虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用

李春海

（1.中山大學(xué)附屬孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院骨外科；2.中山大學(xué)附屬孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院外科教研室，廣東廣州 510120）

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，與脊柱外科的結(jié)合逐漸緊密。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)指運(yùn)用現(xiàn)實(shí)中的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)創(chuàng)造生成一個三維仿真的虛擬環(huán)境，再將其產(chǎn)生的電子信號與各種輸出設(shè)備結(jié)合，使其轉(zhuǎn)化為能夠讓使用者通過聽覺、視覺及觸覺等感官感受到的技術(shù)，包括虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented Reality，AR）、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（mixed Reality，MR）。VR 指完全虛擬的模擬過程；AR 指通過虛擬組件將影像與真實(shí)世界疊加、增強(qiáng)；MR是虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)合，構(gòu)建的一個物理與數(shù)字對象共存的可視化實(shí)時交互環(huán)境。本文主要對近10 年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科等方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述，包括模擬培訓(xùn)、術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中輔助、疼痛治療和康復(fù)訓(xùn)練等，以闡述目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用現(xiàn)狀及探討未來可能的發(fā)展方向。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科手術(shù)輔助的應(yīng)用

一項(xiàng)納入38 篇有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與脊柱外科手術(shù)結(jié)合的meta 分析強(qiáng)烈推薦使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對術(shù)前患者的狀況進(jìn)行全面的評估，包括患者手術(shù)部位定位、病情變化和具體的手術(shù)計劃［1］。目前最先進(jìn)的AR 和MR 設(shè)備已經(jīng)能夠在實(shí)際手術(shù)過程中使用。以HoloLens 為代表的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的配套硬件能夠讓穿戴者感到輕便舒適的同時完成識別解剖部位、輔助術(shù)中規(guī)劃、跟蹤顯示植入物實(shí)時位置的工作。部分設(shè)備上顯示的信息量可以由操作者實(shí)時控制，并允許外科醫(yī)生根據(jù)個人習(xí)慣與術(shù)中情況個性化設(shè)計顯示界面。為了方便術(shù)中操作，大部分設(shè)備能夠響應(yīng)語音與手勢命令。目前有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)臨床應(yīng)用的研究中，很少有長期使用這些設(shè)備引起不適的相關(guān)報道［2］。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及圖像質(zhì)量的逐漸提高，佩戴者出現(xiàn)眩暈感的情況會越來越少［3］。同時，電池續(xù)航時間和視頻流的穩(wěn)定性也隨著設(shè)備不斷地更新?lián)Q代得到了改善，能滿足大部分復(fù)雜外科手術(shù)的操作需要。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合了數(shù)字圖像和術(shù)前計劃相關(guān)信息，使外科醫(yī)生在不接觸電離輻射的情況下對患者手術(shù)部位的解剖情況有一個清晰的了解，即令術(shù)中被遮擋或通常難以充分暴露的解剖結(jié)構(gòu)得到可視化。同時，借助來自CT 或MRI 的術(shù)前成像數(shù)據(jù)，醫(yī)生能夠以投影的形式在患者體表顯示切口或鉆孔點(diǎn)的位置。與傳統(tǒng)的計算機(jī)輔助手術(shù)（computer-assisted surgery，CAS）系統(tǒng)相比，VR 技術(shù)可以為外科醫(yī)生提供更精確的輔助導(dǎo)航并降低設(shè)備的使用成本。

1.1 VR在脊柱外科的應(yīng)用

目前VR在脊柱外科手術(shù)相關(guān)應(yīng)用主要集中在術(shù)前規(guī)劃方面。Archavlis 等［4］將VR 術(shù)前規(guī)劃應(yīng)用到了他們發(fā)明的改良經(jīng)椎弓根椎體切除術(shù)中。使用三維重建軟件對CT脊柱體積數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和可視化，以顯示髓鞘、肺和大血管等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，方便進(jìn)行軟組織或骨切除，并實(shí)現(xiàn)在患者的虛擬解剖模型中模擬手術(shù)入路與定位植入物，起到了不錯的效果。Zawy 等［5］對73 名因頸椎椎間孔狹窄而進(jìn)行手術(shù)的患者的臨床資料進(jìn)行收集，將CT 圖像進(jìn)行重建，然后通過問卷調(diào)查評價VR 對手術(shù)計劃和策略的影響。發(fā)現(xiàn)VR能有效輔助制定頸椎孔狹窄患者的手術(shù)策略，并能夠輔助評估術(shù)后效果。姚欣強(qiáng)等［6］對6 例脊柱畸形的患者應(yīng)用VR 平臺進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，在VR 虛擬模型上利用截骨工具進(jìn)行虛擬截骨并自動生成截骨后模型、挑選最合適的截骨方案。對比傳統(tǒng)方法完成手術(shù)的6 例患者，VR 組的手術(shù)時間、出血量均有明顯減少。

本課題組目前已經(jīng)開發(fā)出適用于脊柱外科術(shù)前規(guī)劃的VR 系統(tǒng)。將患者的CT 圖像通過軟件進(jìn)行VR 模型重建，在此基礎(chǔ)上模擬確定皮膚穿刺點(diǎn)與工作通道的置入角度、穿刺深度等，從而完成微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)前入路規(guī)劃。對30 名行經(jīng)皮椎間孔鏡下腰椎間盤摘除術(shù)的患者進(jìn)行隨機(jī)對照試驗(yàn)。VR術(shù)前規(guī)劃組（A 組）對比非規(guī)劃組（B 組），兩者術(shù)前與術(shù)后ODI指數(shù)（oswestry disability index）改善差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但是前者穿刺次數(shù)與透視時間有明顯的減少。這表明VR術(shù)前規(guī)劃可以在確保手術(shù)療效的前提下減少患者所受輻射量，縮短手術(shù)所需時間［7］。

VR 能夠營造出一個完全虛擬的立體環(huán)境，但又不可避免的削弱了操作者對現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)注度，這種高度的沉浸性一定程度上限制了VR在臨床的應(yīng)用。VR 技術(shù)在臨床工作應(yīng)用受限的另一個重要原因是3D 重建模型不能完全顯示原始數(shù)據(jù)的各種細(xì)節(jié)，模型的完整性與建模的精度還需要提升。最后輔助外科手術(shù)的VR 系統(tǒng)設(shè)計難度大，設(shè)備相對昂貴，這進(jìn)一步限制了該技術(shù)在臨床中的廣泛應(yīng)用［8-9］。

1.2 MR在脊柱外科的應(yīng)用

由于脊柱區(qū)域神經(jīng)排列密集，手術(shù)過程無法完全看清相應(yīng)區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)。脊柱外科醫(yī)生在臨床操作中面臨諸多不確定因素，從而產(chǎn)生了一系列的手術(shù)技術(shù)難點(diǎn)，脊柱椎弓根螺釘置入便是其中之一。在一項(xiàng)對4 790枚椎弓根螺釘放置情況的研究中，244 枚（5.1%）椎弓根螺釘出現(xiàn)術(shù)后斷裂，134 枚（2.8%）螺釘穿透了前皮質(zhì)，115 枚（2.4%）螺釘與患者手術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生有關(guān)［10］。在Lee 等［11］的研究中，研究人員開發(fā)了一種MR 系統(tǒng)，該系統(tǒng)目的是為術(shù)中切口的確定與椎弓根螺釘?shù)闹萌胩峁┲笇?dǎo)和支持，從而實(shí)現(xiàn)術(shù)中快速定位。外科醫(yī)生術(shù)前使用患者CT數(shù)據(jù)建立計劃軌跡。術(shù)中通過定位設(shè)備跟蹤椎弓根螺釘?shù)闹萌肭闆r并且將圖像顯示在MR設(shè)備上。術(shù)者能夠快速感知椎弓根螺釘置入的深度、方向和空間定位。手術(shù)過程中，術(shù)前計劃軌跡與術(shù)中植入物預(yù)測軌跡會一起顯示。術(shù)者需要使得上述兩個軌跡盡量重合，從而盡量使椎弓根釘置入到理想位置。這一系統(tǒng)簡化了復(fù)雜的螺釘放置過程，無需大量的術(shù)中透視操作即可完成復(fù)雜的脊柱外科手術(shù)，并且器械植入的準(zhǔn)確性也得到了一定的提高。但是MR 軟件與硬件開發(fā)難度更高，目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)文獻(xiàn)介紹能夠大面積推廣到臨床的配套設(shè)備。

1.3 AR在脊柱外科術(shù)中的應(yīng)用

Elmi 等［12］研究結(jié)果表明，AR 能夠提高胸椎椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性和效率，胸椎椎弓根體積普遍比腰椎椎弓根的體積更小，這使得胸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌腚y度大大增加，AR 導(dǎo)航系統(tǒng)能夠解決手術(shù)過程中解剖標(biāo)志的可視問題，實(shí)時跟蹤螺釘置入的軌跡，因而減少了螺釘錯誤放置的風(fēng)險。在Ma等［13］的相關(guān)研究中，研究者建立了一種獨(dú)特的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于超聲輔助技術(shù)來放置椎弓根螺釘。將超聲、AR 和CT 技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，有效提高了椎弓根螺釘置入的精度。Burstr?m 團(tuán)隊(duì)［14］則將AR導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到了脊柱外科的微創(chuàng)治療方面，在豬脊椎上進(jìn)行AR 導(dǎo)航系統(tǒng)輔助下的椎弓根置釘操作，臨床準(zhǔn)確性達(dá)到了97.4%～100%。除了椎弓根置釘外，AR在截骨規(guī)劃、腫瘤切除等方面也得到應(yīng)用。Cho 等［15］開發(fā)構(gòu)建了一種在平板電腦上運(yùn)行的新型AR 導(dǎo)航系統(tǒng)，以幫助骨腫瘤切除。研究者在133 個豬股骨的骨皮質(zhì)上打開一個窗口向髓腔內(nèi)注射骨水泥來模擬骨腫瘤。AR 組將術(shù)前拍攝的CT、MR 等影像資料導(dǎo)入AR 規(guī)劃軟件，之后能夠使用手機(jī)來獲取標(biāo)示有腫瘤邊界到股骨髁距離的AR圖像。對照組的外科醫(yī)生通過用尺子測量從股骨髁邊緣到估計的切除邊緣的距離來輔助進(jìn)行手術(shù)，結(jié)果表明AR組手術(shù)精度令人滿意，同時還能夠縮短傳統(tǒng)手術(shù)方式的花費(fèi)與手術(shù)時間。Kosterhon 等［16］使用AR 設(shè)備對臨床患者術(shù)中截骨的切除平面進(jìn)行可視化，成功為一名嚴(yán)重脊柱畸形的女性患者進(jìn)行截骨矯形，術(shù)后12 月患者復(fù)查X線、CT 顯示矯形效果良好。該研究揭示了AR 技術(shù)在脊柱截骨術(shù)方面應(yīng)用的巨大潛力。

AR 還可以為全球醫(yī)療合作提供遠(yuǎn)程解決方案。黎巴嫩貝魯特的外科醫(yī)生利用視頻電話會議和名為Proximie 的AR 系統(tǒng)的組合，通過手勢、注釋、圖表和臨床圖像為當(dāng)?shù)赝饪漆t(yī)生提供指導(dǎo)［17-18］。Greenfield 等［18］報道在巴勒斯坦加沙地區(qū)使用AR技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程會議指導(dǎo)術(shù)者修復(fù)復(fù)雜的手部創(chuàng)傷的案例。這些案例展示了一種可能性，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)外科合作平臺相結(jié)合來解決不同發(fā)展水平地區(qū)醫(yī)療資源分配不均的問題。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱相關(guān)疼痛治療和康復(fù)訓(xùn)練方面的應(yīng)用

目前已有文獻(xiàn)報道虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在減輕患者疼痛感受方面是有效的。目前認(rèn)為，VR 具有如下所述的3個可能的鎮(zhèn)痛機(jī)制。

2.1 分 心

分心（distraction）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最廣為人知的鎮(zhèn)痛機(jī)制［19］。這里分心定義為“對疼痛處理所必需的認(rèn)知力和注意力資源的轉(zhuǎn)移”。人們認(rèn)為，分心物（虛擬環(huán)境）通過作用于導(dǎo)致疼痛的信號通路來減少對疼痛的感知并降低患者對疼痛的關(guān)注程度從而改變身體復(fù)雜的疼痛調(diào)制系統(tǒng)的活動，最終在一定程度上減少疼痛刺激帶給患者的不適感。這一機(jī)制的核心是疼痛神經(jīng)矩陣?yán)碚摚╪euromatrix theory of pain）［20］。該理論假設(shè)認(rèn)知、感覺和情感等輸入（以及影響這些輸入的因素，如注意力）可以改變疼痛的感受。將注意力從疾病癥狀等令人不快的對象轉(zhuǎn)移到吸引人的或令人愉快的對象上能消除壓力和焦慮等負(fù)面影響。Spiegel 等［21］進(jìn)行了一項(xiàng)有120 名患者參與的隨機(jī)對照試驗(yàn)，VR 組可以通過VR設(shè)備欣賞虛擬的風(fēng)景或者參與簡單的小游戲。觀察VR 治療組和傳統(tǒng)治療組治療后48 h 與72 h的療效，結(jié)果前者的VAS評分的改善比后者的更加明顯。就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前的發(fā)展水平來說，多數(shù)設(shè)備都可以營造出一個相對輕松愉快的虛擬環(huán)境氛圍?；颊吲c虛擬對象互動的過程能夠有效減輕患者對疼痛的注意力，從而減少阿片類藥物的使用，提高患者的生存質(zhì)量。

2.2 焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移

與上文分心機(jī)制不同的是，焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移（Focus shifting）機(jī)制不是指短暫的注意力轉(zhuǎn)移，而是指參與者持續(xù)不間斷地對多個虛擬對象進(jìn)行主動地關(guān)注。Piskorz等［22］進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對照研究，發(fā)現(xiàn)與通過看電視被動分心的患者相比，積極玩VR 游戲的燒傷患者在傷口護(hù)理期間體驗(yàn)到的疼痛明顯更少。

2.3 疼痛控制能力的建立

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供給患者多種感官刺激，提高患者調(diào)節(jié)自身疼痛感受的能力。然而目前疼痛控制能力是虛擬現(xiàn)實(shí)鎮(zhèn)痛研究中一個較少涉及的領(lǐng)域，需要進(jìn)一步的神經(jīng)生理學(xué)的研究來闡明具體的作用機(jī)制。有學(xué)者［23］進(jìn)行了一系列相關(guān)研究，使用技能培養(yǎng)技術(shù)來減少醫(yī)療過程中的疼痛（例如纖維肌痛、兒科慢性頭痛等），增強(qiáng)患者對疼痛的控制力是這類鎮(zhèn)痛技術(shù)的重要目標(biāo)。Loreto 等［24］進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)。將患者分成VR分心干預(yù)組、VR強(qiáng)化干預(yù)組。相比于VR分心干預(yù)組，VR強(qiáng)化組中參與者被要求通過虛擬設(shè)備額外感受到一些令人不愉快的視聽體驗(yàn)。之后兩組參與者被要求將手浸泡在冷水，研究者通過測量并記錄參與者的VAS評分來判斷參與者疼痛程度。結(jié)果顯示VR強(qiáng)化干預(yù)組的患者對疼痛敏感度更低。技能培養(yǎng)技術(shù)雖然實(shí)施起來比較復(fù)雜，但是該技術(shù)如果能夠在改進(jìn)后大規(guī)模應(yīng)用于臨床工作，將有效減少阿片類鎮(zhèn)痛藥物的使用。目前，對感覺增強(qiáng)和神經(jīng)生理學(xué)變化的探索正在為疼痛治療中提高患者自我控制力相關(guān)研究提供新的研究方向。

隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)施的成本越來越低，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)治療脊椎疼痛的臨床實(shí)踐應(yīng)用正變得越來越普遍。Gumaa 等［25］對19 篇VR 治療慢性骨科疼痛的文章進(jìn)行薈萃分析發(fā)現(xiàn)VR在治療慢性頸肩痛方面具有比較明確的效果。對比VR治療組與使用非VR技術(shù)的治療組以及未接受物理治療的頸部活動能力、生活質(zhì)量、疼痛強(qiáng)度等指標(biāo)，VR 治療組相比其他兩組均有明顯改善。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于臨床鎮(zhèn)痛的相關(guān)研究未來還需要進(jìn)一步的探索，目前有幾個熱點(diǎn)方向。首先，為了能對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同脊椎節(jié)段疼痛人群中的治療效果得出更明確的結(jié)論，我們需要針對不同特定類型的脊椎疼痛（即頸痛、胸椎疼痛和腰椎疼痛）的患者進(jìn)行更多的臨床研究。其次我們需要對急性和慢性疼痛患者進(jìn)行分組比較。進(jìn)一步對VR治療的長期效果（1 年以上）的調(diào)查將有助于確定虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是否是長期鎮(zhèn)痛的可行選擇。最后，還需要確定虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)療法的每次最佳治療時長、治療療程、治療間隔時長等，并比較不同沉浸程度的虛擬系統(tǒng)的療效。最終目標(biāo)是能夠幫助臨床醫(yī)生為患者定制個性化的治療方案，優(yōu)化治療體驗(yàn)與效果。

康復(fù)訓(xùn)練則是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)除了疼痛管理外的另一個熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前已經(jīng)有一定數(shù)量的文獻(xiàn)描述了骨科患者借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動的情況。有研究者將骨科機(jī)器人技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，建立了一個新型的應(yīng)用于上肢功能鍛煉的設(shè)備“BRANDO Rehabilitation System”，該設(shè)備在腕部與前臂損傷的患者的康復(fù)鍛煉過程中顯示出了良好的效果［26］。而在脊柱外科這一亞?？祁I(lǐng)域，目前康復(fù)訓(xùn)練方面相關(guān)報道較少。Duffell［27］和其醫(yī)療團(tuán)隊(duì)針對脊髓損傷患者開發(fā)出了“iCycle”訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠給予患者視覺反饋，提高鍛煉過程中患者的沉浸性，從而獲得較好的恢復(fù)效果。脊柱外科手術(shù)患者通常需要完成長期的術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練，如何提高出院后患者鍛煉的依從性、如何保證患者出院后的鍛煉質(zhì)量、如何給予全面而容易理解的鍛煉指導(dǎo)將是我們?？漆t(yī)生需要重視的問題，而虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可能會為這些問題提供有效的解決方案。相信隨著國內(nèi)醫(yī)工融合浪潮的推進(jìn)，會有越來越多的相關(guān)研究來填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科培訓(xùn)上的應(yīng)用

大部分研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種具有潛力的新的培訓(xùn)模式，目前已有大量的應(yīng)用于外科培訓(xùn)的相關(guān)研究。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬培訓(xùn)上具有很多優(yōu)勢，例如能提供不限次數(shù)的培訓(xùn)機(jī)會，降低每次訓(xùn)練的練習(xí)成本，使醫(yī)療培訓(xùn)不再依賴于病人或尸體。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科模擬操作培訓(xùn)方面已經(jīng)有了很好的應(yīng)用，如椎弓根釘置釘?shù)牟僮髂M培訓(xùn)。單純的沉浸式無反饋的模擬訓(xùn)練在2009 年已經(jīng)有了相關(guān)研究，有學(xué)者對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)法與傳統(tǒng)方式培訓(xùn)法的住院醫(yī)師的置釘準(zhǔn)確率進(jìn)行評估。結(jié)果顯示虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練組每位學(xué)員相比于對照組學(xué)員，置釘?shù)钠骄萌脲e誤數(shù)量少1.12個［28］。在精確度得到提高的同時，學(xué)員在定位與放置椎弓根釘?shù)倪^程中的透視次數(shù)和時間均明顯減少［29］。作為脊柱外科的微創(chuàng)技術(shù)之一，經(jīng)皮椎體成形術(shù)具有創(chuàng)傷小、療效顯著的優(yōu)勢，是治療椎體壓縮性骨折的有效方式。而該技術(shù)與其他微創(chuàng)技術(shù)一樣，都具有一個較長的學(xué)習(xí)曲線。國外一項(xiàng)研究認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在椎體成形術(shù)的模擬訓(xùn)練中處于一個關(guān)鍵位置，可彌補(bǔ)從動物試驗(yàn)、模具訓(xùn)練到真人實(shí)操之間的遞進(jìn)梯度問題，可作為基于熟練程度的進(jìn)展（proficiency-based progression（PBP）training）培訓(xùn)模式的一環(huán)［30］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠激發(fā)學(xué)員主動學(xué)習(xí)的積極性。這在Blumstein 等［31］完成的使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行脛骨髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)技術(shù)教學(xué)的隨機(jī)對照試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。國內(nèi)方面，蔣佳霖等［32］將MR 設(shè)備應(yīng)用到脊柱外科教學(xué)活動中。結(jié)果表明，MR 組在學(xué)員滿意度及學(xué)習(xí)主動性方面優(yōu)于對照組。本課題組將VR設(shè)備與臨床教學(xué)相結(jié)合，制作出一系列VR影像教學(xué)課件。涵蓋了解剖學(xué)、骨科疾病、手術(shù)技巧等相關(guān)方面的內(nèi)容。我們組織了一項(xiàng)針對60 名本科生與住院醫(yī)師的教學(xué)活動對照研究，學(xué)員被隨機(jī)分為VR 教學(xué)組與傳統(tǒng)方式教學(xué)組，通過調(diào)查問卷與考試測驗(yàn)評定學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，結(jié)果顯示VR 組學(xué)員的測驗(yàn)成績與學(xué)習(xí)積極性均優(yōu)于傳統(tǒng)組［33］。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與力反饋結(jié)合的相關(guān)研究逐漸進(jìn)入了大眾視野。Racy 等［34］將帶有力反饋裝置的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)設(shè)備應(yīng)用到了股骨髓內(nèi)釘放置的培訓(xùn)過程當(dāng)中并取得了不錯的效果，學(xué)員對這種新的培訓(xùn)形式的有效性給予了較高的評價。有學(xué)者進(jìn)行了一項(xiàng)對比力反饋虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練組與常規(guī)訓(xùn)練組的教育實(shí)驗(yàn)。16名學(xué)員隨機(jī)分成兩組采用VR 與傳統(tǒng)的教學(xué)方法，培訓(xùn)完成之后在尸體標(biāo)本上進(jìn)行椎弓根釘?shù)闹萌氩僮?，對比兩組椎弓根釘置釘?shù)某晒β?、?zhǔn)確度、完成時間等指標(biāo)，力反饋結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)組要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)訓(xùn)練組。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計的模擬訓(xùn)練可以分析多種參數(shù)來評價訓(xùn)練結(jié)果。例如，植入物角度的偏差值或器械與危險區(qū)域的接觸次數(shù)等［35］。同時各種量化指標(biāo)能夠使得受訓(xùn)人員之間有更好的可比性，這為評估受訓(xùn)人員技術(shù)的掌握程度提供了基礎(chǔ)［36-37］。Bissonnette 等［38］在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)的過程中使用人工智能算法對各項(xiàng)手術(shù)完成指標(biāo)進(jìn)行篩選，確定了在安全性、效率、手術(shù)器械使用、協(xié)調(diào)性四個方面最能代表學(xué)員手術(shù)掌握水平的技術(shù)指標(biāo)。Winkler-Schwartz 等［39］通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方式對具有不同手術(shù)操作水平的醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行分級識別，有助于判別手術(shù)技能培訓(xùn)的實(shí)際效果。

除了上文提到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)技能培訓(xùn)外，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科培訓(xùn)的一個熱點(diǎn)方向?qū)⑹侨绾翁岣呤苡?xùn)人員的非技術(shù)性技能。外科醫(yī)生的非技術(shù)性技能包括情境意識、臨床任務(wù)管理能力、溝通技巧和領(lǐng)導(dǎo)能力等，以上技能有助于從側(cè)面提高手術(shù)質(zhì)量。例如Qi 等［40］建立了虛擬手術(shù)室來訓(xùn)練醫(yī)護(hù)人員處理手術(shù)過程中突發(fā)火災(zāi)的能力。目前國外已經(jīng)有相應(yīng)的評級工具來評價非技術(shù)技能，例如，外科醫(yī)生的非技術(shù)技能評估系統(tǒng)（non-technical skills for surgeons behavior rating system）［41］，牛津非技術(shù)技能評分系統(tǒng)Ⅱ（nontechnical skills scoring system，NOTECHS）［42］，外科觀察性團(tuán)隊(duì)合作評估系統(tǒng)（observational teamwork assessment for surgery，OTAS）［43］，以及麻醉師的非技術(shù)技能系統(tǒng)（anaesthetists' non-technical skills system，ANTS）［44］。未來的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)模式應(yīng)該確定適用于這一新教學(xué)模式的非技術(shù)技能的系統(tǒng)評價方法。同時我們應(yīng)當(dāng)考慮能否將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到多學(xué)科團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練過程中去［45-46］。建立跨專業(yè)的訓(xùn)練小組及協(xié)作學(xué)習(xí)模式，這對于促進(jìn)手術(shù)組內(nèi)有效的團(tuán)隊(duì)合作具有重要意義。

4 展望

近年來，關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這一主題的研究與相關(guān)文章的數(shù)量在快速增加，表明人們對這項(xiàng)新興技術(shù)的關(guān)注度越來越高?？梢灶A(yù)見，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科領(lǐng)域的迅猛發(fā)展將對現(xiàn)有的醫(yī)療模式產(chǎn)生深刻影響。一方面，在臨床工作中，對于脊柱外科的復(fù)雜病例，醫(yī)生可在術(shù)前精確測量相關(guān)影像數(shù)據(jù)，反復(fù)模擬演練手術(shù)，預(yù)測患者術(shù)后恢復(fù)效果，選擇最佳手術(shù)方案。逐步實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作的標(biāo)準(zhǔn)化、微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化與個性化。另一方面，從醫(yī)學(xué)教育與患者宣教的角度來看，醫(yī)務(wù)人員可收集臨床資料來構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)影像數(shù)據(jù)庫，向醫(yī)學(xué)生立體展示患者的發(fā)病機(jī)制及解剖異常。術(shù)前錄制的模型重建視頻可用于遠(yuǎn)程會診、臨床教學(xué)、手術(shù)練習(xí)等。在術(shù)前談話過程中借助虛擬模型向患者解釋病情及診療方案，能夠提高醫(yī)患溝通的效率，增加患者的依從性。

雖然目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)硬件設(shè)備并未完全發(fā)展成熟，還未進(jìn)入臨床大規(guī)模應(yīng)用階段，尚不能實(shí)現(xiàn)力學(xué)、聲音的精準(zhǔn)反饋。同時虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備高昂的價格也是該類技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用臨床前一個必須要解決的問題，但隨著技術(shù)的快速發(fā)展，以上問題有望在不久后得到解決。

筆者所在課題組目前已經(jīng)建立VR的脊柱手術(shù)術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)，并進(jìn)行了對照實(shí)驗(yàn)。根據(jù)患者術(shù)前的CT 影像資料，我們能夠個性化地重建患者脊柱的虛擬模型。再根據(jù)患者的病史確定具體的手術(shù)計劃。同時我們還制作一系列VR 解剖學(xué)課件，能夠搭配專用的投影設(shè)備來進(jìn)行VR形式的解剖學(xué)授課［47-48］。近年來舉辦的多場學(xué)習(xí)會議亦獲得廣大參與學(xué)員的強(qiáng)烈好評。我們下一步的探索方向是力反饋教學(xué)設(shè)備在脊柱外科培訓(xùn)中的應(yīng)用，以及推廣虛擬現(xiàn)實(shí)這一全新的教學(xué)形式，探索出一套滿足我國醫(yī)學(xué)教育需求，具有新時代特色的教學(xué)模式。