虛擬現實技術在脊柱外科手術教學中的應用

魏磊鑫，高陽

·醫學教育·

虛擬現實技術在脊柱外科手術教學中的應用

魏磊鑫1，高陽2

1.海軍軍醫大學附屬上海長征醫院脊柱外科，上海 200003；2.解放軍總醫院第四醫學中心骨科醫學部，北京 100048

現階段脊柱外科手術教學存在培訓周期長、操作機會少及教學資源匱乏等諸多現實問題，不利于年輕醫生的順利成長。近年來發展起來的虛擬現實技術因其沉浸性、交互性及構想性等獨特技術優勢，可有效彌補傳統外科手術教學的不足。鑒于目前虛擬現實技術在脊柱外科手術教學中的應用鮮見報道，本文就該技術在脊柱外科手術教學中的可行性及優越性作一論述，并提出具體可操作的教學方案，供臨床教學工作者參考。

虛擬現實；脊柱外科；手術教學；教學改革

脊柱外科是一門專業性及實踐性很強的臨床專科，主要涉及脊柱和脊髓的相關疾病，包括脊柱退變性疾病、脊柱外傷性疾病和脊柱發育性疾病等[1]。隨著我國人口老齡化及人們工作生活方式的改變，脊柱疾病的發病率逐年增加且發病年齡呈現年輕化趨勢。目前，因脊柱疾病需手術治療的患者越來越多，但脊柱、脊髓解剖結構復雜且功能重要，手術難度大，對脊柱外科醫生的手術操作要求極高，脊柱外科醫生需要大量系統標準的手術訓練才能保證脊柱手術順利進行。傳統的脊柱外科手術教學以師帶徒方式為主，不能滿足低年資醫生的手術訓練量[2]。虛擬現實（virtual reality，VR）技術以計算機技術為核心，通過大量運算生成高度逼真的虛擬三維場景，用戶借助特定的交互設備實現在視覺、聽覺、觸覺及運動覺等方面感知虛擬場景中的事物，并與之進行實時互動及相關操作。因VR技術具備沉浸性、交互性和構想性等獨特優勢，近年來在婦產科、神經外科、心血管外科、關節外科的臨床教學中得到廣泛應用[3-8]。VR技術可將復雜的解剖結構可視化，并通過虛擬交互系統進行手術操作訓練。目前，VR技術雖已在脊柱外科手術中得到廣泛應用，但其在脊柱外科手術教學中的應用還鮮見報道。因此本文著重分析VR技術用于脊柱外科手術教學的可行性，并初步設計詳細的教學方案。

1 脊柱外科手術教學的現狀

手術教學一直是脊柱外科臨床教學的重點和難點，脊柱外科醫生的成長周期相對較長，不僅需要掌握脊柱相關疾病的病理生理知識及復雜的解剖結構，還要通過大量的手術操作訓練來積累手術經驗。然而，傳統的脊柱外科手術教學方式是師徒帶教模式，即“看一、做一、學一”的教學方式。這種教學方式高度依賴于帶教老師診治脊柱疾病的頻率和帶教老師的手術水平，低年資醫生很難進行脊柱手術的系統性學習和訓練；且術中進行手術教學會分散術者的精力，這在一定程度上可增加手術風險，導致患者出現不同程度潛在損傷的可能[9]。

目前，尸體標本手術訓練仍是學習脊柱外科手術操作的最佳替代方式[10]。低年資醫生通過尸體標本能直觀辨認脊柱手術部位的具體解剖結構及層次，且在尸體標本上進行手術操作觸覺反饋真實。然而，當前尸體標本資源緊缺，低年資醫生反復學習及訓練手術操作的機會相對較少，且尸體標本存在傳播疾病的風險和潛在的倫理問題。因此，傳統的脊柱外科手術教學方式存在學習時空受限、實操機會匱乏等諸多現實問題，已難以滿足低年資醫生的手術學習需求。臨床上脊柱外科手術量的增加迫切需要低年資醫生快速成長為具備手術能力的合格脊柱外科醫生，所以脊柱外科手術教學方法與技術手段的改革已成為亟待解決的現實問題。

2 VR技術在脊柱外科手術中的應用現狀

美國科學家Ivan Sutherland首次提出VR技術，并在1966年成功開發出首款頭戴式設備“Sutherland”，為VR技術的發展與應用奠定堅實的基礎[11]。目前，VR技術已在臨床脊柱外科手術中得到廣泛應用，具體如下。

2.1 VR技術在椎弓根螺釘置入中的應用現狀

椎弓根螺釘置入技術已在脊柱各類手術中得到廣泛應用。椎弓根螺釘置入是否成功在一定程度上決定患者的術后療效及融合率，置釘失敗會給患者帶來嚴重的術后并發癥。頸椎和胸椎的椎弓根橫徑比腰椎小，椎管直徑也相對狹窄，其椎弓根置釘的準確率較低。Inoue等[12]發現在使用C臂機透視的情況下，頸胸椎椎弓根螺釘的置釘準確率為78.1%，置釘失敗的風險較高。為提高置釘準確率，Hou等[13]采用VR技術訓練后，胸椎椎弓根螺釘置釘準確率明顯提高，螺釘穿透椎弓根的發生率僅7.14%。此外，采用VR技術訓練后，螺釘穿透椎弓根的距離也遠小于對照組（1.23mm. 2.37mm）。Gasco等[14]采用VR模擬系統進行腰椎椎弓根螺釘置釘訓練后，其置釘的失誤率顯著降低。

2.2 VR技術在頸椎手術中的應用現狀

頸椎手術的難度和風險遠高于胸腰椎手術，因此，頸椎手術的學習曲線更長，需要經過大量的手術訓練才能確保頸椎手術的順利完成。VR技術具有可在虛擬空間內反復進行手術操作訓練、對患者無害及手術容錯率較高的優點，已在頸椎手術中得到一定應用。Kiper等[15]將VR技術用于頸椎影像學指標的測量，發現VR技術可更精確地測量頸椎的旋轉、屈曲及伸展角度指標，為手術方案的制定提供參考依據。最近，Santos-Paz等[16]利用VR技術自動測量頸椎活動度，該系統的可用性評分高達86分，表明VR技術可準確高效地自動測量頸椎活動度。另外，Zammar等[17]開發頸椎后路手術的VR訓練系統，29名醫生經訓練后頸椎后路手術的理論知識和手術水平均得到顯著提升。

2.3 VR技術在脊柱畸形手術中的應用現狀

脊柱畸形患者由于先天性或后天性脊柱結構異常，單純的后路釘棒系統內固定難以達到良好的手術效果，往往需要進行脊柱相關骨性結構的截骨矯形手術。然而，該手術復雜程度高且風險大，是脊柱外科醫生面臨的巨大挑戰。術前病情評估及手術規劃尤為重要。姚欣強等[18]將VR技術應用于脊柱截骨矯形手術的術前規劃中，術前將6例脊柱畸形患者的三維CT圖像導入VR平臺中生成三維立體模型，并采用虛擬截骨工具進行截骨，最后根據自動生成的截骨后脊柱模型挑選最合適的截骨方式。研究發現術前采用VR技術進行虛擬模擬截骨后，患者的手術時間及出血量均明顯減少，而側凸及后凸的矯正率均得到顯著提高。近期，De Salvatore等[19]構建青少年特發性脊柱側凸患者的三維VR解剖系統，并采用該系統進行截骨矯形手術的術前規劃，發現利用該VR系統進行術前規劃后，患者的手術時間及出血量均明顯減少，且患者的住院時間也明顯縮短。上述研究均表明將VR技術用于脊柱截骨矯形手術的術前規劃可顯著提高患者的術后療效及縮短術后恢復時間。

3 VR技術在脊柱外科手術教學中的可行性

3.1 VR技術輔助脊柱外科手術教學的方案

如前所述，VR技術在脊柱外科手術中已得到廣泛應用，但VR技術在脊柱外科手術教學中的應用鮮有報道。本團隊前期開發基于VR技術的脊柱外科手術訓練系統，該系統能逼真地模擬脊柱手術操作時的力度，并通過3D眼鏡實現手術訓練中視覺與觸覺的交互體驗，為VR技術應用于脊柱外科手術教學奠定基礎。

選取脊柱退變性疾病且需要手術治療的患者，所有患者術前進行CT和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查，以明確病變部位的解剖結構和病情程度。將患者的CT和MRI影像學數據導入CAD軟件中構建脊柱的三維模型，對該脊柱模型進行3D分割操作并導入基于VR技術的脊柱外科手術訓練系統。受訓醫生通過3D眼鏡及操作手柄實現切割、置釘等常規的脊柱外科手術操作。

本教學方案適用于研究生和參加住院醫師規范化培訓的低年資醫生的臨床手術教學，教學內容包括理論知識和手術操作。理論知識包括脊柱解剖、常見脊柱疾病、脊柱手術方法和適應證等；帶教老師隨后在VR訓練系統中進行脊柱手術的演示講解，學生同步觀看病變部位和術者的手術操作。然后由學生在VR訓練系統中進行脊柱手術操作，帶教老師根據學生訓練情況進行實時指導。教學完畢后向學生發放基于Likert量表的調查問卷，問卷內容主要包括學生的學習興趣、手術操作能力、自主學習能力、臨床思維能力和課程滿意度。最終根據教學反饋進一步改進和完善VR教學方案。

北京協和醫院開展的一項外科住院醫師規范化培訓需求的調查結果顯示，外科住院醫師對常見外科疾病的臨床技能需求最多，普遍反映需要更多的動手操作機會[20]。因此，筆者對在本科室輪轉的規范化培訓住院醫師進行VR手術訓練系統的初步試用，學員們在VR系統中能清晰直觀地從各個角度觀察脊柱、脊髓的解剖結構及其毗鄰組織，并通過操作器對脊柱進行置釘等手術操作，手術操作的力學反饋真實，學員試用反饋良好，為接下來在低年資醫生中進行系統訓練奠定堅實的基礎。

3.2 VR技術用于脊柱外科手術教學的優勢

3.2.1 利用VR技術進行充分的術前評估 術前評估是脊柱外科手術教學的首要環節，術前評估在很大程度上決定患者下一步的手術方案，是提高患者術后療效的必要保證。目前，傳統的術前評估主要依賴患者的臨床癥狀、體征和影像學資料，其中影像學資料是判斷脊柱病變部位及嚴重程度的重要手段。X線、CT和MRI資料均為二維圖像，醫生往往需要結合臨床經驗才能粗略判斷病灶的大小及范圍。而低年資醫生對脊柱及其周圍組織的解剖結構不夠了解，缺乏臨床經驗，僅通過二維圖像判斷病情的準確性較差。VR技術可將患者的術前影像學資料導入操作系統生成可視化的三維脊柱模型，并通過頭戴式顯示器及控制器實現對脊柱三維模型進行縮放、旋轉、移動及切割等操作，方便低年資醫生全方位分析病變部位特點及周圍解剖毗鄰關系，在術前充分評估患者病情。

3.2.2 利用VR技術確定最佳手術方案 手術方案的選擇是脊柱外科手術的關鍵環節，決定患者的術后療效及康復周期。術前通過基于VR技術的脊柱外科手術訓練系統對手術中涉及的重要結構進行標記，然后在VR環境中虛擬暴露手術視野，對脊柱結構進行手術操作，以明確病變部位與周圍組織的解剖關系，進而選擇最佳手術方案。如脊髓型頸椎病，可在虛擬環境中分別模擬頸椎前路和后路等不同的手術路徑，比較不同手術路徑的優缺點，進而確定對患者最有利的手術方案。

3.2.3 利用VR技術反復訓練手術操作 手術操作一直是脊柱外科手術教學的難點。脊柱毗鄰重要神經和血管，低年資醫生學習手術操作的難度和風險極大。而傳統的手術教學方式手術訓練時間短、訓練機會有限、手術技術從熟悉到熟練的過程漫長。VR技術可構建逼真的三維脊柱解剖模型，并通過操作手柄及VR眼鏡實現眼手同步的手術操作訓練，如椎弓根螺釘置入、側塊螺釘置入和經皮椎體成形術等。相較于傳統手術教學方式，基于VR技術的手術教學不受時間、地點及次數的限制，為低年資醫生提供更高效的手術訓練方式，且可根據個人手術需求制定個性化的學習計劃，通過反復訓練手術操作以提高手術熟練度及降低手術失誤率。因此，VR技術在脊柱外科手術教學上有重要的應用價值。

3.3 VR技術用于脊柱外科手術教學的不足與改進

盡管VR技術用于脊柱外科手術教學有諸多優勢，但現階段VR技術用于脊柱外科手術教學仍存在以下不足：①VR技術研發成本較高，盡管目前VR設備的價格呈下降趨勢，但課程設計、脊柱模型的建立及優化都需要大量人力物力的支持。②盡管VR技術能構建脊柱的三維模型，然而受制于CT和MRI影像資料，脊柱三維模型及其毗鄰組織結構的精準度還存在一定誤差，導致脊柱三維模型存在失真的問題。③目前市面上的VR穿戴設備眾多，不同設備的優缺點不盡相同，部分設備使用時出現眩暈感等不適，因此挑選合適的VR穿戴設備也需要消耗大量時間和精力。④盡管力反饋系統在一定程度上可模擬真實手術操作的手感，但虛擬手術操作與真實手術仍存在差距，可能會導致手術訓練與現實手術脫節。因此，現階段還需要進一步提升VR技術與力反饋系統，最終實現在虛擬環境中模擬真實脊柱手術的操作步驟與力學手感反饋。

4 總結與展望

脊柱外科是一門解剖依賴性和實踐性要求極高的臨床學科，加之外科手術操作的高風險性和復雜性，傳統的外科手術教學方式面臨著巨大挑戰。VR技術因其沉浸性、交互性及構想性的獨特優勢，已在神經外科、心外科及婦產科的手術教學中得到初步應用，并取得良好教學效果。相信VR技術在脊柱外科手術教學中也能發揮其獨特的優勢，彌補傳統手術教學方式的不足，進一步提高脊柱外科手術教學質量，幫助脊柱外科低年資醫生快速成長。

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（2023–04–25）

（2023–06–07）

R192

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.19.025

中國博士后科學基金特別資助項目（2020T130775）；中國博士后科學基金面上資助項目（2020M673673）

高陽，電子信箱：gaoyangspine@qq.com