基于AR 導(dǎo)航技術(shù)的椎弓根螺釘置入術(shù)在脊柱外科規(guī)培醫(yī)生教學(xué)中的應(yīng)用和效果評價(jià)

苑博，曹兵，周盛源，趙寅，孫延卿，陳雄生

腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱外科的手術(shù)中，已經(jīng)成為治療脊柱外傷、退變、腫瘤等疾患的常用技術(shù)，是每個(gè)脊柱外科醫(yī)生的必備技能之一［1］。然而，椎弓根螺釘置入如果存在偏差，可能會對周圍的重要神經(jīng)、血管，甚至內(nèi)臟組織造成損傷，導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥［2-3］。因椎弓曲線陡峭，腰椎椎弓根螺釘錯(cuò)置的發(fā)生率為2.5%～40%［4］。這就要求學(xué)習(xí)者熟練掌握毗鄰的解剖結(jié)構(gòu)，擁有良好的空間想象能力，此外還需要反復(fù)練習(xí)和累積經(jīng)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的脊柱外科臨床教學(xué)中，局部解剖學(xué)認(rèn)識往往通過文字描述、圖片講解、模型展示以及尸體解剖獲得，缺乏趣味性，不利于學(xué)生主動性的發(fā)揮。因此，該項(xiàng)技能培訓(xùn)一直是青年脊柱外科醫(yī)生培訓(xùn)中的難點(diǎn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）使用計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字虛擬圖像，將其與現(xiàn)實(shí)世界相疊加，提供額外的數(shù)據(jù)背景和直觀的操作體驗(yàn)，以增加沉浸感和交互性［5-7］。基于AR 的導(dǎo)航系統(tǒng)可以將術(shù)前和術(shù)中患者的圖像直接疊加到患者的解剖結(jié)構(gòu)上，學(xué)習(xí)者可以看到與螺釘軌跡同步的實(shí)時(shí)更新的虛擬圖像，更為清晰地觀察和理解釘?shù)劳窘?jīng)的解剖層次和毗鄰結(jié)構(gòu)，有助于提高學(xué)習(xí)者的訓(xùn)練效果，縮短培訓(xùn)時(shí)間［8-9］。然而，基于AR導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)的培訓(xùn)卻鮮有報(bào)道。因此，本研究基于AR 導(dǎo)航技術(shù)的椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)，通過新鮮尸體標(biāo)本置釘操作，擬探究其應(yīng)用于脊柱外科醫(yī)生教學(xué)培訓(xùn)的有效性。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2020 年9 月1 日至2020 年12 月31 日在海軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院脊柱外科輪轉(zhuǎn)的規(guī)范化培訓(xùn)青年醫(yī)師，均無椎弓根螺釘相關(guān)置釘經(jīng)驗(yàn)，共計(jì)12 名，隨機(jī)平均分為AR 組和傳統(tǒng)組，每組6 人。

1.2 培訓(xùn)方案

1.2.1 理論教學(xué) AR 組和傳統(tǒng)組醫(yī)師均接受包括局部解剖基礎(chǔ)、X 線透視定位解剖、常用椎弓根螺釘置釘方法等基礎(chǔ)理論知識的傳授。

1.2.2 AR 組 AR 組醫(yī)師通過在新鮮尸體標(biāo)本上進(jìn)行AR導(dǎo)航置釘訓(xùn)練?；贏R 的導(dǎo)航系統(tǒng)主要由主控臺，光學(xué)追蹤系統(tǒng)（NDI，Polaris Vega，加拿大），定位工具、光學(xué)透明頭戴式顯示器（Hololens，Microsoft，美國）、手術(shù)規(guī)劃和控制軟件（HOLONAVI，上海霖晏醫(yī)療科技有限公司，中國）等組成。高分辨率頭戴式顯示器為操作者實(shí)時(shí)提供虛擬圖像疊加到實(shí)時(shí)手術(shù)上的效果，而光學(xué)追蹤系統(tǒng)通過紅外光反射信號標(biāo)記進(jìn)行螺釘置入位置和置入過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。見圖1。AR 導(dǎo)航系統(tǒng)通過術(shù)前CT 虛擬規(guī)劃腰椎椎弓根螺釘?shù)闹萌肼窂剑倥c術(shù)中X 線透視相結(jié)合的2D-3D 擬合功能，利用單椎體配準(zhǔn)技術(shù)，可消除因手術(shù)體位與獲取CT 體位不一致所帶來的偏差。

圖1 高分辨率頭戴式顯示器為操作者實(shí)時(shí)提供虛擬圖像疊加到實(shí)時(shí)手術(shù)上的效果

1.2.3 傳統(tǒng)組 傳統(tǒng)組醫(yī)師通過手術(shù)流程講解、視頻演示、動作要領(lǐng)介紹，并參加手術(shù)，擔(dān)任第二助手，通過觀摩和同一位老師帶教指導(dǎo)，以此來學(xué)習(xí)腰椎椎弓根螺釘?shù)闹冕敺椒ā?/p>

1.3 教學(xué)效果評價(jià)

1.3.1 椎弓根螺釘置釘考核 準(zhǔn)備12 具新鮮尸體標(biāo)本，其中男尸7 具，女尸5 具，年齡55～71 歲，平均分為2 組。尸體標(biāo)本具有完整的腰骶椎并且無腰椎骨折、腫瘤、畸形。尸體標(biāo)本取俯臥位，選擇后正中切口，2 組醫(yī)師在顯露雙側(cè)椎板及關(guān)節(jié)突后，每人獨(dú)立完成L1-L5 共計(jì)10 枚椎弓根螺釘?shù)耐绞种冕敳僮?。置釘過程從顯露進(jìn)釘點(diǎn)到醫(yī)師認(rèn)為置釘完成結(jié)束，統(tǒng)計(jì)所有醫(yī)師的平均置釘時(shí)間以及術(shù)中透視次數(shù)。

1.3.2 置釘準(zhǔn)確性評價(jià) 操作完成后對脊柱進(jìn)行CT 掃描，重建置入螺釘?shù)募怪?D 模型，由2 名脊柱外科醫(yī)師進(jìn)行螺釘準(zhǔn)確性分析，測量螺釘突破椎弓根骨皮質(zhì)的距離。按照Gertzbein-Robbins 系統(tǒng)（GRS）評價(jià)方法［6］，將椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性按照螺釘突破椎弓根骨皮質(zhì)的距離進(jìn)行分級，其中A 級：椎弓根螺釘完全在椎弓根內(nèi)，沒有突破椎弓根骨皮質(zhì)；B 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質(zhì)，突破距離＜2 mm；C 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質(zhì)，2 mm≤突破距離＜4 mm；D 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質(zhì)，4 mm≤突破距離＜6 mm；E 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質(zhì)，6 mm≤突破距離。A 級和B級為置入準(zhǔn)確的螺釘，即臨床安全。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料以±s表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)和百分比（%）表示，采用卡方檢驗(yàn)。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

AR 組和傳統(tǒng)組醫(yī)師均完成學(xué)習(xí)內(nèi)容并每人獨(dú)立完成1 例尸體標(biāo)本手術(shù)操作，每組置釘60 枚，每人10 枚。AR 組的優(yōu)良率高于傳統(tǒng)組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.027）。此外，AR 組的平均置釘時(shí)間短于傳統(tǒng)組（P=0.012），術(shù)中透視次數(shù)少于傳統(tǒng)組（P＜0.001），差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表1。

表1 AR 組和傳統(tǒng)組教學(xué)方式的腰椎椎弓根螺釘置釘優(yōu)良率、置釘時(shí)間和術(shù)中透視次數(shù)比較（每組n=6）

3 討論

椎弓根螺釘作為目前脊柱外科手術(shù)中最常用的內(nèi)固定方法，以其把持力強(qiáng)和三柱固定的優(yōu)勢受到脊柱外科醫(yī)生的青睞。然而，椎弓根周圍毗鄰重要結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)毗鄰硬膜囊、脊髓及神經(jīng)根，外側(cè)毗鄰肋橫突關(guān)節(jié)及血管結(jié)構(gòu)，前方毗鄰胸腔或腹腔重要臟器。椎弓根螺釘置入位置不佳可導(dǎo)致硬膜囊撕裂、神經(jīng)損傷癥狀加重、血管損傷、內(nèi)臟損傷等，對手術(shù)效果具有重要的決定作用。相比于頸胸椎，腰椎的椎弓根較為粗大，適合初學(xué)者進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)過程中，操作者需要逐步熟悉局部解剖結(jié)構(gòu)，掌握進(jìn)釘點(diǎn)和進(jìn)釘角度，體會進(jìn)釘過程的用力技巧和力學(xué)反饋，并且能夠根據(jù)X 線透視的結(jié)果對于螺釘位置調(diào)整做出準(zhǔn)確判斷。這一過程并非易事，Gonzalvo 等［10］發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘?shù)膶W(xué)習(xí)曲線陡峭，對于初學(xué)者需要至少80 枚螺釘?shù)闹冕斀?jīng)驗(yàn)才能有效降低螺釘突破皮質(zhì)骨的概率。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要通過解剖結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，手術(shù)流程講解、術(shù)中觀摩體會、導(dǎo)師經(jīng)驗(yàn)介紹等方法進(jìn)行，以學(xué)習(xí)者的觀察和思考為主，缺乏具體操作的經(jīng)歷。尤其是對于進(jìn)釘過程中通過力學(xué)反饋感受螺釘頭端位置的技巧，往往只能通過導(dǎo)師描述和講解，學(xué)習(xí)者難以體會，需要在進(jìn)一步的臨床操作中不斷了解學(xué)習(xí)。盡管目前不少研究通過3D 打印模型或者力反饋虛擬手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行椎弓根螺釘?shù)闹冕斉嘤?xùn)［11］，但是學(xué)習(xí)者仍然無法直觀地體會釘?shù)缆窂降慕馄蕦哟魏团徑Y(jié)構(gòu)。

AR 導(dǎo)航技術(shù)，依托于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及三維圖像可視化技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行疊加［8-9,12］。在脊柱外科應(yīng)用方面，AR 技術(shù)可將虛擬解剖結(jié)構(gòu)和規(guī)劃螺釘軌跡覆蓋于患者脊柱之上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)、手術(shù)器械和螺釘位置的實(shí)時(shí)反饋，指導(dǎo)脊柱外科醫(yī)生的術(shù)中操作和螺釘置入［6,13-15］。最先將AR 技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科臨床中的是Wu 等［16］和Elmi-Terander 等［7］。Elmi-Terander等［7］回顧性分析20 例接受手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助置釘?shù)幕颊撸?62 枚螺釘）和20 例接受徒手置釘?shù)幕颊撸?88 枚螺釘），結(jié)果顯示前者的準(zhǔn)確率顯著高于后者（93.9%vs.89.6%）。Peh 等［17］比較手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助置釘與徒手置釘在胸腰椎椎弓根螺釘置入中的臨床準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確度為94%，而徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確度為88%。Vardiman等［18］回顧性分析了56 例手術(shù)機(jī)器人輔助置釘?shù)幕颊撸ü?48 枚螺釘），臨床置釘準(zhǔn)確率為97.4%。Han 等［19］在一項(xiàng)前瞻性隨機(jī)對照臨床試驗(yàn)中，分析比較了共1 116 枚螺釘?shù)?34 例患者（115 例手術(shù)機(jī)器人輔助置釘，119 例徒手置釘），手術(shù)機(jī)器人輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確率為98.7%，徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確率為93.5%。AR 導(dǎo)航技術(shù)改善臨床置釘準(zhǔn)確性已經(jīng)得到大量驗(yàn)證，但將其應(yīng)用于椎弓根螺釘?shù)闹冕斉嘤?xùn)仍鮮有報(bào)道。

通過AR 導(dǎo)航技術(shù)，學(xué)習(xí)者既能體會正確置釘?shù)尼數(shù)儡壽E，又能熟悉置釘過程中的不同進(jìn)釘深度的毗鄰結(jié)構(gòu)，這對于初學(xué)者把握置釘方向，掌握置釘技巧和建立操作自信具有極大的幫助。本研究結(jié)果顯示，AR 組的醫(yī)師在置釘準(zhǔn)確性上優(yōu)于傳統(tǒng)組，說明AR 導(dǎo)航技術(shù)用于椎弓根螺釘置釘培訓(xùn)可以獲得較為良好的教學(xué)效果。此外，本研究中AR 組的置釘時(shí)間短于傳統(tǒng)組，術(shù)中透視次數(shù)少于傳統(tǒng)組，這或許是由于在AR 導(dǎo)航技術(shù)輔助下訓(xùn)練，學(xué)習(xí)者能夠清晰地認(rèn)識到自己操作中進(jìn)釘角度以及深度，在不斷糾正錯(cuò)誤操作動作的同時(shí)，也會了解錯(cuò)誤置釘?shù)目赡芪恢?。在熟練掌握局部解剖的基礎(chǔ)上，能夠通過X 線透視對釘?shù)肋M(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整，從而縮短整體的置釘時(shí)間和術(shù)中透視次數(shù)。

綜上所述，與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的教學(xué)方法相比，通過AR 導(dǎo)航技術(shù)輔助培訓(xùn)規(guī)培醫(yī)師，學(xué)習(xí)者能夠在學(xué)習(xí)過程中清晰直觀地觀察進(jìn)釘點(diǎn)、進(jìn)釘角度以及釘?shù)缆窂?，在?dǎo)航指引下釘?shù)儡壽E得以不斷糾正，同時(shí)對于周圍毗鄰結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和錯(cuò)誤置釘位置的調(diào)整有著更為有效的教學(xué)效果。AR 導(dǎo)航技術(shù)能夠提高脊柱外科規(guī)培醫(yī)師椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的培訓(xùn)效果，提高置釘準(zhǔn)確率，縮短置釘時(shí)間，具有較好的應(yīng)用前景。