混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)規(guī)劃及教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用進(jìn)展

劉書(shū)中，王以朋，周 熹，劉 勇*，張海龍

(1.中國(guó)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(zhǎng)春100033)

混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality,MR)技術(shù)是由專用的硬件和軟件組成的新型數(shù)字化全息影像技術(shù)，用于實(shí)時(shí)向外界提供計(jì)算機(jī)處理得出的成像數(shù)據(jù)，從而將真實(shí)物體與計(jì)算機(jī)生成的圖像有機(jī)結(jié)合起來(lái)[1-3]。近年來(lái)，MR技術(shù)在骨科臨床實(shí)踐中越來(lái)越受到骨科醫(yī)師的重視，多項(xiàng)臨床前研究表明MR技術(shù)有望成為術(shù)前決策和術(shù)中導(dǎo)航的有效工具。研究證實(shí)MR技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種骨科手術(shù)，如脊柱外科椎弓根螺釘置入、脊柱穿刺定位、骨腫瘤切除、骨折固定、關(guān)節(jié)鏡檢查和全關(guān)節(jié)置換術(shù)等。

與此同時(shí)，骨科手術(shù)技術(shù)也不斷更新發(fā)展，但由于骨骼解剖結(jié)構(gòu)和生理功能的復(fù)雜性，骨科手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難度依然客觀存在，尤其是在脊柱外科、骨腫瘤、微創(chuàng)骨關(guān)節(jié)外科的手術(shù)操作過(guò)程中，由于解剖結(jié)構(gòu)難以辨認(rèn)，常易造成相關(guān)副損傷發(fā)生。MR技術(shù)的發(fā)展與成熟，為制定骨科手術(shù)規(guī)劃、模擬手術(shù)入路、縮短手術(shù)時(shí)間、降低圍手術(shù)期風(fēng)險(xiǎn)、培訓(xùn)青年骨科醫(yī)師實(shí)踐操作技能等諸多方面提供了更好的機(jī)會(huì)。本文旨在總結(jié)MR技術(shù)在骨科領(lǐng)域手術(shù)規(guī)劃及教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，為MR技術(shù)在骨科領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供方向和前景。

1 MR技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用概述

近20年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)已獲得越來(lái)越多的臨床應(yīng)用，目前已被廣泛用于骨科手術(shù)規(guī)劃，術(shù)前模擬和術(shù)中導(dǎo)航等關(guān)鍵步驟。導(dǎo)航是計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的核心部分，骨科醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地跟蹤、明確手術(shù)器械與解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系、有的放矢地實(shí)施既定手術(shù)方案對(duì)手術(shù)的成功與否至關(guān)重要。人機(jī)交互界面是圖像引導(dǎo)骨科導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，它提供了一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)，可以將不同模式和三維模型的術(shù)前和術(shù)中圖像合并起來(lái)，以便于手術(shù)規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航的實(shí)施[1,4-8]。MR系統(tǒng)包括專用硬件和軟件，用于實(shí)時(shí)向外科醫(yī)師提供計(jì)算機(jī)處理完成的成像數(shù)據(jù)，具體來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)生成的圖像被疊加到現(xiàn)實(shí)世界的圖像上，并通過(guò)視頻投影儀、計(jì)算機(jī)或平板電腦予以呈現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)包括三個(gè)基本元件：位置跟蹤系統(tǒng)、顯示裝置和系統(tǒng)控制軟件[7]。位置跟蹤系統(tǒng)監(jiān)測(cè)術(shù)中解剖位置和方向。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如透視圖像，被用作跟蹤系統(tǒng)的一部分。標(biāo)記物，如通過(guò)成像方式可見(jiàn)的金屬球，附著在患者或手術(shù)工具上，有助于確定術(shù)野中解剖結(jié)構(gòu)的位置。系統(tǒng)控制軟件利用來(lái)自跟蹤系統(tǒng)的信息，將輸入轉(zhuǎn)換成圖像，然后發(fā)送到顯示系統(tǒng)，并與真實(shí)場(chǎng)景的視圖進(jìn)行組合[9-10]。因此，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MR系統(tǒng)，手術(shù)前外科醫(yī)生即可在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)虛擬進(jìn)行的手術(shù)進(jìn)行模擬操作、溝通、講解，制定切實(shí)可行、安全有效、合理優(yōu)化的手術(shù)方案，手術(shù)過(guò)程中術(shù)者可根據(jù)MR系統(tǒng)提示的個(gè)體化圖像信息施行進(jìn)一步的操作，以有效降低不必要損傷的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。

2 MR技術(shù)在骨科手術(shù)規(guī)劃中的應(yīng)用

隨著MR技術(shù)的發(fā)展，其在骨科手術(shù)規(guī)劃及操作模擬中展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展空間及應(yīng)用前景。目前，MR技術(shù)不僅可以向體驗(yàn)者展示一臺(tái)完整的手術(shù)過(guò)程，并且還可以用輔助設(shè)備或增加解說(shuō)及熱點(diǎn)等模塊告知體驗(yàn)者如何在手術(shù)中和助手進(jìn)行溝通、配合。Halic等[11]利用自制的MR技術(shù)仿真操作系統(tǒng)完成了5名骨科醫(yī)師人工頸椎間盤(pán)置換手術(shù)的操作培訓(xùn)，研究結(jié)果表明MR技術(shù)可有效提高手術(shù)操作培訓(xùn)質(zhì)量，幫助體驗(yàn)者掌握高難度手術(shù)操作的要點(diǎn)及難點(diǎn)。Van den Berg等[13]研究表明基于SPECT/CT影像數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)輸入MR操作系統(tǒng)處理后，可有效協(xié)助外科醫(yī)師完成淋巴結(jié)病變的術(shù)中定位，但術(shù)中目標(biāo)淋巴結(jié)的移動(dòng)及患者的體位改變可對(duì)定位的精準(zhǔn)度產(chǎn)生一定的影響。Colomer等[14]研究顯示MR技術(shù)可應(yīng)用于腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練中，其具有價(jià)格低、便于攜帶、操作系統(tǒng)簡(jiǎn)便、康復(fù)訓(xùn)練效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，并有望應(yīng)用于骨科臨床實(shí)踐當(dāng)中。Sauer等[12]進(jìn)一步應(yīng)用MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了手術(shù)過(guò)程中的立體超聲定位，操作省時(shí)簡(jiǎn)便，超聲圖像顯示清晰。Sauer等[12]利用HoloLens MR頭載式顯示器在真實(shí)腹腔手術(shù)中實(shí)現(xiàn)了腹腔內(nèi)臟器解剖結(jié)構(gòu)、內(nèi)部血管的清晰顯示，使術(shù)者在手術(shù)過(guò)程中更為準(zhǔn)確的辨別組織結(jié)構(gòu)、緊鄰臟器，最大限度地提高了手術(shù)操作的精確度和安全性，同時(shí)降低了手術(shù)副損傷的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，并可在手術(shù)操作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診，針對(duì)高難度的手術(shù)與經(jīng)驗(yàn)豐富的專家共同制定更為優(yōu)化的手術(shù)方案。該項(xiàng)研究成果對(duì)于骨科脊柱前路手術(shù)及骨與軟組織肉瘤手術(shù)具有較高的指導(dǎo)意義。至今，國(guó)內(nèi)外多位骨科專家已開(kāi)展并成功完成混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)引導(dǎo)下的關(guān)節(jié)外科、脊柱外科手術(shù)，手術(shù)效果均較為理想。此外，MR技術(shù)為醫(yī)學(xué)生或青年醫(yī)師的學(xué)習(xí)、模擬、操作提供了更為真實(shí)的場(chǎng)景和操作機(jī)會(huì),充分提升了醫(yī)學(xué)生和青年醫(yī)師的主觀能動(dòng)性和實(shí)踐操作能力。

3 MR技術(shù)在骨科教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用

借助MR技術(shù)，青年骨科醫(yī)師、研究生可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)骨科解剖、手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)操作技巧、生理、病理、影像等知識(shí)，獲得與實(shí)際操作近乎一樣的培訓(xùn)效果，并能更透徹、深刻地理解骨科理論知識(shí)與臨床實(shí)踐技巧[11]。利用MR技術(shù)可以進(jìn)行MR遠(yuǎn)程手術(shù)操作演示、講解或深度模擬骨科專家的手術(shù)技術(shù)，體驗(yàn)者可在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中體驗(yàn)并記錄包括手術(shù)入路選擇、切皮、逐層分離、電燒電凝、瘤體切除、椎弓根螺釘置入、神經(jīng)根阻滯、髓內(nèi)釘置入、關(guān)節(jié)假體置入、剝離、血管夾閉、縫合、打結(jié)等在內(nèi)的完整操作過(guò)程[3-8]。上級(jí)醫(yī)師也可以將操作中的常見(jiàn)問(wèn)題反饋給學(xué)生，提高每位培訓(xùn)人員對(duì)特定具體手術(shù)操作的熟練程度及認(rèn)知程度。因此，MR技術(shù)有效增加了青年醫(yī)師操作、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)操作的需求。此外，MR技術(shù)可用于醫(yī)學(xué)院校組織的臨床操作考核等場(chǎng)景，MR系統(tǒng)不但可以替代培訓(xùn)者對(duì)被培訓(xùn)者成績(jī)進(jìn)行評(píng)分，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析出被培訓(xùn)者失誤率、失誤具體行為、與標(biāo)準(zhǔn)操作對(duì)比差距等等數(shù)據(jù)，使應(yīng)用者更好地掌握體驗(yàn)者學(xué)習(xí)與實(shí)踐過(guò)程中的問(wèn)題所在及學(xué)習(xí)曲線。

研究表明與傳統(tǒng)骨科手術(shù)相比，使用MR技術(shù)可以在不降低手術(shù)安全性的前提下，改善手術(shù)的成功率。Léger等認(rèn)為由于三維全息圖所示的關(guān)鍵器官(骨性結(jié)構(gòu)、神經(jīng)、動(dòng)脈、靜脈等)均向骨科醫(yī)師實(shí)時(shí)顯示。這在程序中保障了操作準(zhǔn)確性和手術(shù)安全性的提升，以節(jié)省手術(shù)操作時(shí)間并正確定位植入物[15]。Lee等提出了一個(gè)結(jié)合多模態(tài)數(shù)據(jù)融合和基于模型的手術(shù)工具跟蹤混合現(xiàn)實(shí)支持系統(tǒng)，以創(chuàng)建一個(gè)支持骨科手術(shù)螺釘放置的混合現(xiàn)實(shí)操作環(huán)境[16]。研究證實(shí)該交互式三維混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境提供給了操作者對(duì)手術(shù)部位及位置的直觀理解，并支持骨科醫(yī)師在螺釘置入過(guò)程中快速定位置入點(diǎn)和定位手術(shù)工具，并通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的配準(zhǔn)誤差驗(yàn)證了該方法的有效性，并對(duì)部分遮擋情況下的跟蹤精度進(jìn)行了準(zhǔn)確評(píng)估[16]。Frank等[17]應(yīng)用MR技術(shù)與仿生學(xué)技術(shù)相結(jié)合，成功完成了經(jīng)皮脊柱解剖定位、脊柱內(nèi)固定及腦室切開(kāi)術(shù)等操作，從而為MR技術(shù)應(yīng)用于骨科青年醫(yī)師的臨床教學(xué)培訓(xùn)提供了支持。將MR技術(shù)應(yīng)用于骨科的教學(xué)培訓(xùn)中可以將基礎(chǔ)科學(xué)理論與實(shí)際臨床病例、手術(shù)操作等有機(jī)結(jié)合。

4 MR技術(shù)在骨科臨床及教學(xué)培訓(xùn)應(yīng)用中有待解決的問(wèn)題

近年來(lái)，MR技術(shù)在骨科臨床及青年醫(yī)師培訓(xùn)中的諸多優(yōu)勢(shì)得到了多項(xiàng)研究的證實(shí)，但距離MR技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐中的目標(biāo)仍存在一些亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3-8,18]，例如：(1)針對(duì)不同目的建立統(tǒng)一、規(guī)范化的MR操作系統(tǒng)；(2)顯示精準(zhǔn)度的校對(duì)；(3)在青年醫(yī)師培訓(xùn)過(guò)程中，培訓(xùn)機(jī)構(gòu)需進(jìn)一步完善培訓(xùn)模式及評(píng)價(jià)體系；(4)MR技術(shù)研究投入高，普及難度大；(5)尚需積累更多的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)；(6)臨床應(yīng)用的合法化。