虛擬現(xiàn)實技術在骨科術前規(guī)劃中的應用

鄭潮順，李春海

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）是一種全新的人機交互手段，它借助計算機、電子、圖像、傳感器、多媒體、仿真等多種技術在多維信息空間構建虛擬場景，讓使用者身臨其境并可進行交互。目前在骨外科領域，VR主要應用于術前規(guī)劃、術中導航、術后康復訓練等[1-3]。在術前規(guī)劃方面，通過VR技術可三維展示病變部位和周圍結(jié)構，并可進行三維立體測量、模擬器械置入、預測術后形態(tài)改變等；利用其個體化、標準化、可視化的優(yōu)勢[4]，可實現(xiàn)規(guī)劃信息的高質(zhì)量傳遞以及手術難點的精確評估，對精準完成手術、縮短學習曲線、加速新技術研發(fā)及開展等尤其有利。

1 VR技術在骨科術前規(guī)劃中的作用

1.1 實現(xiàn)術前規(guī)劃個性化、精準化

眾所周知，骨科各種內(nèi)外固定材料均要求與患者匹配度高，以達到良好的手術效果。但現(xiàn)有的測量方法主要依據(jù)患者X線片、CT、MRI等影像學資料，誤差較大，術前難以配置個體化的手術器械；手術過程中需要在直視下根據(jù)“手感”等經(jīng)驗判斷內(nèi)置物尺寸，常常發(fā)生置入物與患者解剖結(jié)構不匹配的情況，療效欠佳，有的甚至還需要進行翻修手術。近年來廣泛應用的微創(chuàng)技術對術前規(guī)劃的準確性要求更高，術中可參考的解剖標志更少。采用VR技術可于術前立體展示三維重建模型的各個方面，并對解剖學數(shù)據(jù)進行三維測量，還可模擬假體置入，預測患者術后感覺運動功能的變化，精準選擇最佳方案，真正做到術前規(guī)劃的個體化和精準化[5]。

1.2 促進術前計劃規(guī)范化、標準化

利用VR技術，在術前即可清晰了解個體的解剖特點，制定相應手術方案；還可將其錄制為視頻，實現(xiàn)規(guī)劃過程的可視化，便于教學及臨床交流等，利于不同醫(yī)療單位之間的信息共享，簡化醫(yī)患溝通過程，有助于權衡利弊后醫(yī)生與患者共同選擇合適的手術方案。

1.3 提高技術轉(zhuǎn)換率，縮短學習曲線

傳統(tǒng)的技術普及方式包括開辦培訓班、播放視頻、瀏覽課件、模具演練、尸體演練等，鍛煉機會少且保真度不足，往往理論學習多于實際操作。VR模擬環(huán)境下術前規(guī)劃手術路徑并進行練習，可提高術者接收新技術的速度，提升醫(yī)師的決策水平和操作技能。在虛擬環(huán)境訓練達到一定程度后，術者的實際手術水平可相應提高[6]。

1.4 評估術者手術水平，預測手術風險

由于條件所限，既往只能評估手術醫(yī)師是否有能力實施某一類手術，不能結(jié)合患者解剖細節(jié)進行分析。VR術前規(guī)劃可針對患者個體資料進行充分的術前評估和模擬操作，充分了解手術的技術難點及操作細節(jié)，評估手術風險以及術者是否有能力實施手術。

2 VR技術在骨科不同領域術前規(guī)劃中的具體應用

受限于VR模擬器的發(fā)展，VR技術目前尚不能很好地反映組織形變能力及反饋實時感覺，這導致其不能高保真地模擬完整的手術過程。但現(xiàn)有技術已可將VR重構模型用于三維精確測量、評估假體匹配程度等；而微創(chuàng)手術由于需要模擬的信息不多，也較適合VR技術應用，目前肩膝肘關節(jié)鏡均有相應的VR工作站[7]。

2.1 VR技術在脊柱外科的應用

椎弓根置釘為脊柱固定的基本技術之一。不同個體的解剖差異導致置釘角度、入釘點多變，存在置釘風險。頸胸椎及脊柱側(cè)彎手術對置釘?shù)囊髣t更高，據(jù)報道，胸腰椎置釘?shù)牟粶蚀_率較高[8-9]，可能引起神經(jīng)血管損傷或融合失敗、脊柱不穩(wěn)，進而導致手術失敗[10]。

借助VR技術可在術前精確測定椎弓根釘置釘位置和角度，因置釘失誤而導致的并發(fā)癥也可通過足量練習來避免[11]。Luciano等[12]的研究表明，目前VR技術已可實現(xiàn)術前3D脊柱模型建立、穿透骨質(zhì)感覺模擬及X線片（正側(cè)位、橫斷位）模擬，使術者在VR環(huán)境中快速掌握患者不同節(jié)段椎弓根置釘?shù)募记?，提高在現(xiàn)實手術中的置釘準確率，減少手術醫(yī)師的射線暴露，節(jié)省手術時間，減少椎弓根置釘并發(fā)癥的發(fā)生。

與椎弓根置釘技術類似，經(jīng)皮椎體成形術同樣可利用上述系統(tǒng)進行術前規(guī)劃，Abe等[13]利用增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）技術將模擬圖像與術中解剖進行融合，在模型或人體上投射皮膚切口及進入角度，于術前規(guī)劃相應數(shù)據(jù)，術中入針點誤差僅1 mm。

2.2 VR技術在關節(jié)外科的應用

傳統(tǒng)髖關節(jié)與膝關節(jié)置換術要求截骨準確、假體匹配、置換后力線良好等，而現(xiàn)階段我國髖膝關節(jié)置換術的術前規(guī)劃仍以X線評估為主，根據(jù)X線測量結(jié)果初步確定截骨范圍和假體大小，數(shù)據(jù)欠精確，易導致手術時間延長、假體不匹配、截骨過多等問題，假體術后長期磨損將導致使用壽命縮短，翻修手術量增加。通過VR技術可重建三維模型，并可進行截骨、假體置入等操作。

早期Edheads[14]曾設計一款針對兒童的游戲軟件，可模擬髖關節(jié)置換（關節(jié)脫位、髖臼杯安置、假體柄置入）等手術過程，但并非個體化手術規(guī)劃；后來Sato等[15]開發(fā)個體化手術規(guī)劃系統(tǒng)，可設計髖臼杯大小和假體安放位置方向，并可模擬術后關節(jié)活動范圍及下肢力線情況；亦有學者將VR用于模擬不同大小、形狀假體置入后的應力分布，以選取最接近正常生理狀態(tài)的假體[16-18]。而對于翻修手術和腫瘤型置換手術，VR同樣可精確預測切除范圍和假體大小，縮短了手術時間，避免了對正常結(jié)構的過多破壞[19-20]。

隨著手術機器人技術的發(fā)展，機器人手術系統(tǒng)已由輔助式逐漸向自動化方向發(fā)展，通過VR術前規(guī)劃，可預先設定一個手術安全區(qū)域并將手術空間局限在此范圍內(nèi)，避免了機器人手術對正常結(jié)構的破壞，同時實現(xiàn)鉆骨等手術步驟的半自動化，提高手術成功率[21]。

2.3 VR技術在運動醫(yī)學的應用

目前VR技術重構軟組織的能力還相對較差，與脊柱、關節(jié)、創(chuàng)傷手術相比，其在運動醫(yī)學術前規(guī)劃方面的應用較少，主要強調(diào)術前手術技能的掌握，以提高術者認知水平、提高手術精準度為主要目的。運動醫(yī)學的基本技能包括手術切口選擇、器械置入、器械使用、鏡下手眼配合等[22]，操作者需要經(jīng)歷一段時間練習才能掌握。傳統(tǒng)做法是利用尸體、動物、箱型訓練器等進行練習[23-25]，可一定程度地提高練習者的基本技能。但相比之下，VR訓練能夠有效提升練習者的術中表現(xiàn)[26]，事實上，幫助術者獲得鏡下所需技能也是術前規(guī)劃的一方面；VR模擬器也被認為是更能模擬患者生理狀況、可及時反饋、擴展性強、可重復性高的一項技術[27]。

上世紀90年代開始，Cooper等[28]通過錄制手術視頻，開發(fā)出僅操作手術器械即可播放相應部位圖像的初代VR模擬器，但只適用于提高練習者的認知水平，不能練習基本技能；有學者通過計算機編程計算并模擬器械與模擬環(huán)境碰撞的力量，將之反饋給練習者，以此模擬真實手術情況并練習基礎手術技能[29]；Rasool和Sourin[30]在此基礎上進一步提高圖像分辨率，并結(jié)合3D技術，更為真實地模擬半月板縫合等手術操作。人們通過錄制專家操作路徑，還實現(xiàn)了術前規(guī)劃的標準化，術者可提前設定大致的操作路徑，以此降低實際手術誤操作的風險[31]。也正是由于VR技術具有較高的費效比，因此在住院醫(yī)師技能培訓中被廣泛應用[6]，以提高練習者的鏡下操作技能[32]。不僅是膝關節(jié)鏡，VR技術在肩、腕等部位關節(jié)鏡也有一定的應用[33-34]。但總體而言，其在術前規(guī)劃如個體化模型構建、切口選擇、模擬練習等方面的開發(fā)應用尚待進一步發(fā)展。

2.4 VR技術在創(chuàng)傷骨科的應用

判定骨折類型、選擇內(nèi)固定物及置入位置是創(chuàng)傷骨科術前規(guī)劃的主要內(nèi)容。Blyth等[35]的調(diào)查問卷結(jié)果顯示，骨科醫(yī)師認為VR技術可于術前構建模型，使術者能夠正確理解骨折斷端之間的解剖關系和骨折方向；Shen等[36]通過VR技術構建骨盆骨折3D模型，模擬骨折前狀態(tài)，精確展示局部解剖結(jié)構，同時還可準確測量、個體化設計內(nèi)固定材料，規(guī)劃入釘點和放置方向，以達到縮短手術時間、縮小手術切口、減輕組織創(chuàng)傷、減少并發(fā)癥的目的；Sugand等[37]觀察住院醫(yī)師練習動力髖螺釘主釘安放的過程，認為隨著練習次數(shù)的增加，內(nèi)固定物放置準確度增加，手術時間、放射暴露及術中調(diào)整內(nèi)固定次數(shù)減少，提示術前規(guī)劃并練習可提高手術成功率。

2.5 VR技術在骨腫瘤外科的應用

骨腫瘤手術的術前規(guī)劃包括腫物完整切除和結(jié)構重建，應用VR技術可實現(xiàn)脊柱、關節(jié)]、四肢的結(jié)構重建[12,20,36]，有利于術者對局部解剖結(jié)構進行術前評估并制定手術方案。有報道將VR技術應用于髖部腫瘤，以精確預測手術范圍及輔助術前個體化假體設計[20]。對一些解剖結(jié)構變異不大的疾病，如腫瘤早期階段，VR技術通過識別形態(tài)改變的部位后染色來實現(xiàn)診斷的半自動化；此外，虛擬內(nèi)鏡可在術前發(fā)現(xiàn)較小和特殊部位的腫瘤病灶，有助于術前規(guī)劃的準確制定[38]。

3 展望

目前VR技術在外科領域的應用研究越來越多，其與手術規(guī)劃、操作的結(jié)合日趨緊密，但由于模擬器尚未發(fā)展成熟，導致VR技術目前尚不能實現(xiàn)觸覺、聲音的精確反饋[39]，對開放手術的模擬也大都未進入應用階段。目前VR技術多用于術前規(guī)劃和手術模擬，但未來結(jié)合AR技術可實現(xiàn)術中導航，發(fā)展空間十分巨大?？梢灶A見，VR技術在醫(yī)學領域?qū)⒀该桶l(fā)展，在不遠的未來將顛覆現(xiàn)有的醫(yī)療模式；VR技術的到來將實現(xiàn)診療、手術等的標準化作業(yè)，其實時模擬、便于遠程交流等優(yōu)勢均有利于醫(yī)療質(zhì)量的提高。

未來可根據(jù)患者資料構建個體化三維VR數(shù)據(jù)庫，立體展示患者的解剖變異及生理異常，并可在其上向患者解釋病情及診療方案，設計一套完整的手術計劃；對3D圖像、診療計劃、手術規(guī)劃進行錄制后可用于遠程會診、教學、術前練習手術等。對于疑難病例，可精確測量相關數(shù)據(jù)，反復練習手術，模擬患者術后恢復效果，選擇最佳手術方案，實現(xiàn)個體化精準醫(yī)療，使患者的生活質(zhì)量得到最大程度的提高，也使醫(yī)源性的損害降至最低。而與AR、機器人、術中導航等技術的結(jié)合，去除了人體腦力、體力的限制，實現(xiàn)手術操作的標準化、流程化、精細化、個體化、微創(chuàng)化。

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