虚拟现实技术在颈椎外科中的应用研究进展

严淳议，李泽西，王 宏，吴廷奎，刘 浩，王贝宇

1. 四川大学华西医院骨科，成都 610041 2. 四川大学华西临床医学院，成都 610041

虚拟现实（VR）技术是以计算机生成的三维图像数据为基础，模拟真实场景，通过输出设备给操作者带来沉浸式体验的数字技术。VR技术具有3“I”特性，即沉浸（immersion）、交互（interaction）和想象（imagination）”［1］，还有多种类的信息（视觉、听觉和触觉）输出形式；同时，借助于VR系统内置的运动传感器可获得使用者运动过程中的运动角度、速度和位移等参数。VR系统通过即时提供多重感官模拟并给予反馈，与用户的感知运动系统建立联系［2］。此外，基于计算机构建的VR系统可在不同时间及地点重复使用。得益于以上诸多优点，VR技术在医学领域，如临床教学［3］、术前规划［4］、术后康复训练［5］等，展现出独特的优势。

VR技术常与增强现实（AR）技术、混合现实（MR）技术相混淆，三者联系紧密但也互有区别。VR技术通常包含一个连接于计算机的设备，提供模拟场景并接受信息反馈；AR技术是将虚拟的数字信息与操作者所处现实重叠并融合，操作者可以从获得的数字信息中分清虚拟和现实；MR技术则是VR和AR技术的结合，通过技术处理让操作者无法分清虚拟与现实［6-7］。为了尽可能全面了解VR技术在颈椎外科中的应用，笔者将AR和MR技术归类于VR技术。本文通过查阅并梳理VR技术在颈椎外科及相关领域中应用的文献，从VR技术在手术教学、活动度（ROM）测量、康复等方面展开分析，并讨论其局限性及未来可能的发展方向，综述如下。

1 手术教学

目前，年轻医师获取手术相关技能主要通过传统尸体解剖及手术室观摩［8］；传统的手术教学多以高年资医师术中带教的方式进行，此类教学方式存在可供练习时间短、具有一定医疗风险等弊端［9］。当手术数量较少或带教医师缺乏足够的时间指导手术时，年轻医师手术技能的提升受到限制［10］。另外，因传统的课堂教学形式（手术录像结合标本模型）缺乏直观性和可操作性，教学效果受到一定影响。同时，颈椎解剖结构复杂，导致手术操作难度大、手术风险高、学习周期长，年轻医师需要通过充分的训练方可开展相关手术［11］。而新的教学模式——VR技术可模拟手术场景，使年轻医师获得充分的练习机会，并可通过VR系统的反馈及时纠正错误操作。

2013年，Harrop等［12］使用VR技术构建了颈椎后路减压手术模型，针对颈椎后路椎间孔切开术和椎板切除术开展了系列教学课程，培训后的学员手术操作技能得分从14.1分提高到22.4分。基于该模型的良好教学效果，作者建议将该技术应用到相关外科手术培训中。2015年，Zammar等［13］采用VR技术构建手术模型，对29名年轻医师进行颈椎后路椎间孔切开术和椎板切除术的培训，结果显示，培训后学员技术得分显著提高。2018年，蔡璇等［14］比较VR教学和传统教学发现，VR教学组的考试成绩和教学满意度均显著高于传统教学组 。可见在手术教学中基于VR技术开展的模拟课程可显著提高医师的理论水平及操作水平。

虽然有许多研究讨论了VR技术在颈椎外科和其他领域的教学优势［15-17］，但不可否认，这些研究仍存在如下不足。首先，目前的研究还无法有效说明VR教学对手术学习的提升效果，因为大多数的研究持续时间较短，而对于手术学习，尤其针对较高难度的颈椎外科手术，其学习时间往往较长。未来的研究可以考虑采用能够体现长期学习有效性的数据，如学习曲线等进行研究比较。其次，现有的VR教学场景的仿真性与现实有一定差距，过于抽象的VR场景可能会给手术教学带来负面影响，未来可尝试进一步改良VR场景，提高建模的精细化程度，以提供更具细节的手术教学系统。

2 活动度（ROM）评估

颈椎ROM评估是贯穿整个颈椎治疗过程的重要步骤，其有助于医师术前明确诊断、制订治疗策略及了解患者术后康复进程［18］。VR技术因其具有便捷、高效、无创、无辐射等特点，在颈椎ROM测量上展现出一定的潜在应用前景。

利用VR进行ROM评估时，首先要将测量过程编写到VR场景中，接着由患者佩戴VR设备，按照程序指令依次完成各个步骤。在执行运动的过程中，VR设备内置的运动传感器将完整地记录相关数据，进而由计算机程序处理分析，最终输出为临床上常用的运动学数据。

2019年，Chang等［19］利用能够实现VR视觉的智能手机应用及硬件，探究利用相关应用测定颅颈交界处ROM，结果显示，这种简易的VR设备在健康受试者中展现出较好的组内和组间可信度，并且与通用测角仪的测量结果有较高一致性。为进一步探究VR技术在测定颅颈交界ROM及颈椎ROM方面的效果，Kiper等［4］于2020年招募了35名健康受试者，分别采用沉浸式和非沉浸式VR交互的方法进行评估，结果表明，沉浸式VR技术在运动学数据的评估上更具优势。以上结果说明，VR技术在颈椎ROM的测定和评估中具有一定的应用价值。

传统的VR设备通过陀螺仪、加速度计或罗盘等内置传感器捕捉颈部活动时各方向的运动学数据，如角位移［4，20］、角速度［21-22］。利用这些数据，临床医师可准确评估患者的颈椎活动情况。但对于另外一些运动学数据，如位移、速度等，仅凭陀螺仪或罗盘无法测定，需进一步借助激光发射灯塔等更精密的硬件设备［23］。目前，一种新型便携式VR设备能够使用内置光学传感器，通过分析周围环境的光线变化获得使用者的位移、姿态变化等多种信息，减少了对外部设备的需求［24］。VR系统在头颈ROM测量方面的有效性已得到了初步的验证，但是VR系统测量数据的准确性和可重复性仍有待进一步阐明，尤其对于目前拥有较高拟真度的沉浸式VR系统的相关报道还不够充分［4，19］。此外，这类研究纳入的均是无颈部疾病的受试者，尚不足以说明VR系统对患有颈部疾病、颈部运动受限患者的头颈ROM评估的有效性，针对该类人群的相关研究亟待开展。

3 康复训练

VR技术能够模拟可交互的仿真场景，并提供虚拟人物角色和有一定顺序的任务目标［5］。目前，VR技术在神经康复方面得到了一定的应用［25-26］。颈椎病患者往往也具有相关的神经症状，因此，利用VR技术进行康复训练具有一定的可行性。

Sarig等［21，27］探究VR技术在颈椎病患者康复训练中的应用价值，结果显示，佩戴VR设备的受试者疼痛视觉模拟量表（VAS）评分、颈椎功能障碍指数（NDI）、欧洲五维度生活质量（EQ-5D）评分，颈椎ROM、运动速度、运动精准度都有极大的改善。2020年，Sarig等［22］的另一项研究比较了VR技术和临床上常用的临床颈椎运动感觉（CCMS）测试法诊断颈椎疼痛的准确性，结果表明，CCMS测试法和VR技术均具有良好的诊断能力，表明基于VR技术的诊断方法在诊断颈椎疼痛方面的可靠性和有效性。目前，VR技术在颈椎病患者康复训练应用的研究还极其有限，但在骨科的其他领域却是研究热点之一。2016年，Lee等［28］研究了VR系统在肩周炎患者康复训练中的应用效果，结果表明，在为期4周的康复训练后，患者肩关节ROM和肌肉力量均有显著的改善。同年，Gokeler等［29］的研究发现，利用沉浸式VR系统进行康复训练，能够强化患者前交叉韧带，重建术后下肢运动能力。骨科术后患者常常发生手术部位的疼痛及运动障碍，严重影响患者生活质量，对于此类患者，基于VR技术的康复方法不仅能够减轻患者在术后康复过程中的疼痛和不适，还能改善患侧肢体的运动功能［21，30］。

VR技术在康复领域拥有巨大的应用前景，得益于以下优势。①VR技术能够显著增加康复训练的趣味程度［31］，同时提高患者对康复训练的依从性，这或许与VR技术可以一定程度上分散患者的注意力，减轻对疼痛的感受有关。②VR系统与互联网连接，患者无需前往医院，在家即可进行标准化的康复训练。这也使医师远程了解患者康复情况成为可能，有助于为患者提供更具个性化的康复指导［32］。③采用VR技术可减轻患者的经济负担，还能减少医患双方在康复中花费的时间与精力，大幅提升康复效率［33］。

4 局限性

目前，VR技术在临床教学等方面有一定的应用，但VR系统较高的软、硬件成本和使用维护成本导致VR技术的大规模应用和推广受到限制［14］。同时，受制于硬件性能与设计水平，现有的VR系统仿真度不高，很难给予外科医师真实、直观的体验，导致实际使用效果受到影响。而在术前评估方面，医师也更青睐采用较为熟悉的评估方式，因此，VR技术的应用或将难以对临床决策产生较大影响。在颈椎运动能力评估和术后随访中，现阶段VR技术仅局限于测定速度、角度等基本的运动学数据，如何充分发挥硬件传感器的功能，实现对更多、更详细的运动特征进行捕捉与分析亟待深入拓展。在康复领域，尽管目前已有一些关于颈部疼痛治疗和颈椎运动功能恢复的报道［34］，但有关VR技术应用于颈椎术后康复中的研究仍显不足。与其他数字化的医疗系统类似，VR系统及其应用也面临隐私暴露的风险［35］。VR系统能同时获取患者日常的生活环境及行为表现，尤其在运用至医疗过程中后，这些与患者疾病特征相联系的数据就会显得更为敏感。但由于VR系统在医疗领域的商业化应用尚处于起步阶段，目前仍缺乏完善的、能够有效保护患者隐私的数据处理及存储方案。

5 总结与展望

经过30多年的发展，VR技术逐渐成熟并广泛应用于医疗领域，为手术教学、手术评估、颈椎ROM测定以及颈椎术后康复都提供了新的思路，但在这些领域中的应用仍存在部分局限性。如何更好地将VR技术与颈椎外科手术及其相关研究相结合，进而全面提升VR技术的临床应用价值，促进数字化骨科的发展，还需要进一步深入探索。

在手术教学方面，可能需要从最基本的设计思路上重新思考，不仅仅着眼于设计整个单一术式，而是将手术过程分段模块化。通过设计不同的教学模块，将各个教学模块重新组合，使手术培训系统满足不同需求，或许可以降低设计、制造成本，更有助于VR技术在手术教学方面的推广。

在手术评估、术后康复等方面，将VR技术与现有的临床思路进行整合十分关键。一项新技术能否加入到临床决策系统中，一方面取决于该技术的有效性，另一方面也受到医师习惯的影响。对于前者，VR技术目前实际运用于临床的报道较少，需要更多研究进一步探讨其在临床中的效果，而开展关于VR技术测量数据和临床特征之间关系的研究，是将VR技术融入到现有诊疗思路中需要迈出的第一步；对于后者，更考察了VR系统设计的易用性，通过降低使用门槛，可以让医患更容易接受。因此，应结合颈椎外科术后康复特点进行更深入的研究，以开发出更多实用的颈椎外科术后康复系统。此外，为了规范VR技术在颈椎术后康复中的应用，外科医师与康复医师应共同参与到VR康复系统的设计与研发。