进行手术之前，通过在3D打印的脊柱或骨组织模型上进行手术入路及操作方案模拟演练，并在术前进行手术预计划，这对于在虚拟增强现实下进行模拟操作的不足之处是个有力补充。假人模型目前仅能用于进行颈椎水平的椎间孔切开术、椎板切开的手术模拟[42]、以及对椎弓根螺钉入路的模拟[43]。Sensimmer [44]认为椎弓根固定和椎体成形术的训练也可以在虚拟模拟器Sensimmer中进行[44]。另外，目前可以用于模拟腰椎间盘切除术的假人模型已经开发出来，可以用来进行骨质切除，神经根张力评估，硬膜囊压迫和出血的手术操作的模拟[45]。3S模拟器(SurgicalSpine Simulator)是一种新型模拟器设备，主要用于脊柱侧凸畸形矫正手术的术前手术计划的制定，并可以实时的对手术结果及固定螺丝的松紧程度进行评估 [46]。
十四、 计算机模拟
“Neuro Touch”是最早的虚拟模拟器之一，常被用来进行呼吸机、超声吸引、粉碎及双极电凝的操作，以及止血、鼻内导航和脑室造瘘手术基本操作的模拟及结果的评估。除此以外，还可以用于脑膜瘤和胶质瘤切除的模拟训练，并能够利用触觉反馈系统模拟钢性器械与软性组织的触感，达到对真实操作感受的最大重现，这一点与其它虚拟模拟技术具有共同性。 另外的一些计算机虚拟反馈3D模拟系统，比如“Immersive touch” (USA)不仅可以用来进行开颅、心室导管插管及根管切开等手术的模拟，还可以进行腰椎穿刺、椎弓根螺钉安装、椎体成形术等手术的模拟[44]。
Immersive touch
Dextroscope (Bracco AMTInc., USA)模拟器可以将临床采集的影像学检查结果进行三维重建，然后对手术入路、肿瘤切除、动脉瘤夹闭[48]及颞骨骨瓣去除手术进行模拟操作[8]（手术视野与屏幕3D镜像同步显示），但该系统的唯一不足之处是不能对操作者提供触觉反馈。
Bracco公司[49]开发了一套虚拟现实的设备和软件，能够特异性的对病人图像进行识别和编辑，并指导右旋糖酐的使用[49]。虚拟增强现实系统在临床的另外一种应用是指导术中C臂（X线）的使用。该设备由一个带有集成微型摄像机的空间监测探头组成—可以对手术视野图像进行实时采集。摄像头所采集的视频可以通过集成在设备上的工作站进行图像的注册、融合以及多模态三维图像处理后给操作者提供一种“透视”的视觉体验[9, 50]。
Surgical Planner (Surgical Theater, USA)是近来新出现的一种手术模拟计划软件，可以对动脉瘤进行三维模拟显示，并进行动脉瘤夹闭手术的模拟操作。这个设备的一个最主要优势是能够同时满足远程培训和远程手术协作的需求[51]。
Surgical planner
病人特异性分类模型的建立
针对临床医生培训和针对病人特异性分类的三维模型的建立虽然是未来虚拟手术模拟器的发展方向[52]，但实现这个过程仍需要很长时间。目前已经完成的项目只有动脉瘤夹闭模拟器，包括：Destroscope、Surgical Rehearsal Platform，以及肿瘤切除操作模拟器NeuroTouch。
Destroscope
现代软件科学的发展，使三维图像生成的自动化、精确化都有了大幅度的提高（CT/MRI/DSA等）[53]。数字化的三维图像因为可以进行编辑，因此可以用来进行术前计划和往期手术回顾及分析[54]。比如快速成型技术（3D打印技术）可以将解剖结构进行有需求有计划的打印成型，然后针对性的进行手术计划和干预模拟。常用的3D打印模型有颅骨解剖模型、脑血管模型、脑膜及脑组织模型等[55]。目前来看，临床上对模拟技术的需求相对来说比较重要的、也是比较有前途的是建立一些显微神经外科手术入路相关的三维摄影和视频的素材图谱[56]。
计算机模拟器的多点反馈技术
所有的神经外科手术模拟器系统都包含有三个主要构件：触觉反馈模拟器（感觉效应器）、三维图像显示系统和功能强大的计算软件和处理器。比如，Geomagic Touch的操作精度就达到了0.023 mm，并且可承载的最大压力为7.9 N。
当前有很多企业正在计划开发一些基于触感技术的，更经济、更先进的模拟器和机器人设备。比如，日本的TokyoInstitute of Technology公司就利用上述的触针技术开发了IBIS—一款可以在质量、触感和成本上与达芬奇机器人进行比拟的手术机器人。
神经外科模拟技术将来发展的方向和深入的领域展望
模拟技术在神经外科的应用中具有很大的潜力，主要原因是我们在三维图像下能方便的去理解组织结构的空间关系，这一点不仅有利于临床基础培训，同样对指导手术入路的选择更有意义。其中尤以虚拟增强现实技术更为重要，可以为我们提供一个“组织洞穿”式的即视感受，同时还起到了术中“导航”的作用[58]。 虽然神经外科手术技术和手术方法复杂多样，无形中增加了神经外科手术模拟模型的构建难度，但是在过去的几年中，相关技术仍然有了长足的进步。来自世界不同地区的神经外科医师和工程师们共同建立了多种不同的拟态模型，为神经外科初学者和神经外科培训医师进行脑室穿刺和开颅基本手术技术培训，到更为复杂的肿瘤切除、颅底手术、神经内镜手术和血管显微手术等实践操作训练提供了有力的工具和支持。医学生也因此有了在最简单的模型上演练和发展新技能的机会。虚拟模型的专业相关性越强，就越能引导外科医生能动性的对手术及操作技术进行改进，促进相关专业的发展[59]。与其它医学领域相比，神经外科的教育更加集中化和规范化，在未来是一定是拟态仿真模拟技术的一个最有前途的应用方向。将显微外科培训和尸体神经局部解剖培训纳入到神经外科学专业培训和发展计划中，同时在相关实践和教育中扩展“三维成像”（显微镜和内镜）的应用，对神经外科临床实际来讲将是非常有益的。
注：本文所有图片均来源于公共网络。
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