虛擬現實技術在脊柱外科的應用

林徐苗，袁佳濱，王 超，李孝明，劉 澍，栗景峰，白玉樹，石志才

海軍軍醫大學附屬長海醫院骨科，上海 200433

人體脊柱解剖結構復雜，對手術操作技術要求高，年輕醫師熟練掌握手術技巧需要長期反復的訓練。傳統的“見一、做一、教一”的師徒帶教模式雖然仍是主流，但已無法適應醫學的快速發展，術者在手術操作過程中兼顧幫帶，無形中亦增加了手術風險[1-2］。尸體訓練是過去幾十年來實際手術的最佳替代[3］，其觸覺反饋真實，保真度高，對解剖結構、位置認識直觀，但尸體資源緊缺，且容易傳播疾病；此外，新鮮尸體的使用時間有限，無法反復練習[4-5］，甚至在一些國家還存在倫理等問題[6］。隨著醫療技術的快速發展，脊柱外科手術技術訓練需要更加安全、高效的方法，虛擬現實（VR）技術應運而生。VR 技術可實現復雜三維解剖數據可視化，并可通過模擬系統進行操作訓練[7］，VR 技術可使受訓者在無風險、不匆忙的環境中進行反復練習，大大降低了脊柱外科手術學習難度。本文通過對VR技術在脊柱外科領域應用的相關文獻進行分析，探討其在模擬手術操作、術前方案制訂及優化等方面的應用情況，并分析其優缺點，現綜述如下。

1 模擬手術操作

椎弓根螺釘置入技術已廣泛應用于脊柱疾病的治療，亦取得一定的療效，但置釘失敗會導致嚴重的手術并發癥[8］。Kosmopoulos 等[9］的一項薈萃分析表明，術中使用導航和未使用導航輔助椎弓根螺釘置釘的準確率分別為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、胸椎椎弓根置釘的準確率相對較低[10］。有一定經驗的脊柱外科醫師胸椎椎弓根螺釘的置釘準確率為69% ～ 94%[11］。為提高置釘準確率，Luciano 等[12］采用3D 多功能手術綜合訓練系統（Immersive Touch，芝加哥伊利諾斯大學開發）進行胸椎椎弓根螺釘置釘仿真訓練，并對模擬椎弓根螺釘置入的學習記憶能力進行評價，結果顯示，從訓練到測試，置釘準確性明顯提高；此外，使用者對仿真訓練的真實感表示滿意。Ruikar 等[3］提出了一種計算機輔助訓練系統，腰椎椎弓根螺釘置入訓練結果表明，模擬訓練與未模擬訓練相比，置釘耗時及透視次數明顯減少，置釘準確性顯著提高。Gasco 等[13］的研究探討了Immersive Touch訓練系統在腰椎椎弓根螺釘置入過程中的應用價值，結果顯示，模擬訓練組椎弓根螺釘置釘誤差率顯著下降。Hou等[14］進行的一項尸體研究發現，使用VR 技術訓練胸椎椎弓根螺釘置入可有效提高低年資醫師的手術表現，有助于短時間內掌握手術技能。

側塊螺釘內固定術是脊柱外科高難度手術之一，不熟練的操作可引起神經根損傷、椎動脈損傷、螺釘松動移位等[2，15］。Gottschalk 等[16］將3D 導航模擬手術訓練系統應用于臨床教學，起到一定的輔助作用，結果顯示，接受訓練組在側塊螺釘進入點的選擇及進釘角度的準確性方面明顯優于對照組，且相鄰結構（神經根，椎動脈，關節突關節）損傷的發生率低于對照組。Hou 等[17］使用VR 訓練系統評估住院醫師進行頸椎椎弓根螺釘置釘的有效性，結果顯示，在置釘的準確率、螺釘穿透率等方面模擬訓練組均明顯優于對照組。

目前VR 技術已在經皮椎體成形術（PVP）的訓練中得到應用。Alaraj 等[18］的研究中，PVP 模塊使用多種感官模式，集成觸覺設備和高分辨率立體顯示，重現了實際手術的操作環境。Fuerst 等[19］研發了一種用于脊柱微創手術的高保真度仿真系統，該系統采用電磁跟蹤系統確定術中器械的位置和方向，在模擬經椎弓根入路手術過程中，受訓者和未受訓者在手術靈巧性和持續時間等方面的表現存在明顯差異。Abe 等[20］將VR 技術應用于輔助臨床手術的導航中，對5 例椎體骨折伴骨質疏松癥的患者行VR 導航PVP，結果發現，VR 技術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癥，認為VR 技術可為PVP 提供準確的輔助導航。Weigl 等[21］的研究中利用VR 技術模擬PVP 術中骨水泥滲漏和肺栓塞等事件，還原手術步驟，結果顯示，高度還原手術步驟有助于手術醫師掌握手術技巧，提高術者應對術中突發情況的能力。

脊柱毗鄰脊髓、神經、血管，對于低年資醫師而言手術操作有一定難度，使用VR 技術進行模擬置釘訓練有助于提高置釘準確性，并可降低手術風險。相較傳統仿真器，VR 技術可不限時間、不限地點、不限次數供訓練者使用，為脊柱外科年輕醫師提供更高效的訓練，同時其針對訓練者的熟練程度“因材施教”，制訂個性化的培訓計劃，并通過重復訓練提高手術技術、降低手術誤差。綜上，VR 技術在脊柱外科手術訓練中具有一定的使用價值。

2 術前方案制訂及優化

脊柱畸形患者椎體形狀及結構復雜，嚴重者壓迫心臟、脊髓，影響呼吸循環功能。對于復雜的脊柱畸形手術，單純的后路釘棒系統內固定往往不能獲得滿意的效果，需要進行脊柱截骨矯形[22-23］。但該手術技術要點難、操作風險大，成為年輕骨科醫師的一項巨大挑戰。姚欣強等[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行手術，對照組6 例采用傳統截骨矯形治療，結果表明，VR 組的手術時間和術中出血量均小于對照組，且側凸Cobb 角和后凸Cobb 角的矯正率優于對照組，證明VR 技術有助于脊柱畸形手術方案的制訂及優化。Hsieh 等[25］使用VR 技術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，精確預測了手術過程及結果，證實VR技術用于術前設計可精準地糾正脊柱畸形。李春海等[26］利用VR技術進行患者個體化模型重建，可在術前對患者病情進行精準評估、完善術前規劃，避免術中反復調整增加醫患輻射損傷。

此外，對解剖細節的深度理解也可使術中操作針對性更強，降低并發癥的發生率。Majdouline等[27］使用計算機模型實現脊柱手術模擬器（S3）對1 例脊柱側凸患者進行了702 種脊柱側凸內固定手術方案的模擬，結果表明，較少節段的內固定同樣可獲得與多節段內固定一樣的矯形效果，還可最大限度保留脊柱的活動度，S3 起到了一定的優化手術方案的作用。采用VR 技術進行術前模擬，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，有助于術前規劃最佳的手術方式，極大程度地規避術中可能發生的脊髓神經損傷。VR 技術用于脊柱畸形等疑難病例的術前方案設計和術后效果評估，有助于提高手術效果，亦可幫助患者更好地理解手術過程，進一步提高手術滿意度。

3 總結及展望

VR 技術包括視覺渲染和觸覺反饋，計算機結合CT、MRI 圖像數據模擬出視覺渲染模塊以達到仿真效果，并將模擬操作過程中力覺信息反饋給觸覺設備[28］，將所看到的與可能感受到的現實感覺相結合，獲得更加精細具體的仿真體驗。與傳統的手術訓練相比，VR 技術營造了完全沉浸式的訓練環境，加強了對復雜三維骨結構的理解和對手術器械的運用，為受訓者提供了近乎真實的仿真交互感，具有及時指導和反饋的功能，在未來脊柱外科醫師的教學培養及臨床工作中有廣闊的應用前景。

VR 技術的優點[29-31］:①使解剖結構三維可視化，操作者可無限制重復訓練，增加訓練頻率并減少傳統訓練中的資源浪費。②有利于提高脊柱外科醫師的操作速度和操作精準性，降低實際手術中的錯誤率。③提供實時反饋，錯誤操作可即刻反饋給操作者，亦可根據操作者表現調整難度水平，增加學習模塊。④在術前對截骨、融合等復雜危險不可逆操作進行模擬，進一步提高手術安全性和有效性，術前進行VR 模擬的患者對手術過程及術后的滿意度亦明顯提高。

雖然目前VR 技術在脊柱外科領域已有初步的研究和應用，但是，由于脊柱解剖結構復雜，全面的視覺重建和操作范圍有限。本文通過對國內外相關文獻的分析發現，研究主要集中于構建脊柱模型用以模擬手術訓練，但多為小樣本單中心研究，故尚需大樣本多中心的進一步研究支持；VR 技術目前受眾人群僅局限于年輕醫師，期待未來可用于對高年資醫師手術操作的指導。此外，VR 技術尚未真正用于脊柱外科指導臨床工作，影像數據的獲得受現有儀器設備性能所限，精細度有待提高；力學反饋信息數據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械模擬；VR 技術設備價格昂貴影響其推廣應用。

醫學正朝著數字化、信息化發展，脊柱外科VR技術目前尚不能完全取代真實訓練和完全預見手術，但隨著研究的不斷深入，VR 技術勢必成為脊柱外科手術訓練的有效補充和術前制訂手術方案的有效方法。