基于力反饋的虛擬手術訓練系統在骨科住院醫師臨床教學中的應用

侯 洋，梁 磊，林艷萍，史建剛，陳華江，袁 文*

1.海軍軍醫大學附屬長征醫院骨科，上海 200003

2.生物醫學制造與生命質量工程研究所，上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240

椎弓根置釘技術廣泛應用于脊柱外科手術中，是治療脊柱退行性疾病、外傷、腫瘤、結核等的金標準［1-3］。椎弓根毗鄰脊髓、血管、內臟等重要組織，如果椎弓根螺釘的位置出現偏差，將會引起嚴重的并發癥，造成手術失敗［4-5］；而熟練掌握此項技術需要大量手術經驗的積累和反復的練習，對于初學者來說學習曲線陡峭。如何在最短時間內熟練掌握椎弓根螺釘置釘技術，虛擬現實技術的出現有望解決這一問題［6］。

虛擬手術系統從醫學圖像數據出發，在計算機中模擬人體器官模型，創造虛擬醫學環境，并模擬交互式手術過程。醫師可以使用虛擬手術系統進行訓練、手術技能演示、手術計劃以及術后康復工作制定等［7］。虛擬手術系統的出現有助于加強醫生對先進手術方式的訓練，使培訓時間縮短，同時還減少了對緊缺教學資源的需求。基于此，本研究針對虛擬骨科手術中的人機交互問題，結合虛擬現實技術、醫學影像學及生物力學建模方法，對脊柱外科虛擬手術中的環境圖形建模、人體脊柱三維形態學建模、人體脊柱生物力學模型進行了研究，研發了基于力反饋的虛擬手術訓練系統（VSTS）。本研究將VSTS用于脊椎外科醫師椎弓根螺釘置釘技術的培訓并評價其有效性，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 置釘虛擬訓練

10名無椎弓根置釘經驗的住院醫師隨機平均分為2組，VSTS訓練組（A組）和傳統教學組（B組）。VSTS系統采用一系列模塊來獲取、處理、渲染圖形和觸覺數據，然后無縫集成于系統的硬件平臺上。利用患者的CT數據構建虛擬腰椎3D模型。A組受試者在VSTS上進行30 min腰椎椎弓根置釘訓練，通過系統的力反饋，受試者能夠感受到虛擬鉆頭與三維等值面之間的接觸，操作手柄上的按鈕可以控制虛擬鉆頭開啟，鉆孔完成時按下操作手柄上的相應按鈕即可將螺釘置于最終的位置上；當螺釘偏離系統預設的路線時力覺交互裝置便會產生相應的反作用力，以模擬手術操作時術者置釘的真實力學感受；受試者要改變置釘路徑時，鉆頭必須沿著進入時的通道退出后才能重新打孔（圖1）。B組受試者通過手術流程講解和視頻演示的傳統教學方法學習腰椎椎弓根置釘。

圖1 基于力反饋的VSTSFig.1 VSTS based on force feedback

1.2 置釘尸體操作

8具新鮮尸體標本（男5具，女3具，年齡33 ～79歲）隨機平均分為2組。尸體標本無腰椎骨折、結核、腫瘤或細小椎弓根等不適合置釘的情況。2組標本均通過CT掃描測量椎弓根的大小和內傾角，由3名影像科醫師獨立評價比較2組標本的測量值，數據采用獨立樣本t檢驗，結果表明2組數據具有可比性。尸體標本取俯臥位，采用后正中切口，將肌肉及韌帶組織向兩側剝離顯露椎板和關節突骨性結構，置入雙側腰椎椎弓根螺釘。

1.3 置釘準確性評價

手術完成后所有標本進行CT掃描，掃描結果由3名影像科醫師獨立評價。參考既往相關解剖與臨床研究［8-10］，將螺釘位置分為4級：Ⅰ級，螺釘完全位于椎弓根內；Ⅱ級，螺釘穿破椎弓根壁≤2 mm；Ⅲ級，螺釘穿破椎弓根壁＞ 2 mm且≤4 mm；Ⅳ級，螺釘穿破椎弓根壁＞ 4 mm。有研究表明，螺釘位于椎弓根內側＞ 2 mm即可能對脊髓神經造成損傷［11］，因此，本研究組將Ⅲ級螺釘（穿破椎弓根上、下、內側壁）及Ⅳ級螺釘劃分為不可接受螺釘，其余為可接受螺釘。

1.4 統計學處理

應用SPSS 17.0軟件對數據進行統計學分析。組間螺釘準確率和可接受率的比較采用χ2檢驗，螺釘穿破距離的比較采用獨立樣本t檢驗。以P ＜ 0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2組分別置入椎弓根螺釘40枚。A組螺釘Ⅰ級35枚，Ⅱ級5枚；螺釘穿破距離為（1.37±0.62）mm；螺釘可接受率為100%。B組螺釘Ⅰ級25枚，Ⅱ級螺釘9枚，Ⅲ級4枚（1枚穿破上壁，1枚穿破下壁，2枚穿破內壁），Ⅳ級2枚；螺釘穿破距離為（2.42±0.51）mm；6枚（4枚Ⅲ級和2枚Ⅳ級）螺釘的位置不可接受，螺釘可接受率為85%。A組和B組螺釘穿破率（Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級）分別為12.5%和37.5%。螺釘穿破率 A組低于B組，螺釘可接受率A組高于B組，螺釘穿破距離A組小于B組，差異均有統計學意義（P ＜ 0.05）。

3 討 論

目前，椎弓根置釘技術在脊柱外科應用最為廣泛，螺釘位置的好壞直接關系手術的成敗［8］。Gonzalvo等［9］發現椎弓根置釘技術的學習曲線陡峭，初學者需要＞ 80個椎弓根置釘經驗才可能明顯降低螺釘穿破皮質的發生率。

為了有效降低椎弓根螺釘置釘并發癥的發生，先后有多種導航技術應用于臨床以提高置釘準確率［10，12-14］，包括術中透視和CT引導下計算機輔助系統（CAS）。術中透視的主要優點是適用范圍較廣，缺點是在某些脊柱節段（上胸椎）圖像質量較差［15］。CAS圖像精確度較高，尤其適用于頸椎及上胸椎，同時應用CAS還可以進行手術方案的制定。這兩種技術的應用均顯著提高了椎弓根置釘的準確率。CAS的主要缺點是術中患者解剖學位置的改變并不能反映到其術前的掃描圖像中，這種差異可能引起導航偏差進而降低椎弓根置釘的準確率，引起嚴重的神經、血管損傷［16］。此外，應用CAS還存在患者輻射暴露時間較長、術前準備時間增加、視野局限、操作復雜及設備昂貴等問題［16］。

隨著計算機及圖像處理相關技術的飛速發展，虛擬現實技術在過去10年中逐漸應用于骨科臨床并取得了理想的效果。虛擬手術系統應用于脊柱外科醫師的培訓將有利于以往復雜且高風險手術技術的推廣和應用，減少相關手術并發癥的發生，降低醫師的學習曲線，減少相應的醫療支出［17］。Majdouline等［18］應用脊柱手術模擬程序S3系統，于計算機上模擬并選擇最佳的內固定策略來治療成人特發性脊柱側凸，在1例脊柱側凸患者數據模型上模擬進行了702種手術策略，證實S3系統在優化成人特發性脊柱側凸手術內固定計劃中的可行性及潛在優勢。Aurouer等［19］采用Spine View軟件對11例患者進行術前手術計劃的制定，對不同手術方法進行評估并選擇最佳的手術策略，其中8例患者術后療效與術前模擬評估結果一致。Klein等［20］開發了專為椎弓根置釘培訓的模擬軟件，該軟件應用患者CT掃描數據進行三維重建，并在重建模型上進行訓練，使醫師能夠掌握置釘的基本技術并對復雜病例的椎弓根置釘進行反復訓練，有效避免了手術意外的發生，提高了手術的安全性。Bichlmeier等［21］報道了由頭戴顯示器、兩套動作捕捉系統及一個裝有傳感器的器械構建的用于虛擬腰椎椎弓根置釘的虛擬現實手術平臺。術者在一個裝有硅膠模型的盒子中進行操作，通過頭戴顯示器可看到三維重建后虛擬模型成像。何建榮等［22］通過BioMxsf虛擬手術系統，將64排CT掃描的8具上頸椎標本數據進行重建，測量入釘位置并確定內斜角置釘，術后8例標本MSCT掃描示置入螺釘均完全位于側塊內，未傷及毗鄰組織。

上述研究已初步證實了虛擬現實技術改善椎弓根螺釘置釘技術臨床效果的有效性。但這些研究中的虛擬手術系統主要是視覺仿真，并不具備力反饋功能，操作者在進行手術預演和培訓時無法感知手術場景中的力學信息，手術的沉浸感和真實性受到影響。醫師在這種環境中進行手術培訓可能會得到錯誤的經驗而產生誤操作，與真實的手術環境有較大差距。因此本研究組研發了基于力反饋的VSTS，應用于醫師的臨床教學，受試者在系統上反復模擬椎弓根置釘后進行尸體標本的實際操作，結果證實該系統可提高醫師椎弓根螺釘置釘的準確率，VSTS訓練組的螺釘穿破率低于傳統教學組，螺釘可接受率高于傳統教學組，螺釘穿破距離小于傳統教學組。

綜上所述，通過在VSTS上反復練習，操作者能夠熟悉掌握椎弓根螺釘的進釘點及相關解剖標志，同時力反饋功能使操作者在鉆孔過程中獲得與真實手術中相似的觸覺體驗。VSTS訓練能使醫師在短時間內掌握椎弓根置釘技術，提高置釘的準確率，應用前景理想。