虚拟现实技术在脊柱外科手术教学中的应用

魏磊鑫，高阳

·医学教育·

虚拟现实技术在脊柱外科手术教学中的应用

魏磊鑫1，高阳2

1.海军军医大学附属上海长征医院脊柱外科，上海 200003；2.解放军总医院第四医学中心骨科医学部，北京 100048

现阶段脊柱外科手术教学存在培训周期长、操作机会少及教学资源匮乏等诸多现实问题，不利于年轻医生的顺利成长。近年来发展起来的虚拟现实技术因其沉浸性、交互性及构想性等独特技术优势，可有效弥补传统外科手术教学的不足。鉴于目前虚拟现实技术在脊柱外科手术教学中的应用鲜见报道，本文就该技术在脊柱外科手术教学中的可行性及优越性作一论述，并提出具体可操作的教学方案，供临床教学工作者参考。

虚拟现实；脊柱外科；手术教学；教学改革

脊柱外科是一门专业性及实践性很强的临床专科，主要涉及脊柱和脊髓的相关疾病，包括脊柱退变性疾病、脊柱外伤性疾病和脊柱发育性疾病等[1]。随着我国人口老龄化及人们工作生活方式的改变，脊柱疾病的发病率逐年增加且发病年龄呈现年轻化趋势。目前，因脊柱疾病需手术治疗的患者越来越多，但脊柱、脊髓解剖结构复杂且功能重要，手术难度大，对脊柱外科医生的手术操作要求极高，脊柱外科医生需要大量系统标准的手术训练才能保证脊柱手术顺利进行。传统的脊柱外科手术教学以师带徒方式为主，不能满足低年资医生的手术训练量[2]。虚拟现实（virtual reality，VR）技术以计算机技术为核心，通过大量运算生成高度逼真的虚拟三维场景，用户借助特定的交互设备实现在视觉、听觉、触觉及运动觉等方面感知虚拟场景中的事物，并与之进行实时互动及相关操作。因VR技术具备沉浸性、交互性和构想性等独特优势，近年来在妇产科、神经外科、心血管外科、关节外科的临床教学中得到广泛应用[3-8]。VR技术可将复杂的解剖结构可视化，并通过虚拟交互系统进行手术操作训练。目前，VR技术虽已在脊柱外科手术中得到广泛应用，但其在脊柱外科手术教学中的应用还鲜见报道。因此本文着重分析VR技术用于脊柱外科手术教学的可行性，并初步设计详细的教学方案。

1 脊柱外科手术教学的现状

手术教学一直是脊柱外科临床教学的重点和难点，脊柱外科医生的成长周期相对较长，不仅需要掌握脊柱相关疾病的病理生理知识及复杂的解剖结构，还要通过大量的手术操作训练来积累手术经验。然而，传统的脊柱外科手术教学方式是师徒带教模式，即“看一、做一、学一”的教学方式。这种教学方式高度依赖于带教老师诊治脊柱疾病的频率和带教老师的手术水平，低年资医生很难进行脊柱手术的系统性学习和训练；且术中进行手术教学会分散术者的精力，这在一定程度上可增加手术风险，导致患者出现不同程度潜在损伤的可能[9]。

目前，尸体标本手术训练仍是学习脊柱外科手术操作的最佳替代方式[10]。低年资医生通过尸体标本能直观辨认脊柱手术部位的具体解剖结构及层次，且在尸体标本上进行手术操作触觉反馈真实。然而，当前尸体标本资源紧缺，低年资医生反复学习及训练手术操作的机会相对较少，且尸体标本存在传播疾病的风险和潜在的伦理问题。因此，传统的脊柱外科手术教学方式存在学习时空受限、实操机会匮乏等诸多现实问题，已难以满足低年资医生的手术学习需求。临床上脊柱外科手术量的增加迫切需要低年资医生快速成长为具备手术能力的合格脊柱外科医生，所以脊柱外科手术教学方法与技术手段的改革已成为亟待解决的现实问题。

2 VR技术在脊柱外科手术中的应用现状

美国科学家Ivan Sutherland首次提出VR技术，并在1966年成功开发出首款头戴式设备“Sutherland”，为VR技术的发展与应用奠定坚实的基础[11]。目前，VR技术已在临床脊柱外科手术中得到广泛应用，具体如下。

2.1 VR技术在椎弓根螺钉置入中的应用现状

椎弓根螺钉置入技术已在脊柱各类手术中得到广泛应用。椎弓根螺钉置入是否成功在一定程度上决定患者的术后疗效及融合率，置钉失败会给患者带来严重的术后并发症。颈椎和胸椎的椎弓根横径比腰椎小，椎管直径也相对狭窄，其椎弓根置钉的准确率较低。Inoue等[12]发现在使用C臂机透视的情况下，颈胸椎椎弓根螺钉的置钉准确率为78.1%，置钉失败的风险较高。为提高置钉准确率，Hou等[13]采用VR技术训练后，胸椎椎弓根螺钉置钉准确率明显提高，螺钉穿透椎弓根的发生率仅7.14%。此外，采用VR技术训练后，螺钉穿透椎弓根的距离也远小于对照组（1.23mm. 2.37mm）。Gasco等[14]采用VR模拟系统进行腰椎椎弓根螺钉置钉训练后，其置钉的失误率显著降低。

2.2 VR技术在颈椎手术中的应用现状

颈椎手术的难度和风险远高于胸腰椎手术，因此，颈椎手术的学习曲线更长，需要经过大量的手术训练才能确保颈椎手术的顺利完成。VR技术具有可在虚拟空间内反复进行手术操作训练、对患者无害及手术容错率较高的优点，已在颈椎手术中得到一定应用。Kiper等[15]将VR技术用于颈椎影像学指标的测量，发现VR技术可更精确地测量颈椎的旋转、屈曲及伸展角度指标，为手术方案的制定提供参考依据。最近，Santos-Paz等[16]利用VR技术自动测量颈椎活动度，该系统的可用性评分高达86分，表明VR技术可准确高效地自动测量颈椎活动度。另外，Zammar等[17]开发颈椎后路手术的VR训练系统，29名医生经训练后颈椎后路手术的理论知识和手术水平均得到显著提升。

2.3 VR技术在脊柱畸形手术中的应用现状

脊柱畸形患者由于先天性或后天性脊柱结构异常，单纯的后路钉棒系统内固定难以达到良好的手术效果，往往需要进行脊柱相关骨性结构的截骨矫形手术。然而，该手术复杂程度高且风险大，是脊柱外科医生面临的巨大挑战。术前病情评估及手术规划尤为重要。姚欣强等[18]将VR技术应用于脊柱截骨矫形手术的术前规划中，术前将6例脊柱畸形患者的三维CT图像导入VR平台中生成三维立体模型，并采用虚拟截骨工具进行截骨，最后根据自动生成的截骨后脊柱模型挑选最合适的截骨方式。研究发现术前采用VR技术进行虚拟模拟截骨后，患者的手术时间及出血量均明显减少，而侧凸及后凸的矫正率均得到显著提高。近期，De Salvatore等[19]构建青少年特发性脊柱侧凸患者的三维VR解剖系统，并采用该系统进行截骨矫形手术的术前规划，发现利用该VR系统进行术前规划后，患者的手术时间及出血量均明显减少，且患者的住院时间也明显缩短。上述研究均表明将VR技术用于脊柱截骨矫形手术的术前规划可显著提高患者的术后疗效及缩短术后恢复时间。

3 VR技术在脊柱外科手术教学中的可行性

3.1 VR技术辅助脊柱外科手术教学的方案

如前所述，VR技术在脊柱外科手术中已得到广泛应用，但VR技术在脊柱外科手术教学中的应用鲜有报道。本团队前期开发基于VR技术的脊柱外科手术训练系统，该系统能逼真地模拟脊柱手术操作时的力度，并通过3D眼镜实现手术训练中视觉与触觉的交互体验，为VR技术应用于脊柱外科手术教学奠定基础。

选取脊柱退变性疾病且需要手术治疗的患者，所有患者术前进行CT和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查，以明确病变部位的解剖结构和病情程度。将患者的CT和MRI影像学数据导入CAD软件中构建脊柱的三维模型，对该脊柱模型进行3D分割操作并导入基于VR技术的脊柱外科手术训练系统。受训医生通过3D眼镜及操作手柄实现切割、置钉等常规的脊柱外科手术操作。

本教学方案适用于研究生和参加住院医师规范化培训的低年资医生的临床手术教学，教学内容包括理论知识和手术操作。理论知识包括脊柱解剖、常见脊柱疾病、脊柱手术方法和适应证等；带教老师随后在VR训练系统中进行脊柱手术的演示讲解，学生同步观看病变部位和术者的手术操作。然后由学生在VR训练系统中进行脊柱手术操作，带教老师根据学生训练情况进行实时指导。教学完毕后向学生发放基于Likert量表的调查问卷，问卷内容主要包括学生的学习兴趣、手术操作能力、自主学习能力、临床思维能力和课程满意度。最终根据教学反馈进一步改进和完善VR教学方案。

北京协和医院开展的一项外科住院医师规范化培训需求的调查结果显示，外科住院医师对常见外科疾病的临床技能需求最多，普遍反映需要更多的动手操作机会[20]。因此，笔者对在本科室轮转的规范化培训住院医师进行VR手术训练系统的初步试用，学员们在VR系统中能清晰直观地从各个角度观察脊柱、脊髓的解剖结构及其毗邻组织，并通过操作器对脊柱进行置钉等手术操作，手术操作的力学反馈真实，学员试用反馈良好，为接下来在低年资医生中进行系统训练奠定坚实的基础。

3.2 VR技术用于脊柱外科手术教学的优势

3.2.1 利用VR技术进行充分的术前评估 术前评估是脊柱外科手术教学的首要环节，术前评估在很大程度上决定患者下一步的手术方案，是提高患者术后疗效的必要保证。目前，传统的术前评估主要依赖患者的临床症状、体征和影像学资料，其中影像学资料是判断脊柱病变部位及严重程度的重要手段。X线、CT和MRI资料均为二维图像，医生往往需要结合临床经验才能粗略判断病灶的大小及范围。而低年资医生对脊柱及其周围组织的解剖结构不够了解，缺乏临床经验，仅通过二维图像判断病情的准确性较差。VR技术可将患者的术前影像学资料导入操作系统生成可视化的三维脊柱模型，并通过头戴式显示器及控制器实现对脊柱三维模型进行缩放、旋转、移动及切割等操作，方便低年资医生全方位分析病变部位特点及周围解剖毗邻关系，在术前充分评估患者病情。

3.2.2 利用VR技术确定最佳手术方案 手术方案的选择是脊柱外科手术的关键环节，决定患者的术后疗效及康复周期。术前通过基于VR技术的脊柱外科手术训练系统对手术中涉及的重要结构进行标记，然后在VR环境中虚拟暴露手术视野，对脊柱结构进行手术操作，以明确病变部位与周围组织的解剖关系，进而选择最佳手术方案。如脊髓型颈椎病，可在虚拟环境中分别模拟颈椎前路和后路等不同的手术路径，比较不同手术路径的优缺点，进而确定对患者最有利的手术方案。

3.2.3 利用VR技术反复训练手术操作 手术操作一直是脊柱外科手术教学的难点。脊柱毗邻重要神经和血管，低年资医生学习手术操作的难度和风险极大。而传统的手术教学方式手术训练时间短、训练机会有限、手术技术从熟悉到熟练的过程漫长。VR技术可构建逼真的三维脊柱解剖模型，并通过操作手柄及VR眼镜实现眼手同步的手术操作训练，如椎弓根螺钉置入、侧块螺钉置入和经皮椎体成形术等。相较于传统手术教学方式，基于VR技术的手术教学不受时间、地点及次数的限制，为低年资医生提供更高效的手术训练方式，且可根据个人手术需求制定个性化的学习计划，通过反复训练手术操作以提高手术熟练度及降低手术失误率。因此，VR技术在脊柱外科手术教学上有重要的应用价值。

3.3 VR技术用于脊柱外科手术教学的不足与改进

尽管VR技术用于脊柱外科手术教学有诸多优势，但现阶段VR技术用于脊柱外科手术教学仍存在以下不足：①VR技术研发成本较高，尽管目前VR设备的价格呈下降趋势，但课程设计、脊柱模型的建立及优化都需要大量人力物力的支持。②尽管VR技术能构建脊柱的三维模型，然而受制于CT和MRI影像资料，脊柱三维模型及其毗邻组织结构的精准度还存在一定误差，导致脊柱三维模型存在失真的问题。③目前市面上的VR穿戴设备众多，不同设备的优缺点不尽相同，部分设备使用时出现眩晕感等不适，因此挑选合适的VR穿戴设备也需要消耗大量时间和精力。④尽管力反馈系统在一定程度上可模拟真实手术操作的手感，但虚拟手术操作与真实手术仍存在差距，可能会导致手术训练与现实手术脱节。因此，现阶段还需要进一步提升VR技术与力反馈系统，最终实现在虚拟环境中模拟真实脊柱手术的操作步骤与力学手感反馈。

4 总结与展望

脊柱外科是一门解剖依赖性和实践性要求极高的临床学科，加之外科手术操作的高风险性和复杂性，传统的外科手术教学方式面临着巨大挑战。VR技术因其沉浸性、交互性及构想性的独特优势，已在神经外科、心外科及妇产科的手术教学中得到初步应用，并取得良好教学效果。相信VR技术在脊柱外科手术教学中也能发挥其独特的优势，弥补传统手术教学方式的不足，进一步提高脊柱外科手术教学质量，帮助脊柱外科低年资医生快速成长。

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（2023–04–25）

（2023–06–07）

R192

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.19.025

中国博士后科学基金特别资助项目（2020T130775）；中国博士后科学基金面上资助项目（2020M673673）

高阳，电子信箱：gaoyangspine@qq.com