混合现实技术在骨科手术规划及教学培训中的应用进展

刘书中，王以朋，周 熹，刘 勇*，张海龙

(1.中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院骨科,北京100730；2.吉林大学中日联谊医院，吉林 长春100033)

混合现实(Mixed Reality,MR)技术是由专用的硬件和软件组成的新型数字化全息影像技术，用于实时向外界提供计算机处理得出的成像数据，从而将真实物体与计算机生成的图像有机结合起来[1-3]。近年来，MR技术在骨科临床实践中越来越受到骨科医师的重视，多项临床前研究表明MR技术有望成为术前决策和术中导航的有效工具。研究证实MR技术可广泛应用于各种骨科手术，如脊柱外科椎弓根螺钉置入、脊柱穿刺定位、骨肿瘤切除、骨折固定、关节镜检查和全关节置换术等。

与此同时，骨科手术技术也不断更新发展，但由于骨骼解剖结构和生理功能的复杂性，骨科手术风险和难度依然客观存在，尤其是在脊柱外科、骨肿瘤、微创骨关节外科的手术操作过程中，由于解剖结构难以辨认，常易造成相关副损伤发生。MR技术的发展与成熟，为制定骨科手术规划、模拟手术入路、缩短手术时间、降低围手术期风险、培训青年骨科医师实践操作技能等诸多方面提供了更好的机会。本文旨在总结MR技术在骨科领域手术规划及教学培训中的应用现状，为MR技术在骨科领域的进一步应用提供方向和前景。

1 MR技术及其在医学领域的应用概述

近20年来，计算机辅助骨科手术已获得越来越多的临床应用，目前已被广泛用于骨科手术规划，术前模拟和术中导航等关键步骤。导航是计算机辅助骨科手术系统的核心部分，骨科医生能够实时准确地跟踪、明确手术器械与解剖结构的关系、有的放矢地实施既定手术方案对手术的成功与否至关重要。人机交互界面是图像引导骨科导航系统的重要组成部分，它提供了一个人机交互平台，可以将不同模式和三维模型的术前和术中图像合并起来，以便于手术规划和术中导航的实施[1,4-8]。MR系统包括专用硬件和软件，用于实时向外科医师提供计算机处理完成的成像数据，具体来说，计算机生成的图像被叠加到现实世界的图像上，并通过视频投影仪、计算机或平板电脑予以呈现。其结构包括三个基本元件：位置跟踪系统、显示装置和系统控制软件[7]。位置跟踪系统监测术中解剖位置和方向。医学成像技术，如透视图像，被用作跟踪系统的一部分。标记物，如通过成像方式可见的金属球，附着在患者或手术工具上，有助于确定术野中解剖结构的位置。系统控制软件利用来自跟踪系统的信息，将输入转换成图像，然后发送到显示系统，并与真实场景的视图进行组合[9-10]。因此，术前把患者的X线、CT、MRI、SPECT/CT、PET-CT、PET-MRI等影像资料和数据输入MR系统，手术前外科医生即可在现实环境中对虚拟进行的手术进行模拟操作、沟通、讲解，制定切实可行、安全有效、合理优化的手术方案，手术过程中术者可根据MR系统提示的个体化图像信息施行进一步的操作，以有效降低不必要损伤的发生风险[11-12]。

2 MR技术在骨科手术规划中的应用

随着MR技术的发展，其在骨科手术规划及操作模拟中展现出广阔的发展空间及应用前景。目前，MR技术不仅可以向体验者展示一台完整的手术过程，并且还可以用辅助设备或增加解说及热点等模块告知体验者如何在手术中和助手进行沟通、配合。Halic等[11]利用自制的MR技术仿真操作系统完成了5名骨科医师人工颈椎间盘置换手术的操作培训，研究结果表明MR技术可有效提高手术操作培训质量，帮助体验者掌握高难度手术操作的要点及难点。Van den Berg等[13]研究表明基于SPECT/CT影像数据，将其数据输入MR操作系统处理后，可有效协助外科医师完成淋巴结病变的术中定位，但术中目标淋巴结的移动及患者的体位改变可对定位的精准度产生一定的影响。Colomer等[14]研究显示MR技术可应用于脑卒中患者的康复训练中，其具有价格低、便于携带、操作系统简便、康复训练效果好等诸多优点，并有望应用于骨科临床实践当中。Sauer等[12]进一步应用MR技术实现了手术过程中的立体超声定位，操作省时简便，超声图像显示清晰。Sauer等[12]利用HoloLens MR头载式显示器在真实腹腔手术中实现了腹腔内脏器解剖结构、内部血管的清晰显示，使术者在手术过程中更为准确的辨别组织结构、紧邻脏器，最大限度地提高了手术操作的精确度和安全性，同时降低了手术副损伤的发生风险，并可在手术操作过程中实现远程会诊，针对高难度的手术与经验丰富的专家共同制定更为优化的手术方案。该项研究成果对于骨科脊柱前路手术及骨与软组织肉瘤手术具有较高的指导意义。至今，国内外多位骨科专家已开展并成功完成混合现实技术引导下的关节外科、脊柱外科手术，手术效果均较为理想。此外，MR技术为医学生或青年医师的学习、模拟、操作提供了更为真实的场景和操作机会,充分提升了医学生和青年医师的主观能动性和实践操作能力。

3 MR技术在骨科教学培训中的应用

借助MR技术，青年骨科医师、研究生可在规定时间内学习骨科解剖、手术设计、手术操作技巧、生理、病理、影像等知识，获得与实际操作近乎一样的培训效果，并能更透彻、深刻地理解骨科理论知识与临床实践技巧[11]。利用MR技术可以进行MR远程手术操作演示、讲解或深度模拟骨科专家的手术技术，体验者可在现实环境中体验并记录包括手术入路选择、切皮、逐层分离、电烧电凝、瘤体切除、椎弓根螺钉置入、神经根阻滞、髓内钉置入、关节假体置入、剥离、血管夹闭、缝合、打结等在内的完整操作过程[3-8]。上级医师也可以将操作中的常见问题反馈给学生，提高每位培训人员对特定具体手术操作的熟练程度及认知程度。因此，MR技术有效增加了青年医师操作、训练的机会，极大地缓和了有限的医疗资源和实践手术操作的需求。此外，MR技术可用于医学院校组织的临床操作考核等场景，MR系统不但可以替代培训者对被培训者成绩进行评分，还可以通过数据统计分析出被培训者失误率、失误具体行为、与标准操作对比差距等等数据，使应用者更好地掌握体验者学习与实践过程中的问题所在及学习曲线。

研究表明与传统骨科手术相比，使用MR技术可以在不降低手术安全性的前提下，改善手术的成功率。Léger等认为由于三维全息图所示的关键器官(骨性结构、神经、动脉、静脉等)均向骨科医师实时显示。这在程序中保障了操作准确性和手术安全性的提升，以节省手术操作时间并正确定位植入物[15]。Lee等提出了一个结合多模态数据融合和基于模型的手术工具跟踪混合现实支持系统，以创建一个支持骨科手术螺钉放置的混合现实操作环境[16]。研究证实该交互式三维混合现实环境提供给了操作者对手术部位及位置的直观理解，并支持骨科医师在螺钉置入过程中快速定位置入点和定位手术工具，并通过测量目标的配准误差验证了该方法的有效性，并对部分遮挡情况下的跟踪精度进行了准确评估[16]。Frank等[17]应用MR技术与仿生学技术相结合，成功完成了经皮脊柱解剖定位、脊柱内固定及脑室切开术等操作，从而为MR技术应用于骨科青年医师的临床教学培训提供了支持。将MR技术应用于骨科的教学培训中可以将基础科学理论与实际临床病例、手术操作等有机结合。

4 MR技术在骨科临床及教学培训应用中有待解决的问题

近年来，MR技术在骨科临床及青年医师培训中的诸多优势得到了多项研究的证实，但距离MR技术广泛应用于临床实践中的目标仍存在一些亟待解决的关键问题[3-8,18]，例如：(1)针对不同目的建立统一、规范化的MR操作系统；(2)显示精准度的校对；(3)在青年医师培训过程中，培训机构需进一步完善培训模式及评价体系；(4)MR技术研究投入高，普及难度大；(5)尚需积累更多的研发经验；(6)临床应用的合法化。