增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉書中，張海龍，余可誼*，王以朋*

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 骨科,北京100730；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院，吉林 長春130033)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)的一種新興分支，AR技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息融合于真實(shí)場景中，即將虛擬場景、模型或系統(tǒng)信息與真實(shí)場景相疊加，從而在真實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭建起一個(gè)交互平臺(tái)，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感，體現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的增強(qiáng)理念[1]。AR技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的圖形學(xué)領(lǐng)域新技術(shù)，其理論基礎(chǔ)包括顯示技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、界面和可視化技術(shù)、校準(zhǔn)標(biāo)定技術(shù)，其具備真實(shí)性、實(shí)時(shí)互動(dòng)性、實(shí)用性的典型特點(diǎn)[2]。AR通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，真實(shí)場景和虛擬信息實(shí)時(shí)疊加到同一個(gè)畫面或空間中并同時(shí)存在，再通過硬件和軟件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用，使得身處其中的用戶可以以更加自然的方式與環(huán)境中的真實(shí)和虛擬物體進(jìn)行三維實(shí)時(shí)交互[1,2]。AR對(duì)人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行了信息增強(qiáng)與擴(kuò)張,信息的顯示與用戶的所見、所聞、所感有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了虛擬信息與真實(shí)世界的無縫鏈接，具有較虛擬現(xiàn)實(shí)更廣闊的應(yīng)用空間和研發(fā)潛力。近年來，脊柱外科手術(shù)技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但由于脊柱結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性、脊柱?？萍膊〉亩鄻有?，其手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難度依然較高。AR技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，為制定脊柱外科手術(shù)規(guī)劃、模擬手術(shù)入路、降低輻射劑量、提高手術(shù)成效、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)以及訓(xùn)練青年骨科醫(yī)師等創(chuàng)造了有利的條件。本文就增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科手術(shù)規(guī)劃及教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用做一綜述。

1 AR技術(shù)及其在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用概述

AR技術(shù)通過計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)將虛擬對(duì)象疊加到真實(shí)環(huán)境當(dāng)中,真實(shí)環(huán)境和虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)地顯示在同一個(gè)空間內(nèi)。AR技術(shù)作為一種新型人機(jī)界面形式，能為體驗(yàn)者提供虛擬世界和真實(shí)世界相互混合、疊加增強(qiáng)的交互空間，可將抽象的信息與直觀具體的物理模型有機(jī)結(jié)合，為體驗(yàn)者的交互提供了包括視覺、觸覺和本體感受等在內(nèi)的感知與認(rèn)知系統(tǒng)，使用戶能夠更自然、更精準(zhǔn)、更高效地進(jìn)行體驗(yàn)、學(xué)習(xí)、操作[1,2]。

近年來，AR技術(shù)在社會(huì)各領(lǐng)域迅猛發(fā)展，其涉及的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，包括建筑學(xué)、軍事、醫(yī)學(xué)、人工智能、體育、工業(yè)設(shè)計(jì)、心理學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等[3]。AR技術(shù)在骨科領(lǐng)域中具有極為廣闊的應(yīng)用前景，包括術(shù)前規(guī)劃、外科手術(shù)、技術(shù)培訓(xùn)、康復(fù)訓(xùn)練、自主學(xué)習(xí)等，并可帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，進(jìn)而更大限度地節(jié)約社會(huì)資源和人力資源[4,5]。研究內(nèi)容涉及脊柱外科、關(guān)節(jié)外科、骨科創(chuàng)傷、骨腫瘤外科、康復(fù)醫(yī)學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)等亞專業(yè)。通過AR技術(shù)輔助的骨科手術(shù)模擬系統(tǒng)，骨科醫(yī)師在進(jìn)行復(fù)雜、高難度手術(shù)之前可以先進(jìn)行模擬、訓(xùn)練、交流，反復(fù)探討實(shí)際手術(shù)過程當(dāng)中的手術(shù)入路、操作要點(diǎn)、高難度步驟等，然后將訓(xùn)練成果與操作經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到真實(shí)手術(shù)中，進(jìn)一步優(yōu)化手術(shù)方案。AR技術(shù)可在術(shù)中指導(dǎo)手術(shù)操作，其實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)根據(jù)解剖大數(shù)據(jù)和患者個(gè)體化影像學(xué)資料精確擬合成三維立體模型，術(shù)前把患者的X線、CT、MRI、SPECT/CT、PET-CT、PET-MRI等影像資料和數(shù)據(jù)輸入AR系統(tǒng)，手術(shù)中計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)生成的虛擬場景與術(shù)者所處的真實(shí)場景有機(jī)結(jié)合，通過軟硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用，使術(shù)者以自然的方式在虛擬和真實(shí)場景中進(jìn)行三維交互，術(shù)者能夠在AR系統(tǒng)的實(shí)時(shí)引導(dǎo)下精準(zhǔn)地完成手術(shù)操作，使手術(shù)更加精準(zhǔn)、微創(chuàng)，降低手術(shù)對(duì)全身內(nèi)環(huán)境的干擾和所造成的局部創(chuàng)傷，減少術(shù)中醫(yī)患雙方接受的放射劑量，提高手術(shù)治療的效果。此外，青年骨科醫(yī)師、研究生、醫(yī)學(xué)生也可以通過AR系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)操作的學(xué)習(xí)、模擬和培訓(xùn)。

2 AR技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用

2.1AR技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

AR技術(shù)將患者術(shù)前的影像學(xué)資料(如X線、CT、MRI、磁共振血管造影MRA、血管成像CTA、數(shù)字減影血管造影DSA、SPECT/CT、PET-CT、PET-MRI等)數(shù)據(jù)輸入工作系統(tǒng)中進(jìn)行處理、分析、整合、輸出，形成個(gè)體化、客觀、精準(zhǔn)的三維模擬圖像，以保證擬合出的三維圖像與手術(shù)中實(shí)際的解剖位置關(guān)系高度一致。再通過配準(zhǔn)技術(shù)將虛擬和真實(shí)物體進(jìn)行精確重疊并呈獻(xiàn)給術(shù)者，其疊加圖像清晰度高、分辨率高、結(jié)構(gòu)化示圖、立體感強(qiáng)，術(shù)中可協(xié)助術(shù)者實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地識(shí)別解剖結(jié)構(gòu)及其位置關(guān)系，分析病變特點(diǎn)及手術(shù)切除范圍，并可進(jìn)行交互操作，可取得良好的手術(shù)效果。此外，術(shù)前通過AR系統(tǒng)對(duì)脊柱外科手術(shù)中涉及到的重要解剖結(jié)構(gòu)(椎體、椎體附件、脊髓、韌帶、瘤體、神經(jīng)、肌肉、血管、周圍組織、周圍重要臟器等)用不同顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)、匹配、呈現(xiàn)，從而更加準(zhǔn)確、直觀地識(shí)別術(shù)野、確定手術(shù)路徑，提高手術(shù)的精準(zhǔn)度和安全性，大大降低副損傷及其他并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，由于手術(shù)時(shí)間的大大縮短，術(shù)者及患者所接受的放射線劑量也大大降低。

在脊柱外科領(lǐng)域，由于脊柱脊髓等重要解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之脊髓損傷的不可預(yù)見性，脊柱外科手術(shù)操作中極易造成神經(jīng)和血管等重要結(jié)構(gòu)的損傷，精準(zhǔn)定位是脊柱外科手術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，直接關(guān)系到手術(shù)操作的難易程度、手術(shù)時(shí)間長短以及手術(shù)療效優(yōu)劣。利用AR技術(shù)進(jìn)行個(gè)體化內(nèi)固定物設(shè)計(jì)、模擬和置入，指導(dǎo)脊柱外科手術(shù)中穿刺針、穿刺套管或內(nèi)固定置入物的精準(zhǔn)置放，評(píng)估手術(shù)操作的精確性及手術(shù)治療的效果，可有效提升手術(shù)的精確性、安全性，縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)者與患者的輻射接收量[4,5]。在脊柱手術(shù)中，AR技術(shù)可協(xié)助完善脊柱立體概念，利用數(shù)字化技術(shù)、三維建模技術(shù)和術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)，制定個(gè)體化的術(shù)前規(guī)劃，最大限度地降低手術(shù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)，減少醫(yī)患雙方的輻射暴露，在脊柱外科中可根據(jù)脊柱的三維形態(tài)學(xué)信息，通過運(yùn)動(dòng)范圍模擬、術(shù)中定位和跟蹤，對(duì)選擇手術(shù)入路、提高定位的精度意義重大，亦有利于提高內(nèi)置物的使用壽命[5]。在脊柱外科的康復(fù)治療中，AR技術(shù)可以日常常規(guī)動(dòng)作為基礎(chǔ)，為患者的康復(fù)訓(xùn)練提供可重復(fù)進(jìn)行的目的性主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，有效喚醒神經(jīng)元的功能，促使大腦對(duì)動(dòng)作質(zhì)量進(jìn)行校對(duì)，最終恢復(fù)一定的運(yùn)動(dòng)功能并建立新的代償，實(shí)現(xiàn)功能重塑從而改善肢體運(yùn)動(dòng)能力和不適癥狀[5]。同時(shí)，多項(xiàng)研究表明AR技術(shù)在脊柱外科理論知識(shí)和實(shí)踐能力的自主學(xué)習(xí)、教學(xué)培訓(xùn)過程中發(fā)揮著重要作用。

2.2AR技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用的實(shí)例

隨著AR技術(shù)的發(fā)展，其在脊柱外科手術(shù)規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、骨科康復(fù)、教學(xué)培訓(xùn)等方面展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展空間及應(yīng)用前景。隨著脊柱微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的發(fā)展衍進(jìn)，基于AR技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)當(dāng)中，并具有較高的可行性、準(zhǔn)確性和安全性。Elmi-Terander等[6]認(rèn)為AR手術(shù)導(dǎo)航(augmented reality surgical navigation，ARSN)系統(tǒng)包含手術(shù)操作臺(tái)、可移動(dòng)C型臂探測儀、術(shù)中2D/3D顯示裝置、AR技術(shù)所需集成光學(xué)鏡頭以及非侵入性患者體位運(yùn)動(dòng)感知裝置。在該項(xiàng)研究中，兩名術(shù)者分別在4具尸體模型上置入94枚胸椎椎弓根螺釘(其中一側(cè)均由兩名術(shù)者徒手置入螺釘，另一側(cè)由兩名術(shù)者在ARSN系統(tǒng)引導(dǎo)下置入螺釘)，研究表明相對(duì)于傳統(tǒng)螺釘置入技術(shù)，應(yīng)用ARSN系統(tǒng)完成胸椎椎弓根螺釘置入具有更高的準(zhǔn)確性(P<0.05)。Elmi-Terander等[7]進(jìn)一步研究證實(shí)AR技術(shù)結(jié)合術(shù)中3D影像導(dǎo)航技術(shù)有望在胸腰椎椎弓根螺釘或穿刺針置入過程中替代術(shù)中X線攝片或透視，并且具有較高的準(zhǔn)確度和安全性。Ma等[8]在研究中應(yīng)用克氏針代替椎弓根螺釘，研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助的AR脊柱手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可有效減少術(shù)中手術(shù)者及患者的接受輻射量，并且具備較高的置入精確度，該項(xiàng)技術(shù)有望在臨床中進(jìn)一步開展。Wu等[9]認(rèn)為在脊柱手術(shù)尤其是脊柱經(jīng)皮椎體成形術(shù)中，利用AR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)虛擬的3-D模擬人體圖像與患者真實(shí)人體的一體化呈現(xiàn)，既可提高穿刺套管置入位置的準(zhǔn)確程度，同時(shí)也能減少操作時(shí)間，進(jìn)而降低術(shù)者和患者的射線輻射量。但現(xiàn)階段的相關(guān)研究多選取虛擬人體模型、尸體模型、動(dòng)物模型為研究對(duì)象，尚缺乏大樣本的臨床研究資料來深入闡明AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要臨床意義。陳宣煌等[10]采用Mimics軟件三維重建設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了腰椎椎弓根螺釘置釘通道和支撐柱，在術(shù)中進(jìn)行可視化導(dǎo)航置釘，其準(zhǔn)確率可達(dá)97%，優(yōu)良率達(dá)95%。

Fritz等[11]前瞻性地評(píng)估一種新型MRI引導(dǎo)下、可用于脊柱穿刺導(dǎo)航的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像疊加系統(tǒng)。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括穿刺點(diǎn)位置誤差、角度誤差、深度誤差、目標(biāo)位置誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在60次穿刺過程中操作精度為1.6±0.8 mm，角度誤差為1.6°±1°，深度誤差為0.7±0.5 mm，目標(biāo)誤差為1.9±0.9 mm。所有解剖目標(biāo)均穿刺成功(包括20個(gè)關(guān)節(jié)面、20個(gè)椎間隙和20個(gè)椎管區(qū)域)，進(jìn)一步證實(shí)了MRI引導(dǎo)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像疊加系統(tǒng)可有效提高腰椎手術(shù)的精確度，具有較為廣闊的臨床應(yīng)用前景。Fritz等[12]進(jìn)一步將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)與1.5 T磁共振系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，在12具人體尸體模型上進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)MRI導(dǎo)航系統(tǒng)介導(dǎo)下脊柱腰骶部注射操作共187次(包括硬膜外注射、脊神經(jīng)根注射、關(guān)節(jié)面注射、內(nèi)側(cè)支阻滯、椎間盤造影)，結(jié)果表明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)結(jié)合MRI手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)有助于提高脊柱注射操作的準(zhǔn)確性。Weiss等[13]研究證實(shí)新型MRI引導(dǎo)下、可用于脊柱穿刺導(dǎo)航的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像疊加系統(tǒng)可以用來成功地實(shí)現(xiàn)腰椎小關(guān)節(jié)內(nèi)置物的高精度置入，具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值，但尚需進(jìn)行更為充分的臨床效果評(píng)估。譚海濤等[14]采用了CT連續(xù)掃描重建頸椎三維模型，設(shè)計(jì)與頸椎椎板相吻合的反向模板，模擬最佳螺釘置釘通道，采用該項(xiàng)導(dǎo)航模板輔助置入椎弓根螺釘164枚，未發(fā)生動(dòng)脈、神經(jīng)損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥，且可提高頸椎置釘?shù)木_度和安全性。Wang等[15]研究證實(shí)AR導(dǎo)航系統(tǒng)的使用可大幅度提高骶髂螺釘置入的精準(zhǔn)度，進(jìn)而有效降低周圍血管、神經(jīng)等解剖結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生率，有望成為經(jīng)皮骶髂螺釘置入手術(shù)的有效輔助手段。張?jiān)堑萚16]利用CT三維重建和逆向工程技術(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)骶骨前后位進(jìn)行多層分析，確定經(jīng)皮橫向骶髂關(guān)節(jié)螺釘最優(yōu)置釘通道，以此治療骶骨縱行骨折患者12例，未發(fā)生血管、神經(jīng)損傷和螺釘松動(dòng)等并發(fā)癥。

臨床中，脊柱節(jié)段封閉治療、經(jīng)皮脊柱穿刺術(shù)、脊柱開放手術(shù)均需要對(duì)脊柱椎體水平進(jìn)行精準(zhǔn)確認(rèn)，以利于有效和安全地完成操作。目前，臨床上多采用觸診及X線定位來對(duì)脊柱節(jié)段進(jìn)行識(shí)別，操作繁瑣且耗費(fèi)時(shí)間。Hetherington等[17]研究發(fā)現(xiàn)AR技術(shù)可以有效解決上述難題，研究者開發(fā)一種新型實(shí)時(shí)位置識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN)技術(shù)對(duì)脊柱解剖結(jié)構(gòu)的影像進(jìn)行分類識(shí)別，自動(dòng)識(shí)別并準(zhǔn)確顯示椎體水平并生成圖像信息，投射于患者脊柱的相應(yīng)水平對(duì)術(shù)者做出提示，準(zhǔn)確率可達(dá)90%，并且識(shí)別所需時(shí)間得以大大縮短。Bisson等[18]將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于椎間盤切除術(shù)中輔助定位，術(shù)者可利用AR技術(shù)為人體解剖結(jié)構(gòu)添加注解，有助于術(shù)者精確定位，研究表明人體實(shí)際位置與三維重建圖像的標(biāo)定誤差距離僅為1.0 mm，AR技術(shù)可有效輔助骨科醫(yī)師完成微創(chuàng)椎間盤切除手術(shù)。

在脊柱畸形的矯形手術(shù)方面，Kosterhon等[19]應(yīng)用AR技術(shù)在術(shù)前將患者的脊柱CT、MRI等影像學(xué)資料輸入3-D可視化軟件系統(tǒng)進(jìn)行整合、分析，模擬生成術(shù)中擬定的切除平面及截骨范圍并導(dǎo)出至導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)，即可使術(shù)者在實(shí)際操作中根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)的切除平面及截骨范圍有的放矢地完成既定手術(shù)，有效提高了手術(shù)的精準(zhǔn)度和安全性，并大大縮短了手術(shù)時(shí)間。Kosterhon等[19]將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用在一位胸腰段脊柱先天性半椎體患者的手術(shù)中，半椎體切除與椎弓根螺釘置入均按照術(shù)前設(shè)置的手術(shù)方案完成，手術(shù)效果良好。該技術(shù)對(duì)于脊柱疾病(尤其是復(fù)雜畸形)的外科治療具有重要的指導(dǎo)意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。樊勇等[20]采用術(shù)前計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)了擬定截骨區(qū)域、范圍，術(shù)中采用三維導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確截骨矯形，可提高矯正胸腰段骨折術(shù)后繼發(fā)角狀后凸畸形手術(shù)的有效性和安全性，有效提高復(fù)雜脊柱畸形的手術(shù)治療效果。

隨著針對(duì)AR技術(shù)的研究不斷深入，AR不僅可應(yīng)用于常見脊柱疾患的診療，對(duì)于脊柱原發(fā)腫瘤及脊柱轉(zhuǎn)移癌的優(yōu)化微創(chuàng)診療也體現(xiàn)出了重要價(jià)值。Abe等[21]設(shè)計(jì)出一種新型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助3D導(dǎo)航系統(tǒng)VIPAR，該系統(tǒng)可用于經(jīng)皮椎體成形手術(shù)(percutaneous vertebroplasty，PVP)中穿刺套管的軌道設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)置入導(dǎo)航。在應(yīng)用40具脊柱模型模擬進(jìn)行的PVP穿刺過程中，VIPAR系統(tǒng)可顯著降低軸位及矢狀位上穿刺針置入角度與擬定置入角度之間的誤差。此外，研究者選取5位臨床上確診骨質(zhì)疏松性椎體骨折患者施行VIPAR輔助PVP手術(shù)，進(jìn)一步在臨床應(yīng)用中證實(shí)了VIPAR系統(tǒng)輔助PVP手術(shù)的穿刺置管準(zhǔn)確性，5例患者均未發(fā)生椎弓根破壞及骨水泥滲漏。Fritz等[22]以人體尸體模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，評(píng)估了AR技術(shù)輔助MR導(dǎo)航骨組織穿刺的精準(zhǔn)度，研究結(jié)果表明該系統(tǒng)可有效提高尸體脊柱及骨盆部位骨性病變活檢的準(zhǔn)確性，但囿于實(shí)驗(yàn)對(duì)象的限制，尚需積累臨床資料進(jìn)一步評(píng)估其效果。

近年來，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)AR技術(shù)有利于神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的康復(fù)治療和訓(xùn)練。Villiger等[23]研究發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)化的神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練可在一定程度上協(xié)助不完全性脊髓損傷患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能并改善疼痛癥狀，使其有望成為脊柱脊髓損傷患者康復(fù)訓(xùn)練的有效工具之一，但尚需結(jié)合更多的臨床對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果加以論證。Im DJ等[24]研究表明3D可視化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可用于老年人群的康復(fù)訓(xùn)練中，具有增強(qiáng)肢體運(yùn)動(dòng)能力及平衡能力的功效。Ortiz-Catalan等[25]證實(shí)AR技術(shù)可用于幻肢痛的治療，是一種非侵入性、非藥物性、安全有效的治療手段。

3 AR技術(shù)在脊柱外科教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用

隨著脊柱外科診治技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新興亞專業(yè)(如經(jīng)皮脊柱內(nèi)鏡、脊柱腫瘤、脊柱矯形等技術(shù))逐步開展，也給青年骨科醫(yī)師等提出了更高水平的要求，需要更扎實(shí)地掌握骨科解剖、生理、病理、影像等專業(yè)知識(shí)，并能與臨床手術(shù)、病例特點(diǎn)、影像學(xué)資料等充分結(jié)合，進(jìn)而為掌握操作要點(diǎn)、施行手術(shù)操作奠定良好的基礎(chǔ)。AR技術(shù)便捷、虛擬與現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合、節(jié)約資源、可重復(fù)應(yīng)用等特點(diǎn)使其有望成為脊柱外科教學(xué)培訓(xùn)及操作模擬中的新型手段，借助AR技術(shù)可提高脊柱外科醫(yī)師、青年骨科醫(yī)師、研究生和醫(yī)學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的理解及對(duì)臨床技能的掌握。AR技術(shù)可以將脊柱外科中的系統(tǒng)解剖、局部解剖、生理、病理、影像、外傷、腫瘤、感染、血管、微創(chuàng)技術(shù)等教學(xué)模型融合在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給體驗(yàn)者，生成逼真的集視覺、聽覺、觸覺等多種感官在內(nèi)的環(huán)境，增加了體驗(yàn)者的主觀能動(dòng)性，是對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)模式的有力補(bǔ)充。

AR技術(shù)能清晰、立體地呈現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)及病變情況，明確毗鄰關(guān)系，提供給骨科醫(yī)師直觀、可視化操作環(huán)境，尤其是病灶影像解剖與實(shí)際解剖的對(duì)照與融合，傳統(tǒng)上對(duì)脊柱外科醫(yī)師進(jìn)行解剖訓(xùn)練時(shí)，需要不斷地培養(yǎng)空間想象力，反復(fù)進(jìn)行術(shù)前病灶影像資料的認(rèn)識(shí)和理解，術(shù)中才能與真實(shí)解剖建立起合理的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著AR技術(shù)的應(yīng)用，利用重建脊柱的三維立體結(jié)構(gòu)，可以使青年脊柱外科醫(yī)師從多角度并直觀地在術(shù)中透視病灶與血管神經(jīng)的位置關(guān)系，促進(jìn)了青年醫(yī)師的成長。Luciano等[26]提出具有觸覺反饋?zhàn)饔玫母叻直媛试鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬裝置有助于青年醫(yī)師學(xué)習(xí)、演練胸椎椎弓根螺釘置入操作。George等[27]提出了一種基于AR原理低成本的脊柱穿刺活檢手術(shù)操作培訓(xùn)裝置，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)指導(dǎo)操作者完成擬定的脊柱穿刺活檢操作，最大限度地保證穿刺位置和角度的準(zhǔn)確性。由于該裝置不需要借助于紅外跟蹤定位系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)在教育和培訓(xùn)方面具有更為突出的實(shí)用價(jià)值。Keri等[28]在研究中將24名住院醫(yī)師隨機(jī)分為兩組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用超聲引導(dǎo)AR技術(shù)導(dǎo)航下的操作者相比于僅在超聲引導(dǎo)下完成的操作者，在完成異常結(jié)構(gòu)脊柱模型穿刺的過程中其穿刺位置準(zhǔn)確性顯著提高，穿刺時(shí)間顯著縮短。

文獻(xiàn)報(bào)道脊柱小關(guān)節(jié)綜合征可導(dǎo)致15-45%的慢性腰背痛，該病的治療主要依賴于小面關(guān)節(jié)注射藥物治療。但該項(xiàng)技術(shù)要求操作精度較高，操作者需根據(jù)超聲顯示的二維圖像來進(jìn)行精細(xì)操作。因此，Moult等[29]將AR技術(shù)應(yīng)用于脊柱關(guān)節(jié)面注射技能的指導(dǎo)和培訓(xùn)，在對(duì)26名醫(yī)學(xué)生進(jìn)行的訓(xùn)練研究中，Moult等發(fā)現(xiàn)AR技術(shù)可顯著提高醫(yī)學(xué)生操作的精度和效率。Sutherland等[30]提出了一種以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為原理、應(yīng)用于脊柱穿刺導(dǎo)航模擬的觸覺仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由軀干模型、MicronTracker2光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、幻影觸覺裝置和提供視覺反饋的圖形用戶界面所構(gòu)成。該系統(tǒng)允許用戶在物理模型上進(jìn)行模擬內(nèi)置物置入操作，進(jìn)而為臨床青年醫(yī)生提供了模擬真實(shí)手術(shù)場景的操作訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

因此，AR技術(shù)有效增加了青年骨科醫(yī)師動(dòng)手操作、訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，極大地緩和了有限的醫(yī)療資源和實(shí)踐手術(shù)操作需求[31]。此外，AR技術(shù)亦可用于醫(yī)學(xué)院校組織的臨床操作考核等場景，AR系統(tǒng)不但有望替代監(jiān)考教師對(duì)學(xué)生成績進(jìn)行評(píng)分，還可以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析出學(xué)生失誤率、失誤具體行為、與標(biāo)準(zhǔn)操作對(duì)比差距等數(shù)據(jù)資料，進(jìn)而更好地掌握體驗(yàn)者學(xué)習(xí)與實(shí)踐過程中的問題所在。

4 AR技術(shù)在應(yīng)用中亟待解決的問題

近年來AR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展，也同時(shí)呈現(xiàn)出一些亟待解決的問題與不足[32,33]，如：(1)AR技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域仍處于起步階段，尚需進(jìn)一步完善技術(shù)；(2)降低虛實(shí)場景之間的配準(zhǔn)誤差，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度；(3)患者及儀器位置變換時(shí)的移位跟蹤問題；(4)建立規(guī)范、統(tǒng)一、完善的效果評(píng)估體系；(5)AR技術(shù)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的認(rèn)知觀念與方式，普及難度偏大；(6)缺乏大樣本、高質(zhì)量的臨床研究，尚需積累更多的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和臨床經(jīng)驗(yàn)；(7)臨床應(yīng)用過程中所涉及的法律倫理問題。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，AR技術(shù)是一項(xiàng)迅猛發(fā)展的高科技模擬手段，其最終目標(biāo)是協(xié)助術(shù)者精準(zhǔn)地規(guī)劃與模擬手術(shù)操作，使手術(shù)更加精準(zhǔn)、微創(chuàng)，降低手術(shù)對(duì)全身內(nèi)環(huán)境的干擾和造成的局部創(chuàng)傷，減少術(shù)中醫(yī)患雙方接受的輻射劑量，提高手術(shù)治療的效果。AR技術(shù)對(duì)脊柱外科手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)操作、康復(fù)、教學(xué)培訓(xùn)等領(lǐng)域有著重要價(jià)值。

隨著AR技術(shù)與骨科診療新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其在脊柱外科疾病診斷、手術(shù)、教學(xué)、培訓(xùn)等方面將發(fā)揮越來越重要的作用。應(yīng)盡早建立并完善基于AR技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航和培訓(xùn)系統(tǒng)，早日形成完善的效果評(píng)估體系，更好的增進(jìn)體驗(yàn)者對(duì)脊柱外科?？浦R(shí)的掌握，提高手術(shù)操作實(shí)踐能力，完善術(shù)前規(guī)劃，制定并完成更為合理、優(yōu)化的手術(shù)方案，進(jìn)一步促進(jìn)青年醫(yī)師的培養(yǎng)與訓(xùn)練。AR技術(shù)代表了今后脊柱外科乃至骨科的發(fā)展方向，是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的突出代表。我們相信隨著高性能AR系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)及其臨床效果得到進(jìn)一步證實(shí)，AR技術(shù)有望在脊柱外科領(lǐng)域展現(xiàn)出更為廣闊的應(yīng)用前景。