Глобальным трендом развития системы здравоохранения является использование технологий виртуальной, дополненной и смешанной реальности в медицине [1—4]. Под дополненной реальностью (AR) понимают интеграцию цифровой информации в виде изображений, компьютерной графики, текста, видео, аудио и т.д. и объектов действительного (физического) мира в режиме реального времени [5]. Виртуальная реальность (VR) означает компьютерную имитацию объектов и ситуаций реального или физически не существующего мира, при этом пользователь, находясь в виртуальной реальности, может совершать действия с объектами виртуальной реальности, перемещаться в ней в режиме реального времени, получая информацию через органы зрения, слуха, обоняния и осязания [6, 7]. Комбинацию (VR) и дополненной реальности (AR) называют смешанной реальностью (MR), в которой объекты виртуального мира органично встраиваются в физически существующий мир, составляя единое целое и образуя новую реальность [7].

Объем мирового рынка VR и AR в 2018 г. составил 7,9 и 11,4 млрд долларов США, а его прогнозная оценка на 2023 г. составляет рост до 34,08 и 60,55 млрд долларов США при совокупных среднегодовых темпах роста 33,95% и 40,29% соответственно [8]. Высокая динамика роста объема рынка технологий VR и AR предполагает значительное увеличение спроса на них; среди наиболее востребованных сфер выделяют игровой сектор, здравоохранение, образование и др. [8, 9].

Такие технологии, во-первых, могут принести существенную пользу практической системе здравоохранения, позволяя медицинским работникам и организаторам здравоохранения эффективно решать актуальные задачи при оказании медицинских услуг, а во-вторых, обеспечить развитие системы здравоохранения России в соответствии с мировыми тенденциями. Кроме этого, использование технологий VR, AR и MR соответствует концепции цифровой трансформации экономики России [10].

Поэтому анализ опыта зарубежных стран и оценка перспектив использования технологий VR, AR и MR в сфере здравоохранения России является актуальной задачей, решаемой в настоящей статье.

Для достижения поставленной цели в работе использованы следующие методы исследования: метод информационного поиска, анализ и синтез, индукция и дедукция, восхождение от абстрактного к конкретному, обоснования и рекомендации.

Технологии VR, AR и MR находят применение в разных специальностях медицины, а также в обучении студентов и медицинских работников. Рассмотрим основные направления использования данных технологий.

Хирургия

Технологии VR, AR и MR позволяют осуществлять объемную и поверхностную визуализацию органов и структур организма, границ раздела, отображать информацию, поэтому они могут применяться в малоинвазивной интраабдоминальной хирургии [11]. Так, использование технологий AR обеспечивает интраоперационное руководство врачей-хирургов и позволяет быстро идентифицировать скрытые объекты и критически важные структуры: инородные тела, новообразования, органы, нервы, вены, сосуды и др.

Другим положительным моментом является уменьшение умственной нагрузки хирурга, так как при использовании AR значительно снижается или отсутствует необходимость в постоянном запоминании большого объема информации, сопоставлении результатов исследований и клинической картины пациента. Это позволяет хирургу сконцентрировать внимание на оперативных действиях и процедурах, снизить время принятия решений в процессе проведения операций и, как следствие, сократить длительность проведения хирургических вмешательств. Кроме этого, AR позволяет отображать информацию о последующих действиях хирурга (направления и план оперативных вмешательств), позволяя максимально полно сохранить здоровые ткани и органы пациента. В части проведения лапароскопических операций использование AR может уменьшить дезориентацию хирурга в связи с ограниченной видимостью при проведении операций [11].

Потенциал использования AR в спинальной хирургии показан в работе F. Cutolo и соавт. Описано применение технологии Video See-Through. При использовании специального шлема происходит комбинирование виртуального изображения с реальным, полученным при помощи внешних видеокамер и ренгеновских изображений в процессе обследования пациента. Авторы провели исследование in vitro, применяя симуляцию, в которой практикующий хирург использовал шлем MR и проводил оперативное вмешательство, результатом которого стало то, что он перкутанно достиг ножки дуги поясничного отдела позвоночника, при этом средняя ошибка ложного восприятия составила 1,18±0,16 мм [12].

В работе M. Pfandler и соавт. приведены результаты исследований по использованию технологий VR для симуляционного обучения методам выполнения транспедикулярной фиксации позвоночника, вертебропластики, ламинэктомии шейного отдела позвоночника и спинномозговой пункции. По данным исследования, VR позволяет обучающимся получить знания и овладеть навыками техники проведения хирургических операций. В большинстве случаев группы, которые обучались с использованием технологий VR, быстрее достигали планируемых результатов по сравнению с группой, обучающейся с использованием традиционных технологий. Вместе с тем указано на необходимость проведения дальнейших исследований, так как большая неоднородность данных не позволяет оценить эффективность использования VR. Отмечено, что VR не является альтернативой клинической практике, а может рассматриваться как ее дополнение, при этом малоинвазивные процедуры (вертебропластика и транспедикулярная фиксация позвоночника) лучше поддавались симуляции [13].

Это согласуется с исследованием, в котором подчеркивается, что технологии VR и AR стремительно проникают в хирургию и медицинское образование, позволяя создавать симуляции хирургических процедур, повышая клинические эффекты [14]. Однако для широкого использования этих технологий в сфере здравоохранения необходим эволюционный скачок, обеспечивающий их стандартизацию и количественные измерения.

Многообещающим является использование AR и VR при лечении заболеваний гепатобилиарной системы. Приведен обзор результатов применения технологий AR и VR при хирургии онкологических заболеваний гепатобилиарной системы с рассмотрением клинических диагнозов ряда пациентов. Показано, что AR и VR повышают точность и информативность процедур; это имеет значение при планировании операций, принятии хирургами решений в предоперационный и интраоперационный периоды. Технологическая реализация заключается в том, что виртуальную модель анатомических особенностей оперируемого пациента выводили на дисплей при помощи специального проектора или сам хирург мог работать в шлеме с технологией Video See-Through [15].

Использование AR при операциях на печени позволило улучшить идентификацию и локализацию органов пациента, метастазов и оперируемость [15]. Ограничениями использования технологий являются несовершенство виртуальных моделей, точности их совмещения с анатомическими особенностями пациента, их статичность, проявляющаяся в том, что виртуальная модель создается в предоперационный период и ее невозможно скорректировать в процессе проведения операции. Одним из возможных решений повышения точности соответствия виртуальных моделей анатомическим особенностям пациента в динамике может стать использование технологий флуоресцентной визуализации в ближней инфракрасной области спектра (пациенту вводят флуоресцентные маркеры, попадающие на поверхность органов, что позволяет создать их виртуальные модели в режиме реального времени), а также использование возможностей ультразвука и компьютерной томографии [15, 16].

В вышеприведенных исследованиях отмечается динамичное и многовариантное развитие AR и VR в части создания как оборудования, так и специализированного программного обеспечения, при этом подчеркивается отсутствие системы стандартизации, что сдерживает применение данных технологий в медицине.

Поэтому хорошим подспорьем применение современных цифровых технологий служит в системе образования, поскольку использование технологий MR внедряется легче, позволяя обучать будущих врачей и начинающих хирургов проведению хирургических операций, в том числе под дистанционным руководством. Обучающиеся могут видеть операционное поле глазами опытного хирурга, следить за его взглядом и движениями рук, инструментов и другими действиями, приобретая тем самым профессиональные компетенции [3].

Кардиология

В последнее время технологии VR, AR и MR все чаще используют в кардиологии как при обучении, так и при планировании и проведении процедур в части интеграции физической реальности VR [17, 18]. Это не случайно, так как известно, что сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире и, вероятно, останутся таковыми в будущем. По прогнозам уровня ССЗ на 2030 г., смертность, связанная с болезнями сердца и инсультами, составит порядка 23,6 млн человек [19, 20].

Вот почему в мире большое внимание уделяют использованию современных цифровых технологий в медицине и образовании. Проект Стэнфордского университета (США) «Виртуальное сердце» позволяет обучающимся, в том числе пациентам, с помощью погружения в VR изучать анатомию сердца, понять механизмы его функционирования, а врачам — повысить эффективность лечения [21]. Проект университета Case Western Reserve University (США) дает возможность пользователю изучать анатомию и функционирование систем организма человека [17, 18].

В 2016 г. сотрудники отделения детской кардиологии медицинского центра Шнайдера (Израиль) совместно с компаниями «Филипс» (Philips) и «РеалВью имейджинг» провели оценку использования компьютерной голографии для идентификации опознавательных точек по данным чреспищеводной эхокардиографии и 3D ротационной ангиографии [17, 22]. Показана техническая возможность создания 3D голограмм при взаимодействии света с физическими объектами и создания MR в условиях лаборатории по зондированию и коронарографии сосудов сердца. В исследовании принимали участие пациенты с дефектами перегородок сердца, коронарной артерии, шунтом Гленна и др. Все опознавательные точки успешно идентифицированы как на созданных голограммах, так и при проведении сравнительной оценки традиционными методами [17, 22], что показывает перспективность применения этих технологий в кардиологии.

Технологии VR и AR могут быть использованы в интервенционной кардиологии при транскатетерном протезировании аортального клапана и церебральной эмболической защите. Описаны возможности создания персонифицированной виртуальной (3D) анатомической модели для конкретного пациента [17, 23]. Использование AR и MR позволило отказаться от ангиограммы дуги аорты и дополнительного контрастирования, что привело к снижению негативного воздействия на организм человека контрастных веществ и ионизирующего излучения [17].

Кроме этого, технологии AR и MR позволяют медицинским работникам наглядно объяснять, а пациентам и их родственникам увидеть и понять сложные медицинские диагнозы, ситуации, назначаемые врачом схемы лечения, что способствует снижению напряженности, непонимания и конфликтности между врачом и пациентом [3, 24] и потенциально в системе здравоохранения.

Травмы опорно-двигательной системы

Рассмотрены преимущества интраоперационной 3D-визуализации в ортопедической и травматологической хирургии [25]. Отмечено, что возможность трехмерной интраоперационной визуализации появилась при использовании конусно-лучевой компьютерной томографии и плоскопанельных рентгеновских детекторов. Это позволило не только получать высококачественные 3D интраоперационные изображения в помощь хирургам при проведении операций, но и существенно снизить дозу облучения пациентов, хирургов и хирургических бригад. 3D-визуализация позволяет в безопасном режиме прослеживать редукцию переломов, процедур остеотомии кости и имплантацию [25].

Стоматология

Технологии VR и AR могут быть использованы в стоматологии, в том числе в имплантологии и при планировании челюстно-лицевых процедур и операций [26, 27]. В научном обзоре приведен анализ использования технологий AR в челюстно-лицевой хирургии [27]. Показано, что AR может технически реализовываться по-разному: с использованием носимых хирургом (врачом) устройств дополненной реальности (очков AR), позволяющих реализовывать направленную хирургию с отслеживанием или без такового, а также направленную хирургию, реализуемую при помощи полупрозрачных экранов или основанную на цифровой проекции виртуальных изображений на тело пациента. Следует отметить, что для большинства технологий AR точность между виртуальной моделью и анатомо-физиологическими особенностями пациента составляет порядка 1 мм. Несмотря на то что технологии AR не так часто применяются в клинической практике челюстно-лицевой хирургии, их развитие в будущем не вызывает сомнений [27].

Стоматология, как и большинство медицинских специальностей, является практико-ориентированной, поэтому использование технологий VR, AR и MR, на первый взгляд, представляется проблематичным. Однако это не так, современные технологии включают тренажеры виртуальной реальности с тактильными датчиками, контроллерами движения, позволяющими тем, кто обучается, моделировать, приобретать и развивать навыки работы в конкретной области медицины. Примером успешного использования этих технологий является обучение студентов стоматологического направления в США и Индии [28].

В Университете Юты (США) для студентов-стоматологов 2-го курса разработан и опробован семестровый курс по планированию и установке зубных имплантов, восстановлению одно- и многокомпонентных коронок с использованием VR и AR. Более того, апробация этих технологий также реализована через краткосрочный курс повышения квалификации резидентов Национального стоматологического института и стоматологической больницы Чандигарха (Индия). Обучение проводили с использованием методики «перевернутый класс» [28]. Система позволяет проводить online-оценку результатов обучения студентов, что известно и широко используется в системе высшего образования мировых университетов. Отличительная особенность системы заключается в том, что в процессе обучения имеется возможность контроля и анализа движений рук, направления взгляда студентов-стоматологов, а также мониторинга медицинских предметов (пародонтального зонда, импланта, бормашины и прочего), удерживаемых обучающимися при проведении процедур и действий в конкретный момент времени. Это помогает преподавателям оценивать действия студентов, направляя их [28].

Существовала возможность самостоятельной работы студентов в условиях VR, где они в свободное от аудиторных занятий время самостоятельно изучали дидактические материалы и практиковались, после чего приходили в аудиторию подготовленными, с приобретенными знаниями и навыками, задавали преподавателю вопросы по существу, разбирали сложные клинические случаи [28].

Результаты вышеприведенного исследования согласуются с данными [29], показавшими, что значительная часть исследований по применению VR и AR в обучении студентов-стоматологов связана с доклиническим симуляционным препарированием зубов и с протоколами обучения хирургов. Положительный эффект от использования этих технологий при обучении стоматологов заключается в повышении мотивации студентов и приобретении необходимых моторных функций при проведении профессиональных процедур [29—31].

Офтальмология

Применение устройств VR предполагает наличие у пациента бинокулярного зрения, поэтому данную технологию успешно используют при лечении его дисфункций. В офтальмологии можно использовать VR в амбулаторных условиях в качестве дополнительной терапии по коррекции и улучшению зрения совместно с назначенным ношением очков и линз для пациентов. Например, использование VR, в том числе специализированных игр и видео, обеспечивающих работу двух глаз, позволяет улучшить зрение при амблиопии [32]. Установлено, что положительный эффект дает дихоптическое представление изображений в комбинации с перцептивным обучением. Специализированное оборудование, погружающее офтальмологического пациента в VR, располагает достаточным пространством для того, чтобы его могли использовать пациенты, носящие очки или линзы для коррекции зрения. Как и в случае с другими медицинскими специальностями, применение VR в офтальмологии не заменяет традиционных методов лечения и реабилитации, а может служить лишь дополнительным инструментом работы врача-офтальмолога для повышения качества оказания медицинской помощи [32].

Нейрокогнитивные расстройства

Приведены результаты обзора использования VR пациентами, перенесшими инсульт, имеющими умеренные когнитивные нарушения, болезнь Альцгеймера. Показано, что когнитивная реабилитация с использованием VR позволяет получить положительные эффекты: улучшить память и зрительное внимание, повысить результаты тестов, включающих выполнение двух задач одновременно, способствовать нормализации психоэмоционального состояния пациентов и качества их жизни. По данным обзора, средняя продолжительность сеанса VR составляла 30 мин, количество сеансов — 14 при средней интенсивности занятий 2—3 сеанса/нед. Среди отрицательных моментов использования VR выделяют головокружение, укачивание и тошноту в процессе симуляции, боли в шейном отделе и отрицательные эмоции при неудачах в процессе действий пользователей в VR, наблюдавшиеся у некоторых пациентов [33].

Международный клинический опыт обобщен в работе A. Mirelman и соавт., в которой приведены результаты исследований в пяти клинических центрах, расположенных в Бельгии, Израиле, Италии, Нидерландах и Соединенном Королевстве. Объектом исследования были 302 пациента пожилого возраста (60—90 лет) с высоким риском падений и различными видами двигательных и когнитивных расстройств. Одна группа пациентов, принявших участие в исследовании, занималась на специальной беговой дорожке, а другая — на беговой дорожке и VR 3 раза/нед в течение 1,5 мес. Следует отметить, что в процессе тренировки участников эксперимента использовали VR без эффекта погружения, когда виртуальная реальность отображалась на экране большого размера. При этом использовали видеокамеру с технологией захвата движения. Результаты показали, что через полгода после завершения исследований частота падений людей, прошедших обучение с применением VR, значительно снизилась по сравнению с участниками, которые не использовали VR [34], что подтверждает эффективность данной технологии.

Лечение фобий и тревожных расстройств

Тревожные расстройства и фобии распространены в мире, а их лечение является актуальной задачей [35—38], поэтому важно рассмотреть использование технологий VR для ее решения. По данным L. Ganry и соавт., VR не уступает традиционным методам лечения тревожных расстройств in vivo и может рассматриваться не только как их альтернатива, но и как самостоятельный клинический инструмент, особенно при работе c пациентами, если имеются ограничения их мобильности или особенности их локации и географического расположения [39].

Приведены результаты исследования по использованию VR для уменьшения предоперационных тревожных состояний пациентов, выполненного на базе университетской клиники Henri Mondor (Париж, Франция) [40]. В исследовании участвовали 10 пациентов, средний возраст которых составил 56,9 года. Пациенты погружались в виртуальную реальность при помощи очков и наушников VR, подключенных к компьютеру с установленным специализированным программным обеспечением. Сценарий VR представлял спокойную обстановку пляжа Карибского бассейна, сопровождаемую звуковыми эффектами природы, позволяющими погрузить пациента в VR, отделив его от внешнего мира в течение 5-минутного сеанса. В процессе сеанса оператор наблюдал за действиями и реакциями пациента на цифровом экране. Результаты подтвердили снижение стресса и тревоги пациентов, прошедших сеанс в VR, что подтверждается результатами психологических тестов и уменьшением уровня кортизола [40].

Технологии VR можно использовать как инструмент диагностики социофобии у пациентов [41], а также самостоятельной тренировки людей с этими расстройствами при помощи мобильных VR-приложений [42], что позволяет персонифицировать лечение и является хорошим решением для тех людей, которые в силу разных причин не обращаются за врачебной помощью.

Использование VR-терапии в лечении дентофобии описано в ряде работ [29, 43]. В исследовании, проведенном в центре гигиены полости рта стоматологического факультета Университета СЕГи (Малайзия), приняли участие 30 пациентов в возрастном диапазоне 18—50 лет. Пациенты погружались в VR, представляющую стоматологический кабинет. При этом использовалось несколько сценариев, включающих виртуального стоматолога, находящегося рядом с пациентом, стоматологические инструменты, осмотр ротовой полости стоматологом, инъекции, приближение стоматолога с неработающей и включенной бормашиной. Это позволяло пациентам под контролем медработников виртуально погружаться в ситуации, в которых у них возникали фобии, и постепенно их преодолевать. Для повышения реалистичности в некоторых экспериментах добавляли запахи путем помещения капель жидкости медицинских препаратов рядом с пациентом. Достоинствами является то, что симуляции VR можно персонифицировать, запускать постепенно, в любом удобном месте и в любое время, останавливать симуляцию в любой момент, повторять ее многократно, предотвращать психоэмоциональное травмирование пациента, достигая устойчивого терапевтического эффекта [43].

В заключение следует отметить перспективы использования рассмотренных технологий. Вероятно, многообещающим является применение VR при терапии по восстановлению когнитивных функций у пациентов с шизофренией [44]. Работа пациентов в специализированной интерактивной VR способствовала снижению негативной симптоматики, улучшению социального познания и функционирования, навыков общения и распознавания эмоций, обеспечивая прогресс психосоциальной реабилитации пациентов [44].

По данным J. Negrillo-Cárdenas и соавт., перспективным является использование AR совместно с технологиями 3D-печати органов, костей и проведения на них операций с целью обучения или исследования, что может являться альтернативой тренажерам VR. Актуальным является применение технологий телемедицины в процессе реабилитационных мероприятий, позволяющих пациентам, находящимся удаленно, не только выполнять упражнения дома под руководством врача, но и интегрировать технологии VR в процесс дистанционной реабилитации при развитии персонифицированного подхода [45].

Выводы

Анализ зарубежного опыта применения технологий виртуальной, дополненной и смешанной реальности в здравоохранении показал их эффективность. Данные технологии могут быть успешно использованы в разных областях медицины: хирургии и кардиологии, стоматологии и офтальмологии, при лечении когнитивных расстройств, фобий и т.д. Важно, что технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальности внедряют в систему медицинского образования и повышения квалификации врачей и медицинских работников.

Применение и развитие этих технологий в системе здравоохранения сдерживают некоторые факторы: наличие противопоказаний у ряда пациентов (тошнота, головокружение, боли в шейном отделе позвоночника и др.), детализация графических и визуальных моделей, точность совмещения виртуальной и физической реальности, статичность, а также недостаточный объем клинических исследований и испытаний с позиций доказательной медицины. Другие причины — значительное разнообразие технических средств и программного обеспечения, а также отсутствие стандартизации.

Проведенный анализ показал, что эти технологии позволяют добиваться существенных положительных результатов и являются перспективными. В то же время они не заменяют существующих методов профилактики, лечения и реабилитации, а служат их дополнением, помогающим врачам и пациентам, студентам и профессорско-преподавательскому составу образовательных организаций в части повышения качества медицинской помощи, приобретения профессиональных компетенций и образования.

Несмотря на отмеченные сдерживающие факторы, можно заключить, что технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальности обладают определенным потенциалом внедрения в систему здравоохранения мира и России. Для их реализации необходимы консолидированные усилия организаторов здравоохранения, врачей и медицинских работников, разработчиков решений и технологий, профессорско-преподавательского состава ведущих медицинских университетов и научного сообщества. Немаловажным является внесение изменений в существующую нормативно-правовую базу и разработка новой, позволяющей использовать технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальности в медицине при условии обеспечения безопасности и соблюдения прав пациентов и медицинских работников.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

---

¹Приказ Министерства здравоохранения РФ от 15 ноября 2012 г. №915н «Об утверждении Порядка оказания медицинской помощи населению по профилю «онкология».

²Приказ Министерства здравоохранения Российской Федерации от 20 декабря 2012 г. №1081н «Об утверждении стандарта первичной медико-санитарной помощи при злокачественных новообразованиях легкого I—IV стадии (обследование при проведении диспансерного наблюдения)».

³Федеральный закон от 25.12.18 №489-ФЗ «О внесении изменений в статью 40 Федерального закона «Об обязательном медицинском страховании в Российской Федерации» и Федеральный закон «Об основах охраны здоровья граждан в Российской Федерации» по вопросам клинических рекомендаций».

⁴Министерство здравоохранения Российской Федерации. Рак молочной железы: клинические рекомендации. http://cr.rosminzdrav.ru/#!/schema/236 (ссылка активна на 30.01.20).

⁵Министерство здравоохранения Российской Федерации. Рак легкого: клинические рекомендации. URL: http://cr.rosminzdrav.ru/#!/schema/900 (ссылка активна на 30.01.20).

⁶Министерство здравоохранения Российской Федерации. Рак паренхимы почки: клинические рекомендации. http://cr.rosminzdrav.ru/#!/recomend/87 (ссылка активна на 29.04.20).

<