虚拟现实技术在脊柱外科的应用

林徐苗，袁佳滨，王 超，李孝明，刘 澍，栗景峰，白玉树，石志才

海军军医大学附属长海医院骨科，上海 200433

人体脊柱解剖结构复杂，对手术操作技术要求高，年轻医师熟练掌握手术技巧需要长期反复的训练。传统的“见一、做一、教一”的师徒带教模式虽然仍是主流，但已无法适应医学的快速发展，术者在手术操作过程中兼顾帮带，无形中亦增加了手术风险[1-2］。尸体训练是过去几十年来实际手术的最佳替代[3］，其触觉反馈真实，保真度高，对解剖结构、位置认识直观，但尸体资源紧缺，且容易传播疾病；此外，新鲜尸体的使用时间有限，无法反复练习[4-5］，甚至在一些国家还存在伦理等问题[6］。随着医疗技术的快速发展，脊柱外科手术技术训练需要更加安全、高效的方法，虚拟现实（VR）技术应运而生。VR 技术可实现复杂三维解剖数据可视化，并可通过模拟系统进行操作训练[7］，VR 技术可使受训者在无风险、不匆忙的环境中进行反复练习，大大降低了脊柱外科手术学习难度。本文通过对VR技术在脊柱外科领域应用的相关文献进行分析，探讨其在模拟手术操作、术前方案制订及优化等方面的应用情况，并分析其优缺点，现综述如下。

1 模拟手术操作

椎弓根螺钉置入技术已广泛应用于脊柱疾病的治疗，亦取得一定的疗效，但置钉失败会导致严重的手术并发症[8］。Kosmopoulos 等[9］的一项荟萃分析表明，术中使用导航和未使用导航辅助椎弓根螺钉置钉的准确率分别为95.2%和90.3%。颈椎、胸椎椎弓根横径较腰椎小，椎管相对狭窄，变异度较大，因此，颈椎、胸椎椎弓根置钉的准确率相对较低[10］。有一定经验的脊柱外科医师胸椎椎弓根螺钉的置钉准确率为69% ～ 94%[11］。为提高置钉准确率，Luciano 等[12］采用3D 多功能手术综合训练系统（Immersive Touch，芝加哥伊利诺斯大学开发）进行胸椎椎弓根螺钉置钉仿真训练，并对模拟椎弓根螺钉置入的学习记忆能力进行评价，结果显示，从训练到测试，置钉准确性明显提高；此外，使用者对仿真训练的真实感表示满意。Ruikar 等[3］提出了一种计算机辅助训练系统，腰椎椎弓根螺钉置入训练结果表明，模拟训练与未模拟训练相比，置钉耗时及透视次数明显减少，置钉准确性显著提高。Gasco 等[13］的研究探讨了Immersive Touch训练系统在腰椎椎弓根螺钉置入过程中的应用价值，结果显示，模拟训练组椎弓根螺钉置钉误差率显著下降。Hou等[14］进行的一项尸体研究发现，使用VR 技术训练胸椎椎弓根螺钉置入可有效提高低年资医师的手术表现，有助于短时间内掌握手术技能。

侧块螺钉内固定术是脊柱外科高难度手术之一，不熟练的操作可引起神经根损伤、椎动脉损伤、螺钉松动移位等[2，15］。Gottschalk 等[16］将3D 导航模拟手术训练系统应用于临床教学，起到一定的辅助作用，结果显示，接受训练组在侧块螺钉进入点的选择及进钉角度的准确性方面明显优于对照组，且相邻结构（神经根，椎动脉，关节突关节）损伤的发生率低于对照组。Hou 等[17］使用VR 训练系统评估住院医师进行颈椎椎弓根螺钉置钉的有效性，结果显示，在置钉的准确率、螺钉穿透率等方面模拟训练组均明显优于对照组。

目前VR 技术已在经皮椎体成形术（PVP）的训练中得到应用。Alaraj 等[18］的研究中，PVP 模块使用多种感官模式，集成触觉设备和高分辨率立体显示，重现了实际手术的操作环境。Fuerst 等[19］研发了一种用于脊柱微创手术的高保真度仿真系统，该系统采用电磁跟踪系统确定术中器械的位置和方向，在模拟经椎弓根入路手术过程中，受训者和未受训者在手术灵巧性和持续时间等方面的表现存在明显差异。Abe 等[20］将VR 技术应用于辅助临床手术的导航中，对5 例椎体骨折伴骨质疏松症的患者行VR 导航PVP，结果发现，VR 技术有助于减少穿刺针移位，避免了椎弓根破裂和骨水泥渗漏等并发症，认为VR 技术可为PVP 提供准确的辅助导航。Weigl 等[21］的研究中利用VR 技术模拟PVP 术中骨水泥渗漏和肺栓塞等事件，还原手术步骤，结果显示，高度还原手术步骤有助于手术医师掌握手术技巧，提高术者应对术中突发情况的能力。

脊柱毗邻脊髓、神经、血管，对于低年资医师而言手术操作有一定难度，使用VR 技术进行模拟置钉训练有助于提高置钉准确性，并可降低手术风险。相较传统仿真器，VR 技术可不限时间、不限地点、不限次数供训练者使用，为脊柱外科年轻医师提供更高效的训练，同时其针对训练者的熟练程度“因材施教”，制订个性化的培训计划，并通过重复训练提高手术技术、降低手术误差。综上，VR 技术在脊柱外科手术训练中具有一定的使用价值。

2 术前方案制订及优化

脊柱畸形患者椎体形状及结构复杂，严重者压迫心脏、脊髓，影响呼吸循环功能。对于复杂的脊柱畸形手术，单纯的后路钉棒系统内固定往往不能获得满意的效果，需要进行脊柱截骨矫形[22-23］。但该手术技术要点难、操作风险大，成为年轻骨科医师的一项巨大挑战。姚欣强等[24］将12 例脊柱畸形患者按治疗方法分组，VR 组6 例通过术前重建、虚拟截骨、自动生成截骨模型、挑选最合适的截骨方式进行手术，对照组6 例采用传统截骨矫形治疗，结果表明，VR 组的手术时间和术中出血量均小于对照组，且侧凸Cobb 角和后凸Cobb 角的矫正率优于对照组，证明VR 技术有助于脊柱畸形手术方案的制订及优化。Hsieh 等[25］使用VR 技术研究脊柱畸形治疗方法，在仿真过程中提供皮肤、软组织和骨骼表面的立体图像，精确预测了手术过程及结果，证实VR技术用于术前设计可精准地纠正脊柱畸形。李春海等[26］利用VR技术进行患者个体化模型重建，可在术前对患者病情进行精准评估、完善术前规划，避免术中反复调整增加医患辐射损伤。

此外，对解剖细节的深度理解也可使术中操作针对性更强，降低并发症的发生率。Majdouline等[27］使用计算机模型实现脊柱手术模拟器（S3）对1 例脊柱侧凸患者进行了702 种脊柱侧凸内固定手术方案的模拟，结果表明，较少节段的内固定同样可获得与多节段内固定一样的矫形效果，还可最大限度保留脊柱的活动度，S3 起到了一定的优化手术方案的作用。采用VR 技术进行术前模拟，可以对脊柱畸形患者的类型、程度及躯干平衡有更全面、深入的理解，有助于术前规划最佳的手术方式，极大程度地规避术中可能发生的脊髓神经损伤。VR 技术用于脊柱畸形等疑难病例的术前方案设计和术后效果评估，有助于提高手术效果，亦可帮助患者更好地理解手术过程，进一步提高手术满意度。

3 总结及展望

VR 技术包括视觉渲染和触觉反馈，计算机结合CT、MRI 图像数据模拟出视觉渲染模块以达到仿真效果，并将模拟操作过程中力觉信息反馈给触觉设备[28］，将所看到的与可能感受到的现实感觉相结合，获得更加精细具体的仿真体验。与传统的手术训练相比，VR 技术营造了完全沉浸式的训练环境，加强了对复杂三维骨结构的理解和对手术器械的运用，为受训者提供了近乎真实的仿真交互感，具有及时指导和反馈的功能，在未来脊柱外科医师的教学培养及临床工作中有广阔的应用前景。

VR 技术的优点[29-31］:①使解剖结构三维可视化，操作者可无限制重复训练，增加训练频率并减少传统训练中的资源浪费。②有利于提高脊柱外科医师的操作速度和操作精准性，降低实际手术中的错误率。③提供实时反馈，错误操作可即刻反馈给操作者，亦可根据操作者表现调整难度水平，增加学习模块。④在术前对截骨、融合等复杂危险不可逆操作进行模拟，进一步提高手术安全性和有效性，术前进行VR 模拟的患者对手术过程及术后的满意度亦明显提高。

虽然目前VR 技术在脊柱外科领域已有初步的研究和应用，但是，由于脊柱解剖结构复杂，全面的视觉重建和操作范围有限。本文通过对国内外相关文献的分析发现，研究主要集中于构建脊柱模型用以模拟手术训练，但多为小样本单中心研究，故尚需大样本多中心的进一步研究支持；VR 技术目前受众人群仅局限于年轻医师，期待未来可用于对高年资医师手术操作的指导。此外，VR 技术尚未真正用于脊柱外科指导临床工作，影像数据的获得受现有仪器设备性能所限，精细度有待提高；力学反馈信息数据来源需要实际的操作来收集，触觉输出需要更加完美的软件计算和更加贴近真实的机械模拟；VR 技术设备价格昂贵影响其推广应用。

医学正朝着数字化、信息化发展，脊柱外科VR技术目前尚不能完全取代真实训练和完全预见手术，但随着研究的不断深入，VR 技术势必成为脊柱外科手术训练的有效补充和术前制订手术方案的有效方法。