擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

侯 洋，劉孝文，趙天翌，史國棟

海軍軍醫(yī)大學(xué)長征醫(yī)院骨科，上海 200003

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）技術(shù)是一種將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息結(jié)合的技術(shù)，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）等。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)不同，XR 可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬環(huán)境或?qū)⑻摂M元素添加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，從而為用戶提供全新的沉浸式體驗(yàn)。AR 是一種在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中疊加虛擬圖像或信息的技術(shù)，可通過智能手機(jī)、平板電腦、AR 眼鏡等設(shè)備觀察到增強(qiáng)后的現(xiàn)實(shí)場景［1-2］；VR 是一種完全沉浸式的技術(shù)，使用頭戴式顯示器等設(shè)備讓用戶進(jìn)入一個(gè)虛擬環(huán)境中，并與虛擬世界互動［3-6］；MR 則是將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬元素結(jié)合在一起，讓用戶在現(xiàn)實(shí)世界中與虛擬元素互動［7-9］。XR技術(shù)使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和視覺技術(shù)生成虛擬內(nèi)容，虛擬內(nèi)容可以是2D或3D模型、視頻、文本或其他交互元素，可以根據(jù)用戶的位置和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的渲染和疊加，與真實(shí)世界進(jìn)行交互［10-11］。XR 技術(shù)使用各種顯示設(shè)備來呈現(xiàn)虛擬內(nèi)容，包括智能手機(jī)、平板電腦、AR 眼鏡、頭戴式顯示器等。顯示設(shè)備將虛擬內(nèi)容疊加到用戶的視野中，使用戶能夠同時(shí)看到虛擬內(nèi)容和真實(shí)環(huán)境［8］。XR 技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，包括娛樂、教育、醫(yī)療、制造業(yè)、建筑和軍事等。在醫(yī)療領(lǐng)域，XR 可以提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性，提供更好的醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)方式，改善醫(yī)患溝通等［12］。

骨科手術(shù)需要醫(yī)師具備高度的專業(yè)知識和豐富的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。然而，骨科手術(shù)仍面臨著各種挑戰(zhàn)，如手術(shù)難度大、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，XR 技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于骨科手術(shù)教學(xué)中，為醫(yī)師和患者提供更加安全、精準(zhǔn)、個(gè)性化的手術(shù)方案和康復(fù)方案。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，本文對XR 技術(shù)在骨科手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)實(shí)踐、手術(shù)教學(xué)、術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練和應(yīng)用前景等方面展開分析，綜述如下。

1 手術(shù)規(guī)劃

Zawy Alsofy 等［13］評估了VR 技術(shù)在單節(jié)段單側(cè)骨性頸神經(jīng)孔狹窄患者的手術(shù)規(guī)劃和術(shù)后評估中的潛在影響，結(jié)果表明，將頸椎的2D CT 圖像重建為3D 圖像，利用VR 模型進(jìn)行空間和解剖重建，可以幫助醫(yī)師規(guī)劃手術(shù)方法和治療策略，并評估其術(shù)后效果。De Salvatore 等［14］選取了60 例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（AIS）患者，分別采用傳統(tǒng)的2D CT 圖像的屏幕可視化（對照組）和利用Google Cardboard進(jìn)行3D 解剖模型的交互式探索的VR（VR 組）進(jìn)行預(yù)操作規(guī)劃，比較2 組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、住院時(shí)間及手術(shù)醫(yī)師滿意度，結(jié)果顯示，VR 組手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量顯著降低，手術(shù)醫(yī)師滿意度更高。Courvoisier 等［15］對AIS 患者進(jìn)行術(shù)前和術(shù)后雙平面低劑量X 線片拍攝，生成脊柱的數(shù)字化3D 模型，然后對模型進(jìn)行3D 打印，以模擬脊柱手術(shù)。該方法可用于脊柱側(cè)凸手術(shù)的VR 培訓(xùn)，包括使用3D 打印模型測試手術(shù)器械和置入物。Handels 等［16］采用VR技術(shù)進(jìn)行髖關(guān)節(jié)手術(shù)術(shù)前規(guī)劃，用于模擬骨腫瘤手術(shù)中的髖關(guān)節(jié)重建，生成3D 圖像幫助外科醫(yī)師在術(shù)前確定假體位置和形狀，通過CT 和MRI 數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和分割，在3D 可視化環(huán)境中生成腫瘤在骨內(nèi)的圖像，以支持醫(yī)師在規(guī)劃過程中的決策；該虛擬手術(shù)規(guī)劃環(huán)境還可構(gòu)造個(gè)體化的假體，而無須生成昂貴的實(shí)體3D 模型，3D 圖像和數(shù)字影像還可用于記錄患者信息。Archavlis 等［17］采用VR 技術(shù)對7 例（2例不穩(wěn)定爆裂骨折，5例轉(zhuǎn)移性破壞性椎體病變）患者進(jìn)行經(jīng)椎弓根椎體切除術(shù)的術(shù)前規(guī)劃，術(shù)前經(jīng)VR 規(guī)劃，所有置入物均置于最佳位置，且無神經(jīng)并發(fā)癥；表明3D 虛擬解剖模型有助于術(shù)前規(guī)劃，可提高手術(shù)安全性。高潤子等［18］采用VR 技術(shù)輔助經(jīng)股骨頸基底部旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)治療股骨頭壞死，術(shù)前采用VR 技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，術(shù)中按照術(shù)前規(guī)劃進(jìn)行旋轉(zhuǎn)截骨，結(jié)果顯示療效滿意，術(shù)后切口均Ⅰ期愈合，均達(dá)到VR 術(shù)前規(guī)劃的旋轉(zhuǎn)角度，隨訪時(shí)Harris評分明顯提高，髖關(guān)節(jié)評分優(yōu)良率為72.7%，表明VR 技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃有較高的應(yīng)用價(jià)值。

骨科手術(shù)前，醫(yī)師需要對患者進(jìn)行全面的檢查和詳細(xì)的評估，并根據(jù)患者的具體情況制訂手術(shù)方案。傳統(tǒng)的手術(shù)評估方式主要依賴于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)和手感，容易受到人為因素的影響。XR 技術(shù)可以幫助醫(yī)師更加準(zhǔn)確地評估患者情況，為手術(shù)方案制訂提供更加科學(xué)的決策。XR 技術(shù)采用患者的CT 和MRI影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建脊柱3D 模型并模擬手術(shù)操作過程，醫(yī)師通過觀察手術(shù)區(qū)域的3D 結(jié)構(gòu)，識別潛在的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和困難，可制訂詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃。

2 手術(shù)實(shí)踐

Felix 等［19］采用AR 技術(shù)作為脊柱手術(shù)的導(dǎo)航工具，在7 具脊柱標(biāo)本上置入124 枚螺釘；AR 技術(shù)通過預(yù)先計(jì)劃的虛擬路徑置釘，采用術(shù)前dicom 數(shù)據(jù)和光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航，醫(yī)師通過HoloLens 2 頭戴式顯示器查看帶有快速響應(yīng)碼的打印鏈接，通過語音命令定位并操作螺釘，結(jié)果表明，AR 技術(shù)置釘具有高度準(zhǔn)確性，可以減少透視次數(shù)、縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)成功率。Wang 等［20］采用一種基于AR技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，用于改進(jìn)經(jīng)典的股骨頭壞死髓內(nèi)減壓手術(shù)，結(jié)果表明，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示手術(shù)區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)，并在手術(shù)視頻中渲染術(shù)前影像和虛擬針頭，從而指導(dǎo)醫(yī)師準(zhǔn)確插入導(dǎo)針至目標(biāo)病灶區(qū)域，最小化周圍組織的損傷；與傳統(tǒng)手術(shù)相比，定位和熒光成像的效率大大提高，穿刺的準(zhǔn)確性也得到了保證。Cho 等［21］通過動物模型研究亦證實(shí)AR 技術(shù)導(dǎo)航骨腫瘤切除的準(zhǔn)確性較傳統(tǒng)方法顯著提高。Befrui 等［22］開發(fā)了一種不需要紅外追蹤標(biāo)記的AR 可視化外科導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用紅綠藍(lán)深度（RGBD）攝像機(jī)，為骨折治療提供了靈活且直觀的可視化效果，不需要紅外追蹤標(biāo)記，使外科醫(yī)師能夠更快地完成手術(shù)并減少醫(yī)患的輻射暴露。Spirig 等［23］使用AR 技術(shù)進(jìn)行椎弓根螺釘置入的尸體實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，AR 導(dǎo)航組（平均進(jìn)釘點(diǎn)差異為5.99 mm，平均軌跡偏差為5.88°）較傳統(tǒng)手法置入組（平均進(jìn)釘點(diǎn)差異為4.74 mm，平均軌跡偏差為11.21°）具有更高的軌跡精度。Guo 等［24］將AR 技術(shù)用于后路微創(chuàng)手術(shù)治療肩胛骨骨折，發(fā)現(xiàn)AR 技術(shù)能夠提供精確的術(shù)前計(jì)劃和術(shù)中導(dǎo)航，顯著減少手術(shù)時(shí)間和出血量。Tsukada 等［25］評估了在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）中使用AR 導(dǎo)航提高股骨遠(yuǎn)端切除準(zhǔn)確性的可行性和有效性，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)髓內(nèi)引導(dǎo)器相比，AR 導(dǎo)航在實(shí)驗(yàn)和臨床環(huán)境中都能獲得更準(zhǔn)確的切除角度，冠狀位對齊的平均絕對誤差值更小。

在骨科手術(shù)中，醫(yī)師需要通過手術(shù)器械進(jìn)行修復(fù)和重建，傳統(tǒng)的手術(shù)方式存在學(xué)習(xí)時(shí)間長、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、術(shù)后恢復(fù)慢等問題。XR技術(shù)可以幫助醫(yī)師更加精準(zhǔn)地進(jìn)行手術(shù)，提高手術(shù)成功率和康復(fù)質(zhì)量。XR技術(shù)使用追蹤設(shè)備將患者手術(shù)部位的3D 模型與實(shí)際手術(shù)操作場景對齊，有助于醫(yī)師更精確地定位手術(shù)器械和手術(shù)區(qū)域，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和誤差。

3 手術(shù)教學(xué)

本團(tuán)隊(duì)以往的研究［26-28］中，將VR 技術(shù)用于住院醫(yī)師脊柱椎弓根螺釘置入技術(shù)的培訓(xùn)，通過CT掃描評價(jià)VR 培訓(xùn)組和傳統(tǒng)教學(xué)組在尸體標(biāo)本上椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確率，結(jié)果表明，VR 培訓(xùn)組螺釘置入準(zhǔn)確率較傳統(tǒng)教學(xué)組高、學(xué)習(xí)周期短，顯示出更好的教學(xué)效果。Palet 等［29］評估了膝關(guān)節(jié)鏡VR模擬器的有效性，結(jié)果表明，VR 模擬器使住院醫(yī)師能夠在更安全的環(huán)境中練習(xí)手術(shù)技術(shù)，從而減少實(shí)際手術(shù)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)和局限性。Lohre 等［30］的肩關(guān)節(jié)置換模擬仿真研究表明，VR 技術(shù)的逼真程度更高，教學(xué)效果和技術(shù)評分均優(yōu)于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法，能夠有效教授復(fù)雜的手術(shù)技巧，且學(xué)習(xí)時(shí)間縮短570%。Blumstein等［31］比較了VR技術(shù)和《標(biāo)準(zhǔn)化指南》（SG）培訓(xùn)在骨科手術(shù)技術(shù)學(xué)習(xí)上的效果，結(jié)果表明，VR組的醫(yī)學(xué)生在模擬脛骨內(nèi)固定手術(shù)中表現(xiàn)更好，步驟正確率也顯著高于SG 組。Sugand 等［32］采用VR模擬器對未熟悉動態(tài)髖部螺釘（DHS）導(dǎo)絲插入的本科醫(yī)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，結(jié)果顯示，VR 組在所有訓(xùn)練指標(biāo)上均有顯著改進(jìn)，而對照組無顯著變化；證實(shí)VR 系統(tǒng)的使用提供了額外的臨床訓(xùn)練機(jī)會，具有推廣應(yīng)用潛力。Logishetty 等［33］研究了AR 是否能夠提高關(guān)節(jié)置換術(shù)中放置髖臼假體的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明，AR 組的醫(yī)學(xué)生在所有培訓(xùn)課程中的方向定位誤差比傳統(tǒng)教學(xué)組小。余可誼等［34］探索了MR 技術(shù)在經(jīng)皮經(jīng)椎間孔入路腰椎椎間盤切除術(shù)臨床教學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)果顯示，MR 組在學(xué)習(xí)的主動性、趣味性和3D立體想象力等方面具有顯著優(yōu)勢，但2組學(xué)生在對知識的掌握程度上無明顯差異；研究認(rèn)為，MR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中應(yīng)用潛力巨大、前景廣闊，可提高醫(yī)學(xué)教學(xué)的形象化、交互性和空間感。

XR 技術(shù)用于復(fù)雜的脊柱手術(shù)培訓(xùn)，醫(yī)師通過VR 和AR 技術(shù)，在真實(shí)的手術(shù)場景中進(jìn)行實(shí)踐，可有效提高醫(yī)師的手術(shù)操作技能。

4 術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練

Wang 等［35］研究了66 例接受擇期骨科手術(shù)的患者，并根據(jù)其意愿將其隨機(jī)分配到傳統(tǒng)訓(xùn)練組和AR 組，AR 組通過AR 應(yīng)用程序進(jìn)行呼吸、肌力和步行等方面的康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果表明，AR 組的吸氣流速高于傳統(tǒng)訓(xùn)練組，且AR 組的可行性（自信水平和焦慮減輕）和效力（合作和宣教效果）均優(yōu)于傳統(tǒng)訓(xùn)練組。Abbas 等［36］對下肢截肢患者的康復(fù)運(yùn)動進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)VR 技術(shù)可用于改善單側(cè)創(chuàng)傷性下肢截肢者的平衡和步態(tài)問題。Prvu Bettger 等［37］采用VR 技術(shù)物理治療TKA 術(shù)后的患者，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)物理治療組比較，VR 組的醫(yī)療費(fèi)用低、住院次數(shù)少；同時(shí)，VR 組的效果與傳統(tǒng)物理治療組相當(dāng)。Chughtai 等［38］探索了VR 技術(shù)在TKA 或單半側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（UKA）患者康復(fù)中的應(yīng)用，結(jié)果顯示，基于VR 技術(shù)的康復(fù)平臺能夠有效改善患者的各項(xiàng)功能評分，可鼓勵醫(yī)患互動，在家監(jiān)測，節(jié)約成本。Hong 等［4］對1 例接受TKA 治療的中年女性患者進(jìn)行VR訓(xùn)練，結(jié)果表明，患者的肌肉力量、本體感覺、平衡和步態(tài)能力均顯著改善。

XR 技術(shù)在術(shù)后康復(fù)方面具有以下優(yōu)勢。①幫助患者進(jìn)行關(guān)節(jié)活動、肌肉鍛煉等康復(fù)訓(xùn)練。②提供各種平衡訓(xùn)練的虛擬場景，如走在不平整的地面上、穿越障礙物等，以幫助患者恢復(fù)平衡能力，減輕術(shù)后疼痛。③實(shí)時(shí)視覺反饋可幫助患者更好地了解自己的姿勢和運(yùn)動情況，以及時(shí)調(diào)整姿態(tài)，更好地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

5 結(jié)語與展望

隨著XR 技術(shù)的不斷發(fā)展，其在骨科手術(shù)中的應(yīng)用前景廣闊。除了前述XR 技術(shù)在骨科的常見應(yīng)用外，還可用于向患者展示手術(shù)操作的過程和結(jié)果，有助于患者更好地理解手術(shù)的必要性和風(fēng)險(xiǎn)，從而增強(qiáng)其治療的信心和配合度。竇超超等［39］探討了MR 技術(shù)在股骨粗隆間骨折手術(shù)中的應(yīng)用，結(jié)果表明，MR 技術(shù)可高清顯示重建模型，方便醫(yī)患之間的溝通交流，還可簡化手術(shù)步驟，減少術(shù)中透視次數(shù)，縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)效率。馬筱［40］選取128 例髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者，隨機(jī)分為對照組和實(shí)驗(yàn)組，對照組采用常規(guī)健康宣教方式，實(shí)驗(yàn)組在常規(guī)健康宣教方式基礎(chǔ)上增加基于VR 技術(shù)的健康宣教方式，結(jié)果顯示，基于VR 技術(shù)的健康宣教可縮短患者住院時(shí)間、提高護(hù)理滿意度，同時(shí)降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率。

未來，XR 技術(shù)將會在以下幾個(gè)方面發(fā)揮更大的作用。①提高手術(shù)培訓(xùn)的效率和效果。直觀地觀察患者的手術(shù)部位情況并進(jìn)行手術(shù)模擬和規(guī)劃；實(shí)現(xiàn)手術(shù)的實(shí)時(shí)影像引導(dǎo)，為醫(yī)師提供更加全面和準(zhǔn)確的手術(shù)信息。②與人工智能結(jié)合，實(shí)現(xiàn)手術(shù)的自動化和智能化。例如，通過人工智能技術(shù)分析患者的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)方案制訂和風(fēng)險(xiǎn)評估，并在XR 虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)模擬和規(guī)劃；使用智能手術(shù)器械和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，通過XR 技術(shù)進(jìn)行手術(shù)操作。③提高患者參與度和治療效果。醫(yī)師可通過XR 技術(shù)向患者展示手術(shù)方案，提高患者的參與度和治療效果。