虛擬現(xiàn)實技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用

林徐苗，袁佳濱，王 超，李孝明，劉 澍，栗景峰，白玉樹，石志才

海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院骨科，上海 200433

人體脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對手術(shù)操作技術(shù)要求高，年輕醫(yī)師熟練掌握手術(shù)技巧需要長期反復(fù)的訓(xùn)練。傳統(tǒng)的“見一、做一、教一”的師徒帶教模式雖然仍是主流，但已無法適應(yīng)醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，術(shù)者在手術(shù)操作過程中兼顧幫帶，無形中亦增加了手術(shù)風(fēng)險[1-2］。尸體訓(xùn)練是過去幾十年來實際手術(shù)的最佳替代[3］，其觸覺反饋真實，保真度高，對解剖結(jié)構(gòu)、位置認(rèn)識直觀，但尸體資源緊缺，且容易傳播疾?。淮送?，新鮮尸體的使用時間有限，無法反復(fù)練習(xí)[4-5］，甚至在一些國家還存在倫理等問題[6］。隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，脊柱外科手術(shù)技術(shù)訓(xùn)練需要更加安全、高效的方法，虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)應(yīng)運而生。VR 技術(shù)可實現(xiàn)復(fù)雜三維解剖數(shù)據(jù)可視化，并可通過模擬系統(tǒng)進(jìn)行操作訓(xùn)練[7］，VR 技術(shù)可使受訓(xùn)者在無風(fēng)險、不匆忙的環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，大大降低了脊柱外科手術(shù)學(xué)習(xí)難度。本文通過對VR技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，探討其在模擬手術(shù)操作、術(shù)前方案制訂及優(yōu)化等方面的應(yīng)用情況，并分析其優(yōu)缺點，現(xiàn)綜述如下。

1 模擬手術(shù)操作

椎弓根螺釘置入技術(shù)已廣泛應(yīng)用于脊柱疾病的治療，亦取得一定的療效，但置釘失敗會導(dǎo)致嚴(yán)重的手術(shù)并發(fā)癥[8］。Kosmopoulos 等[9］的一項薈萃分析表明，術(shù)中使用導(dǎo)航和未使用導(dǎo)航輔助椎弓根螺釘置釘?shù)臏?zhǔn)確率分別為95.2%和90.3%。頸椎、胸椎椎弓根橫徑較腰椎小，椎管相對狹窄，變異度較大，因此，頸椎、胸椎椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確率相對較低[10］。有一定經(jīng)驗的脊柱外科醫(yī)師胸椎椎弓根螺釘?shù)闹冕敎?zhǔn)確率為69% ～ 94%[11］。為提高置釘準(zhǔn)確率，Luciano 等[12］采用3D 多功能手術(shù)綜合訓(xùn)練系統(tǒng)（Immersive Touch，芝加哥伊利諾斯大學(xué)開發(fā)）進(jìn)行胸椎椎弓根螺釘置釘仿真訓(xùn)練，并對模擬椎弓根螺釘置入的學(xué)習(xí)記憶能力進(jìn)行評價，結(jié)果顯示，從訓(xùn)練到測試，置釘準(zhǔn)確性明顯提高；此外，使用者對仿真訓(xùn)練的真實感表示滿意。Ruikar 等[3］提出了一種計算機(jī)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，腰椎椎弓根螺釘置入訓(xùn)練結(jié)果表明，模擬訓(xùn)練與未模擬訓(xùn)練相比，置釘耗時及透視次數(shù)明顯減少，置釘準(zhǔn)確性顯著提高。Gasco 等[13］的研究探討了Immersive Touch訓(xùn)練系統(tǒng)在腰椎椎弓根螺釘置入過程中的應(yīng)用價值，結(jié)果顯示，模擬訓(xùn)練組椎弓根螺釘置釘誤差率顯著下降。Hou等[14］進(jìn)行的一項尸體研究發(fā)現(xiàn)，使用VR 技術(shù)訓(xùn)練胸椎椎弓根螺釘置入可有效提高低年資醫(yī)師的手術(shù)表現(xiàn)，有助于短時間內(nèi)掌握手術(shù)技能。

側(cè)塊螺釘內(nèi)固定術(shù)是脊柱外科高難度手術(shù)之一，不熟練的操作可引起神經(jīng)根損傷、椎動脈損傷、螺釘松動移位等[2，15］。Gottschalk 等[16］將3D 導(dǎo)航模擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于臨床教學(xué)，起到一定的輔助作用，結(jié)果顯示，接受訓(xùn)練組在側(cè)塊螺釘進(jìn)入點的選擇及進(jìn)釘角度的準(zhǔn)確性方面明顯優(yōu)于對照組，且相鄰結(jié)構(gòu)（神經(jīng)根，椎動脈，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)）損傷的發(fā)生率低于對照組。Hou 等[17］使用VR 訓(xùn)練系統(tǒng)評估住院醫(yī)師進(jìn)行頸椎椎弓根螺釘置釘?shù)挠行?，結(jié)果顯示，在置釘?shù)臏?zhǔn)確率、螺釘穿透率等方面模擬訓(xùn)練組均明顯優(yōu)于對照組。

目前VR 技術(shù)已在經(jīng)皮椎體成形術(shù)（PVP）的訓(xùn)練中得到應(yīng)用。Alaraj 等[18］的研究中，PVP 模塊使用多種感官模式，集成觸覺設(shè)備和高分辨率立體顯示，重現(xiàn)了實際手術(shù)的操作環(huán)境。Fuerst 等[19］研發(fā)了一種用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)的高保真度仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電磁跟蹤系統(tǒng)確定術(shù)中器械的位置和方向，在模擬經(jīng)椎弓根入路手術(shù)過程中，受訓(xùn)者和未受訓(xùn)者在手術(shù)靈巧性和持續(xù)時間等方面的表現(xiàn)存在明顯差異。Abe 等[20］將VR 技術(shù)應(yīng)用于輔助臨床手術(shù)的導(dǎo)航中，對5 例椎體骨折伴骨質(zhì)疏松癥的患者行VR 導(dǎo)航PVP，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VR 技術(shù)有助于減少穿刺針移位，避免了椎弓根破裂和骨水泥滲漏等并發(fā)癥，認(rèn)為VR 技術(shù)可為PVP 提供準(zhǔn)確的輔助導(dǎo)航。Weigl 等[21］的研究中利用VR 技術(shù)模擬PVP 術(shù)中骨水泥滲漏和肺栓塞等事件，還原手術(shù)步驟，結(jié)果顯示，高度還原手術(shù)步驟有助于手術(shù)醫(yī)師掌握手術(shù)技巧，提高術(shù)者應(yīng)對術(shù)中突發(fā)情況的能力。

脊柱毗鄰脊髓、神經(jīng)、血管，對于低年資醫(yī)師而言手術(shù)操作有一定難度，使用VR 技術(shù)進(jìn)行模擬置釘訓(xùn)練有助于提高置釘準(zhǔn)確性，并可降低手術(shù)風(fēng)險。相較傳統(tǒng)仿真器，VR 技術(shù)可不限時間、不限地點、不限次數(shù)供訓(xùn)練者使用，為脊柱外科年輕醫(yī)師提供更高效的訓(xùn)練，同時其針對訓(xùn)練者的熟練程度“因材施教”，制訂個性化的培訓(xùn)計劃，并通過重復(fù)訓(xùn)練提高手術(shù)技術(shù)、降低手術(shù)誤差。綜上，VR 技術(shù)在脊柱外科手術(shù)訓(xùn)練中具有一定的使用價值。

2 術(shù)前方案制訂及優(yōu)化

脊柱畸形患者椎體形狀及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，嚴(yán)重者壓迫心臟、脊髓，影響呼吸循環(huán)功能。對于復(fù)雜的脊柱畸形手術(shù)，單純的后路釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定往往不能獲得滿意的效果，需要進(jìn)行脊柱截骨矯形[22-23］。但該手術(shù)技術(shù)要點難、操作風(fēng)險大，成為年輕骨科醫(yī)師的一項巨大挑戰(zhàn)。姚欣強(qiáng)等[24］將12 例脊柱畸形患者按治療方法分組，VR 組6 例通過術(shù)前重建、虛擬截骨、自動生成截骨模型、挑選最合適的截骨方式進(jìn)行手術(shù)，對照組6 例采用傳統(tǒng)截骨矯形治療，結(jié)果表明，VR 組的手術(shù)時間和術(shù)中出血量均小于對照組，且側(cè)凸Cobb 角和后凸Cobb 角的矯正率優(yōu)于對照組，證明VR 技術(shù)有助于脊柱畸形手術(shù)方案的制訂及優(yōu)化。Hsieh 等[25］使用VR 技術(shù)研究脊柱畸形治療方法，在仿真過程中提供皮膚、軟組織和骨骼表面的立體圖像，精確預(yù)測了手術(shù)過程及結(jié)果，證實VR技術(shù)用于術(shù)前設(shè)計可精準(zhǔn)地糾正脊柱畸形。李春海等[26］利用VR技術(shù)進(jìn)行患者個體化模型重建，可在術(shù)前對患者病情進(jìn)行精準(zhǔn)評估、完善術(shù)前規(guī)劃，避免術(shù)中反復(fù)調(diào)整增加醫(yī)患輻射損傷。

此外，對解剖細(xì)節(jié)的深度理解也可使術(shù)中操作針對性更強(qiáng)，降低并發(fā)癥的發(fā)生率。Majdouline等[27］使用計算機(jī)模型實現(xiàn)脊柱手術(shù)模擬器（S3）對1 例脊柱側(cè)凸患者進(jìn)行了702 種脊柱側(cè)凸內(nèi)固定手術(shù)方案的模擬，結(jié)果表明，較少節(jié)段的內(nèi)固定同樣可獲得與多節(jié)段內(nèi)固定一樣的矯形效果，還可最大限度保留脊柱的活動度，S3 起到了一定的優(yōu)化手術(shù)方案的作用。采用VR 技術(shù)進(jìn)行術(shù)前模擬，可以對脊柱畸形患者的類型、程度及軀干平衡有更全面、深入的理解，有助于術(shù)前規(guī)劃最佳的手術(shù)方式，極大程度地規(guī)避術(shù)中可能發(fā)生的脊髓神經(jīng)損傷。VR 技術(shù)用于脊柱畸形等疑難病例的術(shù)前方案設(shè)計和術(shù)后效果評估，有助于提高手術(shù)效果，亦可幫助患者更好地理解手術(shù)過程，進(jìn)一步提高手術(shù)滿意度。

3 總結(jié)及展望

VR 技術(shù)包括視覺渲染和觸覺反饋，計算機(jī)結(jié)合CT、MRI 圖像數(shù)據(jù)模擬出視覺渲染模塊以達(dá)到仿真效果，并將模擬操作過程中力覺信息反饋給觸覺設(shè)備[28］，將所看到的與可能感受到的現(xiàn)實感覺相結(jié)合，獲得更加精細(xì)具體的仿真體驗。與傳統(tǒng)的手術(shù)訓(xùn)練相比，VR 技術(shù)營造了完全沉浸式的訓(xùn)練環(huán)境，加強(qiáng)了對復(fù)雜三維骨結(jié)構(gòu)的理解和對手術(shù)器械的運用，為受訓(xùn)者提供了近乎真實的仿真交互感，具有及時指導(dǎo)和反饋的功能，在未來脊柱外科醫(yī)師的教學(xué)培養(yǎng)及臨床工作中有廣闊的應(yīng)用前景。

VR 技術(shù)的優(yōu)點[29-31］:①使解剖結(jié)構(gòu)三維可視化，操作者可無限制重復(fù)訓(xùn)練，增加訓(xùn)練頻率并減少傳統(tǒng)訓(xùn)練中的資源浪費。②有利于提高脊柱外科醫(yī)師的操作速度和操作精準(zhǔn)性，降低實際手術(shù)中的錯誤率。③提供實時反饋，錯誤操作可即刻反饋給操作者，亦可根據(jù)操作者表現(xiàn)調(diào)整難度水平，增加學(xué)習(xí)模塊。④在術(shù)前對截骨、融合等復(fù)雜危險不可逆操作進(jìn)行模擬，進(jìn)一步提高手術(shù)安全性和有效性，術(shù)前進(jìn)行VR 模擬的患者對手術(shù)過程及術(shù)后的滿意度亦明顯提高。

雖然目前VR 技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域已有初步的研究和應(yīng)用，但是，由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全面的視覺重建和操作范圍有限。本文通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，研究主要集中于構(gòu)建脊柱模型用以模擬手術(shù)訓(xùn)練，但多為小樣本單中心研究，故尚需大樣本多中心的進(jìn)一步研究支持；VR 技術(shù)目前受眾人群僅局限于年輕醫(yī)師，期待未來可用于對高年資醫(yī)師手術(shù)操作的指導(dǎo)。此外，VR 技術(shù)尚未真正用于脊柱外科指導(dǎo)臨床工作，影像數(shù)據(jù)的獲得受現(xiàn)有儀器設(shè)備性能所限，精細(xì)度有待提高；力學(xué)反饋信息數(shù)據(jù)來源需要實際的操作來收集，觸覺輸出需要更加完美的軟件計算和更加貼近真實的機(jī)械模擬；VR 技術(shù)設(shè)備價格昂貴影響其推廣應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)正朝著數(shù)字化、信息化發(fā)展，脊柱外科VR技術(shù)目前尚不能完全取代真實訓(xùn)練和完全預(yù)見手術(shù)，但隨著研究的不斷深入，VR 技術(shù)勢必成為脊柱外科手術(shù)訓(xùn)練的有效補(bǔ)充和術(shù)前制訂手術(shù)方案的有效方法。