混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人工股骨頭置換中的應(yīng)用初探*

周玉虎，王建吉，李慶軍，楊龍 ，鄒強(qiáng) ，舒莉萍，葉川**

(1.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 骨科，貴州 貴陽 550004；2.貴州醫(yī)科大學(xué) 細(xì)胞工程生物醫(yī)藥技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550004)

老年股骨頸骨折發(fā)病率約10%，占股骨近端骨折的53%以上[1]，而移位性股骨頸骨折后股骨頭壞死率高達(dá)78%[2-3]，因此認(rèn)為若無絕對(duì)禁忌,股骨頸骨折常采取手術(shù)治療[4-6]。精準(zhǔn)安放假體是股骨頸骨折手術(shù)成功的關(guān)鍵，假體角度不當(dāng)容易引起關(guān)節(jié)脫位、假體磨損、撞擊、髖部疼痛和功能受限等問題[7-8]，同時(shí)微創(chuàng)人工股骨頭置換術(shù)有助于患者術(shù)后快速康復(fù)，減少并發(fā)癥[9-12]，因此如何快速、準(zhǔn)確和微創(chuàng)的放置假體、減少并發(fā)癥是骨科醫(yī)師一直關(guān)注的問題。由于老年人工股骨頭置換標(biāo)本短缺、成本昂貴等因素，導(dǎo)致微創(chuàng)人工股骨頭置換術(shù)的教學(xué)成本昂貴，延長(zhǎng)了年輕醫(yī)生的學(xué)習(xí)培訓(xùn)周期，而一個(gè)培訓(xùn)合格的醫(yī)師對(duì)有效降低人工股骨頭置換術(shù)并發(fā)癥是至關(guān)重要[13-14]。數(shù)字醫(yī)學(xué)作為一門新興學(xué)科近年來獲得飛速發(fā)展，其中混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(mixed reality, MR)是一項(xiàng)革命性的數(shù)字全息影像技術(shù)，它在空間中投射三維圖像，觀看者可從不同的角度、甚至進(jìn)入影像內(nèi)部進(jìn)行層次化觀察，使手術(shù)方案更詳細(xì)，醫(yī)患溝通更暢通，手術(shù)更精準(zhǔn)，是一種可視化的手術(shù)模式[15-18]。國(guó)內(nèi)外已有MR在外科領(lǐng)域的報(bào)道，但未見在髖關(guān)節(jié)人工股骨頭置換方面的研究，本研究將MR導(dǎo)航下的股骨頭置換與傳統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比，觀察這一突破性影像導(dǎo)航技術(shù)的價(jià)值和特點(diǎn)。

1 資料與方法

1.1一般資料

選取2017年9月—2018年10月收治的20例需行人工股骨頭置換術(shù)且同意手術(shù)的高齡股骨頸骨折患者，患者隨機(jī)均分為MR技術(shù)輔助組(A組)和常規(guī)手術(shù)組(B組)。A組：男6例、女4例，年齡65～92歲、平均(77.1±7.51)歲，Garden分型Ⅲ型5例、Ⅳ型5例。B組：男5例、女5例，年齡66～89歲、平均(77.1±7.35)歲，Garden分型Ⅲ型4例、Ⅳ型6例。2組患者均為行走時(shí)摔傷，一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；術(shù)前檢查2組患者無絕對(duì)手術(shù)禁忌，本研究獲得本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者或家屬簽字同意進(jìn)入研究。

1.2方法

1.2.1檢查方法 每例患者仰臥位、行128排螺旋CT(德國(guó)西門子公司)掃描，設(shè)置如下:電壓120 kV，電流250 mA，切片厚度0.625 mm，掃描范圍從雙側(cè)髂骨近端開始至股骨遠(yuǎn)端，以雙側(cè)髖關(guān)節(jié)為中心選擇合適的掃描范圍，生成原始影像數(shù)據(jù)。

1.2.2三維模型重構(gòu) 將股骨頸骨折DICOM格式的影像數(shù)據(jù)輸入Mimics 10.01軟件進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)及基于閾值的圖像分割；將掩蔽的原始層仔細(xì)修補(bǔ)，以最優(yōu)質(zhì)量計(jì)算出STL格式的三維模型；通過軟件與算法進(jìn)行定位、渲染、調(diào)整參數(shù)、設(shè)定模型功能，進(jìn)行高維態(tài)顯示處理，把模型載入MR設(shè)備(HoloLens, Microsoft Corporation, USA)，實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣區(qū)皮膚、骨骼等組織采用不同顏色標(biāo)記(圖1)。

1.2.3混合現(xiàn)實(shí)顯示 將獲得的三維模型載入到MR設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)基于MR的手術(shù)規(guī)劃、醫(yī)患溝通，提高手術(shù)精準(zhǔn)度和溝通效率流程(圖2)。

注：A示有皮膚無假體模型，B示無皮膚有假體模型，C示有皮膚及有假體模型。

1.2.4手術(shù)過程 患者全麻或(和)神經(jīng)阻滯麻醉后側(cè)臥位，A組根據(jù)術(shù)前MR模型預(yù)定手術(shù)方案，術(shù)者佩戴MR影像系統(tǒng)(圖3)匹配虛擬影像和實(shí)際解剖標(biāo)志，在MR影像導(dǎo)航下，以大轉(zhuǎn)子為中心取后外側(cè)切口，切開皮膚及筋膜，暴露闊筋膜、臀大肌，切斷外旋肌群大轉(zhuǎn)子止點(diǎn)，切開關(guān)節(jié)囊，取出股骨頭，于小轉(zhuǎn)子上1.0～1.5 cm處修整殘頸，髖關(guān)節(jié)屈曲內(nèi)收內(nèi)旋、暴露股骨近端、擴(kuò)髓，繼續(xù)在MR影像導(dǎo)航下置入尺寸匹配的股骨柄假體(Corail, Depuy Synthes, France)和雙極股骨頭(Self-CenteringTMBipolar, Depuy Synthes, France)，活動(dòng)無脫位、關(guān)節(jié)腔內(nèi)置負(fù)壓引流后逐層縫合；B組診療過程中未采用MR模型輔助，余手術(shù)方式、假體及手術(shù)醫(yī)生均與A組完全一致。

圖2 MR三維模型流程

注：A為術(shù)前MR設(shè)備穿戴，B為MR模型匹配，C為MR模型導(dǎo)航手術(shù)。

1.3觀察指標(biāo)

記錄2組患者的手術(shù)時(shí)間、切口長(zhǎng)度及術(shù)中出血量；術(shù)后出院時(shí)、1個(gè)月及6個(gè)月時(shí)髖關(guān)節(jié)Harris評(píng)分[19];分別調(diào)查醫(yī)患對(duì)MR模型的滿意度評(píng)分[20-22]。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1醫(yī)患溝通與手術(shù)規(guī)劃

A組通過上述處理獲得患側(cè)髖關(guān)節(jié)不同方位的MR模型和假體預(yù)置顯示圖(圖4)。醫(yī)患直面MR三維重構(gòu)模型，講解手術(shù)方案，患者及家屬對(duì)疾病診治充分理解，增加患者手術(shù)及術(shù)后康復(fù)鍛煉的信心，有效緩解醫(yī)患關(guān)系。通過個(gè)性化MR模型熟悉解剖結(jié)構(gòu)，輔助術(shù)者模擬手術(shù)方案及評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)知假體型號(hào)、置入及處理措施，提高醫(yī)生手術(shù)的效率及成功率，術(shù)前反復(fù)模擬及培訓(xùn)，有效提高年輕醫(yī)生的實(shí)踐能力。B組根據(jù)影像資料進(jìn)行常規(guī)醫(yī)患溝通及制定手術(shù)方案。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.1手術(shù)時(shí)間、切口長(zhǎng)度及術(shù)中出血量 結(jié)果顯示，A組患者的手術(shù)切口較B組縮短，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05)；2組患者的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

注：一位右側(cè)股骨頸骨折患者的MR模型圖(A、B示骨盆正位/側(cè)位X線片，C示骨折CT橫段面，D、G示骨盆后位無/有假體模型，E、H示股骨側(cè)位無/有假體模型，F(xiàn)、I示骨盆正位無/有假體模型)。

表1 2組患者手術(shù)時(shí)間、切口長(zhǎng)度及術(shù)中出血量

2.2.2術(shù)后髖關(guān)節(jié)Harris評(píng)分 統(tǒng)計(jì)2組患者出院、術(shù)后1月及6月時(shí)髖關(guān)節(jié)Harris評(píng)分，結(jié)果顯示出院時(shí)Harris評(píng)分A組高于B組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；術(shù)后1月及6月時(shí)，髖關(guān)節(jié)Harris評(píng)分，2組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表2 2組患者髖關(guān)節(jié)Harris評(píng)分

2.2.3滿意度調(diào)查 根據(jù)臨床需求設(shè)計(jì)了醫(yī)生問卷表和患者問卷表，調(diào)查醫(yī)生和患者對(duì)MR模型的滿意度(表3、表4)，醫(yī)生問卷表包括5個(gè)問題，患者問卷表包括4個(gè)問題，每個(gè)問題采用10分制，1分表示無用/非常差/逼真度差，10分表示有用/非常好/逼真度高。術(shù)前3位骨科醫(yī)生根據(jù)MR模型制定手術(shù)方案及模擬手術(shù)，術(shù)后評(píng)估MR模型的逼真度和手術(shù)效果，填寫醫(yī)生問卷調(diào)查表。A組患者或家屬通過MR模型溝通病情后立即對(duì)MR模型滿意度評(píng)分。結(jié)果顯示：醫(yī)患對(duì)MR模型評(píng)分均較高，患者對(duì)MR模型應(yīng)用于醫(yī)患溝通表示支持，醫(yī)患對(duì)MR模型的臨床應(yīng)用滿意。

表3 醫(yī)生對(duì)MR的滿意度調(diào)查結(jié)果

表4 患者對(duì)MR的滿意度調(diào)查結(jié)果

3 討論

臨床上，快速準(zhǔn)確安放假體是老年股骨頸骨折患者行人工股骨頭置換術(shù)的關(guān)鍵。目前對(duì)于復(fù)雜股骨頸、骨盆骨折，3D打印實(shí)體模型有利于進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及醫(yī)患溝通，有效降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[23-24]，但因經(jīng)濟(jì)成本增加、耗時(shí)長(zhǎng)而應(yīng)用受限。同時(shí)依賴臨床經(jīng)驗(yàn)和二維影像數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)骨科手術(shù)限制年輕醫(yī)生對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的理解。為減少股骨頸骨折人工股骨頭置換術(shù)因手術(shù)操作、個(gè)體差異造成的術(shù)后并發(fā)癥，迫切需要一項(xiàng)可行的影像學(xué)技術(shù)，指導(dǎo)手術(shù)醫(yī)生術(shù)前熟悉患者病情、擬定符合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的手術(shù)方案，術(shù)中準(zhǔn)確掌握手術(shù)野解剖結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)正確的手術(shù)操作及精準(zhǔn)安放假體。MR技術(shù)通過建立虛擬、現(xiàn)實(shí)情景和用戶之間的反饋通道，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，在保證術(shù)前規(guī)劃、醫(yī)患溝通有效性及術(shù)中精準(zhǔn)導(dǎo)航假體的同時(shí)，彌補(bǔ)了上述應(yīng)用的限制，為醫(yī)療行業(yè)提供一種新的三維可視化診療模式?？梢暬SMR模型有效的解決術(shù)前規(guī)劃、醫(yī)患溝通信息不對(duì)稱等困難[25]。

MR技術(shù)在術(shù)前通過MR顯示患者髖關(guān)節(jié)立體解剖結(jié)構(gòu)，從皮膚、皮下軟組織到髖臼，清晰觀察受傷部位的周圍組織，熟悉解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)步驟，有助于實(shí)施個(gè)性化精準(zhǔn)手術(shù)；術(shù)中根據(jù)患者的虛擬影像精準(zhǔn)進(jìn)行每一步操作及放置假體，因此MR輔助組較常規(guī)手術(shù)切口縮短，減少了組織創(chuàng)傷，MR輔助組術(shù)后在髖關(guān)節(jié)早期功能恢復(fù)上優(yōu)于常規(guī)手術(shù)組，可促進(jìn)患者早期功能恢復(fù)，減少相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生。本研究問卷調(diào)查結(jié)果表明，MR技術(shù)均獲得了醫(yī)生及患者的較高評(píng)分，表明MR模型在臨床上的應(yīng)用得到醫(yī)生、患者的支持和肯定，可有效幫助患者及家屬理解疾病、手術(shù)方案等，緩解潛在的醫(yī)患矛盾，提示MR模型對(duì)股骨頸骨折行人工股骨頭置換的術(shù)前模擬、醫(yī)患溝通、術(shù)中精準(zhǔn)匹配及指導(dǎo)手術(shù)操作具有臨床應(yīng)用價(jià)值。隨著數(shù)字醫(yī)療水平的發(fā)展，患者對(duì)疾病的精準(zhǔn)診治要求提高，MR技術(shù)的臨床使用會(huì)受到進(jìn)一步重視，MR和其他數(shù)字化技術(shù)將明顯推動(dòng)新時(shí)代醫(yī)學(xué)的跨越式發(fā)展。MR將患者影像信息、醫(yī)生的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)、患者的疾病、手術(shù)操作通過醫(yī)生的眼睛在統(tǒng)一空間中融合，激發(fā)醫(yī)生的無限創(chuàng)造力，這種創(chuàng)造力將成為未來數(shù)字化醫(yī)療創(chuàng)新的核心動(dòng)力[26]。

綜上所述，本研究根據(jù)患者CT數(shù)據(jù)重建虛擬影像，外科醫(yī)生在手術(shù)中進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了虛擬影像大小、位置及解剖標(biāo)志的匹配問題，影像質(zhì)量與真實(shí)解剖的差異問題，影像強(qiáng)弱與手術(shù)燈光照矛盾問題，甚至眼鏡重量對(duì)手術(shù)操作的干擾問題，需要在醫(yī)工融合的模式下進(jìn)一步優(yōu)化軟硬件，才能最終達(dá)到服務(wù)患者并產(chǎn)生社會(huì)價(jià)值的目的。