一臺鼻竇癌手術正在進行。
這類手術的畫面頗具視覺沖擊力，外科醫生需要『掀開』患者的半張臉，才能暴露出腫瘤所在的位置。
圖源：Giphy
後來有了微創技術，如今對於一些病例，用一個直徑三到四毫米的小內窺鏡就能穿過鼻腔、切割腫瘤。
但這就像把主刀醫生置於一條陷阱重重的狹窄小巷——鼻竇位於人的頭骨上，在鼻子和眼眶稍後一點的位置，周遭遍佈著精密又重要的組織，視神經、眼球、硬腦膜……甚至還有為大腦供血的頸動脈。
一毫米的誤差都可能深刻影響患者的術後人生。
這次手術不同尋常的是：主刀醫生面前的儀器裡打出了一道光，手術區域隨即出現了腫瘤的 3D 影像，疊加在了患者身上。
影像裡，腫瘤是一塊亮粉色的立體建模，邊緣清晰可見，這就是他需要下刀的地方。
圖源：參考資料 [1]
隨著手術進行，投影儀上的光學傳感器也在持續運作，追蹤、重新校準，以準確反映患者頭顱的內部構造。
它像是給了醫生一副透視眼，『這樣我就知道，打開那扇門，去掉這塊骨頭，有一條頸動脈或者視神經隱藏在後面』主刀醫生如此形容道。
癌症手術的恒久難題
這並非真人身上進行的手術，而是加拿大腫瘤外科醫生 Jonathan Irish 在 2021 年運用 AR 《增強現實》技術進行的一場模擬實驗。
他和團隊試圖破解一個恒久難題：在癌症手術中，如何盡量切除幹凈癌變細胞，同時最大限度保留下健康組織？
這個問題在鼻竇癌手術中尤為突出。
鼻竇是頭骨上的四對腔室，靠近鼻子和眼眶的位置。
平時，它們加熱吸入的空氣，又像汽車安全氣囊一樣，在我們被『打臉』的時候起到緩沖作用。
圖源：維基百科
但由於一些原因，比如長期暴露於化工粉塵，這部分可能發生病變，發展成惡性腫瘤。
鼻竇腫瘤發病率並不高，但早期症狀不明顯，常被誤認為感冒，因而真正發現時往往已經是晚期。
此時，腫瘤可能已經走出鼻竇，擴散到眼窩甚至淋巴結處。
人體的頭面部本就結構復雜，在腫瘤壓迫下還發生了組織變形。
這讓手術變得困難重重——切得過於保守，癌症復發的幾率就會增加；過度切除則可能讓患者喪失一些正常生理功能。
常見的手術方案有兩種，開放式手術和內窺鏡手術。
但即便是視野更開闊的前者，也常常無法完全切除癌變細胞，還會留下大塊的面部瘢痕。
同時，每次切開患者皮膚，都可能發生感染。
因此，執刀醫生都對提高手術精確度、縮短手術時間的需求尤為強烈。
過去，手術會借助 X 光、MRI、CT 等手段對患者進行術前掃描，以二維的模式顯示病灶信息，進行圖像引導。
但這種方法存在一些顯著缺點：可讀性差，組織結構的空間位置和毗鄰關系缺乏立體感。
因此，醫生仍非常依賴經驗和直覺來判斷動刀的大小、切除的深度。
而且，手術期間，醫生需要不斷在患者和電腦屏幕之間來回查看，難免造成分神與幹擾。
Irish 想到，能不能幹脆將腫瘤圖像投影到患者頭上？
使用 AR 對不同類型的鼻腔鼻竇腫瘤進行投影，綠色的點用於位置對齊 ｜參考資料 [1]
跟著 AR 『導航儀』走
AR 手術跟熒光引導手術異曲同工。
熒光引導手術是通過向體內註入熒光染料，更明確地顯示病灶與健康組織的邊界，協助醫生進行切除。
AR 則是通過投影的方式來展現這個邊界。
在這方面，鼻竇癌手術天然適合：它生長於骨頭上——這是一個固定不變的組織，術前依據掃描圖像生成的建模，與手術時器官的大小、位置，是幾乎一致的。
這樣一來，投影圖像才能夠與腫瘤位置完全重疊。
相比之下，肺或是舌頭這類柔軟的組織更加不穩定，可能在手術期間移位變形。
它們的術前掃描在術中隻能作為一個參考，具體位置還要視情況而定。
建模過程就相當於『做了一次手術』。
團隊裡有五名工程師，每一位都有進入手術室的特權，他們雖然不進行手術，卻會在建模上標註出虛線和路徑，設置各種參數，設定好該如何切割下腫瘤以及周圍的骨骼或軟組織。
到真正手術的時候，『我的工作基本上就是去執行這些設定』 Irish 表示。
圖源：Giphy
2021 年，Jonathan Irish 開始帶領醫療團隊運用 AR 技術進行鼻竇癌手術的模擬實驗。
他們使用人造頭骨、丙烯酸膠的可塑材料模擬出晚期鼻竇癌的狀況，交由五名擁有 3 到 5 年的外科醫生在模型上進行虛擬的腫瘤移除。
AR 設備包括了便攜式高清投影儀、立體紅外相機、攝像頭和筆記本電腦。
AR 手術佈局 ｜參考資料 [1]
對比傳統手術， AR 輔助的手術將殘留腫瘤組織的錯誤率從 20.7% 降低至 9.4% 。
(A) 傳統圖像引導手術系統佈局，(B) (C) (D) 由監視器顯示的腫瘤三維重建模型｜參考資料 [1]
利用眼球追蹤技術，研究團隊還記錄了手術期間醫生的視線位置。
他們發現，通過監視器引導手術的時候，醫生的視線有超過 20% 的時間並非集中於手術區域；AR 輔助手術時，這個比例則是零。
這個方法還不需要借助礙人的眼鏡或笨重的頭盔，使得醫生在長時間手術中更加輕便靈活，不會因為長期設備而引起眩暈。
Jonathan Irish 將手術中的 AR 技術運用比作車輛導航系統。
二十年前司機開車迷路時，需要停下車，從抽屜裡拿出地圖，鋪開它，查看想去的路線。
現在，大部分人車裡都不再有紙質地圖，取而代之的是導航系統。
只要輸入地址，導航系統就會自動規劃，用藍色標註出該走的路線，並幫助司機選出最短的那一條。
經過不熟悉或復雜的地段時，導航系統也會提示該如何繞過障礙物，找到最佳路徑。
車載導航系統實時給司機規劃路線｜Unsplash
除此之外，導航系統還能在前方出現緊急路況，或是車輛將與其他物體發生碰撞時，向司機發出警報，以避免誤入禁區。
對於鼻竇癌手術而言，『禁區』可能是眼睛和大腦的敏感區域。
由於位置非常靠近，手術時，醫生稍不留神就會觸碰到眼球轉動神經和視神經，對視力造成永久傷害。
AR 設備會在醫生們距離重要神經還有幾毫米時，以不同的聲響發出信號，避免觸及。
幾毫米的差別，對於患者的術後生活卻是質的不同。
AR 手術，其實早就不新鮮啦
據統計， 2023 至 2032 年，AR/VR 在醫療領域中的市場規模預計增長超過 20% 。
此時距離 AR 手術的首次探索其實已經過去了 25 年。
1997 年，B. Peuchet 等醫生在法國的 University Hospital Clermont-Ferrand 首次進行了 AR 在脊柱手術的應用。
他們開發了一個名叫『虛擬現實椎體視覺』的系統，通過熒光鏡，將生成的 3D 透明椎體圖像重疊在手術視野中，方便醫生準確定位椎體移位的位置。
多年來 AR 技術一直被限於教室中，培訓醫學生進行血塊清除，但近幾年， 真實的應用案例開始嶄露頭角。
2020 年 6 月，約翰霍普金斯大學的神經外科醫生在手術中成功使用 AR 技術，醫生們利用 AR 技術將六個螺絲釘植入患者的脊柱，緩解了患者長期嚴重的背部疼痛。
與此同時，阿拉巴馬大學與埃默裡大學也使用谷歌眼鏡試行了一起骨科肩關節置換術；斯坦福大學則在開發自己的 AR 手術設備。
約翰霍普金斯的醫生使用 AR 技術將醫學掃描圖像疊加到手術視野中 ｜ hopkinsmedicine.org
中國也存在這樣的案例。
2018 年，西安市兒童醫院的醫生們在 AR 輔助下，完成了一例兒童顱內血管畸形切除手術。
但 Jonathan Irish 也表示，任何一項科學技術都無法取代一名優秀的外科醫生。
這項技術並非沒有局限。
首先，3D 圖像的疊加可能會導致醫生出現『視野盲區』——視野中出現一個意料之外的物體卻沒有看見。
AR 呈現的復雜信息，也可能會分散醫生的注意力。
因此在手術前，醫生以及技術人員對於重要信息的篩選尤為重要。
AR 手術對設備的要求也很高。
病灶部位通常都是凹凸的表面，投影需達到足夠的圖像對比度才能足夠看清；獲取高精度的三維掃描數據需要額外的設備和時間，對於資源有限的醫療機構，很難負擔其高昂的成本。
依賴設備的弊端也在於，一旦手術過程中設備出現故障或者數據出現問題，很可能會影響到手術的進行。
追蹤系統的反應延遲會導致投影儀無法及時重新定位，降低精準度，影響手術質量。
除了手術，AR 在醫院還能幹啥？
如今，AR 技術在醫療領域的應用不僅限於手術，在其他醫療場景也運用廣泛。
疫情期間，由於個人防護設備緊缺以及病房內的人員限制，英國國民醫療服務體系《NHS) 下的醫療機構借助微軟的 HololLens AR 設備搭建遠程病房巡視團隊。
這項技術隻需要一名醫生進入病房巡視，通過 HoloLens 全息可視化圖像顯示病人的掃描圖像及實時數據，遠程聯系醫療團隊提供指導，輔助診斷。
HoloLens 大大提高了病房巡視效率，使得巡視次數減少了 30% 。
醫生病房巡視中借助 HoloLens 查看病人掃描圖像，遠程聯系醫療團隊 ｜ Microsoft HoloLens
AR 技術也在悄悄造福自閉症患兒。
波士頓兒童醫院主任 Howard Shane 曾表示，自閉症兒童的口語交際能力相對困難，大部分學習都是通過觀看進行的。
『他們通常非常安靜，但對視覺的東西有很強的偏愛』
因此，視覺互動是自閉症兒童學習口語能力和理解能力的有效辦法，而 AR 技術則提供了一個非常有趣的解決方案。
波士頓兒童醫院為一組傳統兒童玩具設計了虛擬化身：一個包含不同角色的農舍，例如男孩、馬、谷倉、雞、雞蛋。
孩童可以將它們搬進搬出。
隨著不同的排列組合，設備會給出語音提示。
給自閉症兒童架起一座視覺與聽覺的橋梁。
實驗發現，原本無法玩過家家遊戲的小孩子，在 AR 的視覺模式下，完成了所有的單步指令。
AR 技術的圖像與物理環境疊加，幫助自閉症患兒感知世界 ｜ 參考資料 [11]
參考文獻
[1] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fonc.2021.723509/full
[2] https://emedicine.medscape.com/article/1899145-overview
[3] https://www.hopkinsmedicine.org/health/conditions-and-diseases/paranasal-sinus-tumors#:~:text=A%20paranasal%20sinus%20tumor%20is,is%20growing%20until%20it%20spreads.
[4] https://www.opticsjournal.net/Articles/OJc22853ad81ef8ab4/FullText
[5] https://www.uhn.ca/corporate/News/UHN_Podcasts/Behind_the_Breakthrough/Pages/Season4-Episode5-Jonathan-Irish.aspx
[6] https://www.gminsights.com/industry-analysis/augmented-and-virtual-reality-in-healthcare-market
[7] https://www.hindawi.com/journals/jhe/2017/4574172/
[8] https://www.hopkinsmedicine.org/news/articles/johns-hopkins-performs-its-first-augmented-reality-surgeries-in-patients
[9] https://www.sohu.com/a/277193761_141656
[10] https://www.microsoft.com/en-us/hololens/industry-healthcare#:~:text=HoloLens%202%20x%20Healthcare&text=With%20HoloLens%202%2C%20health%20professionals,Guided%20Tour
[11] https://emag.medicalexpo.com/an-augmented-reality-app-to-help-children-with-autism/
作者：Bean
編輯：翁垟、biu
封面圖來源：Unsplash
