虚拟现实技术在骨科术前规划中的应用

郑潮顺，李春海

虚拟现实（virtual reality，VR）是一种全新的人机交互手段，它借助计算机、电子、图像、传感器、多媒体、仿真等多种技术在多维信息空间构建虚拟场景，让使用者身临其境并可进行交互。目前在骨外科领域，VR主要应用于术前规划、术中导航、术后康复训练等[1-3]。在术前规划方面，通过VR技术可三维展示病变部位和周围结构，并可进行三维立体测量、模拟器械置入、预测术后形态改变等；利用其个体化、标准化、可视化的优势[4]，可实现规划信息的高质量传递以及手术难点的精确评估，对精准完成手术、缩短学习曲线、加速新技术研发及开展等尤其有利。

1 VR技术在骨科术前规划中的作用

1.1 实现术前规划个性化、精准化

众所周知，骨科各种内外固定材料均要求与患者匹配度高，以达到良好的手术效果。但现有的测量方法主要依据患者X线片、CT、MRI等影像学资料，误差较大，术前难以配置个体化的手术器械；手术过程中需要在直视下根据“手感”等经验判断内置物尺寸，常常发生置入物与患者解剖结构不匹配的情况，疗效欠佳，有的甚至还需要进行翻修手术。近年来广泛应用的微创技术对术前规划的准确性要求更高，术中可参考的解剖标志更少。采用VR技术可于术前立体展示三维重建模型的各个方面，并对解剖学数据进行三维测量，还可模拟假体置入，预测患者术后感觉运动功能的变化，精准选择最佳方案，真正做到术前规划的个体化和精准化[5]。

1.2 促进术前计划规范化、标准化

利用VR技术，在术前即可清晰了解个体的解剖特点，制定相应手术方案；还可将其录制为视频，实现规划过程的可视化，便于教学及临床交流等，利于不同医疗单位之间的信息共享，简化医患沟通过程，有助于权衡利弊后医生与患者共同选择合适的手术方案。

1.3 提高技术转换率，缩短学习曲线

传统的技术普及方式包括开办培训班、播放视频、浏览课件、模具演练、尸体演练等，锻炼机会少且保真度不足，往往理论学习多于实际操作。VR模拟环境下术前规划手术路径并进行练习，可提高术者接收新技术的速度，提升医师的决策水平和操作技能。在虚拟环境训练达到一定程度后，术者的实际手术水平可相应提高[6]。

1.4 评估术者手术水平，预测手术风险

由于条件所限，既往只能评估手术医师是否有能力实施某一类手术，不能结合患者解剖细节进行分析。VR术前规划可针对患者个体资料进行充分的术前评估和模拟操作，充分了解手术的技术难点及操作细节，评估手术风险以及术者是否有能力实施手术。

2 VR技术在骨科不同领域术前规划中的具体应用

受限于VR模拟器的发展，VR技术目前尚不能很好地反映组织形变能力及反馈实时感觉，这导致其不能高保真地模拟完整的手术过程。但现有技术已可将VR重构模型用于三维精确测量、评估假体匹配程度等；而微创手术由于需要模拟的信息不多，也较适合VR技术应用，目前肩膝肘关节镜均有相应的VR工作站[7]。

2.1 VR技术在脊柱外科的应用

椎弓根置钉为脊柱固定的基本技术之一。不同个体的解剖差异导致置钉角度、入钉点多变，存在置钉风险。颈胸椎及脊柱侧弯手术对置钉的要求则更高，据报道，胸腰椎置钉的不准确率较高[8-9]，可能引起神经血管损伤或融合失败、脊柱不稳，进而导致手术失败[10]。

借助VR技术可在术前精确测定椎弓根钉置钉位置和角度，因置钉失误而导致的并发症也可通过足量练习来避免[11]。Luciano等[12]的研究表明，目前VR技术已可实现术前3D脊柱模型建立、穿透骨质感觉模拟及X线片（正侧位、横断位）模拟，使术者在VR环境中快速掌握患者不同节段椎弓根置钉的技巧，提高在现实手术中的置钉准确率，减少手术医师的射线暴露，节省手术时间，减少椎弓根置钉并发症的发生。

与椎弓根置钉技术类似，经皮椎体成形术同样可利用上述系统进行术前规划，Abe等[13]利用增强现实（augmented reality，AR）技术将模拟图像与术中解剖进行融合，在模型或人体上投射皮肤切口及进入角度，于术前规划相应数据，术中入针点误差仅1 mm。

2.2 VR技术在关节外科的应用

传统髋关节与膝关节置换术要求截骨准确、假体匹配、置换后力线良好等，而现阶段我国髋膝关节置换术的术前规划仍以X线评估为主，根据X线测量结果初步确定截骨范围和假体大小，数据欠精确，易导致手术时间延长、假体不匹配、截骨过多等问题，假体术后长期磨损将导致使用寿命缩短，翻修手术量增加。通过VR技术可重建三维模型，并可进行截骨、假体置入等操作。

早期Edheads[14]曾设计一款针对儿童的游戏软件，可模拟髋关节置换（关节脱位、髋臼杯安置、假体柄置入）等手术过程，但并非个体化手术规划；后来Sato等[15]开发个体化手术规划系统，可设计髋臼杯大小和假体安放位置方向，并可模拟术后关节活动范围及下肢力线情况；亦有学者将VR用于模拟不同大小、形状假体置入后的应力分布，以选取最接近正常生理状态的假体[16-18]。而对于翻修手术和肿瘤型置换手术，VR同样可精确预测切除范围和假体大小，缩短了手术时间，避免了对正常结构的过多破坏[19-20]。

随着手术机器人技术的发展，机器人手术系统已由辅助式逐渐向自动化方向发展，通过VR术前规划，可预先设定一个手术安全区域并将手术空间局限在此范围内，避免了机器人手术对正常结构的破坏，同时实现钻骨等手术步骤的半自动化，提高手术成功率[21]。

2.3 VR技术在运动医学的应用

目前VR技术重构软组织的能力还相对较差，与脊柱、关节、创伤手术相比，其在运动医学术前规划方面的应用较少，主要强调术前手术技能的掌握，以提高术者认知水平、提高手术精准度为主要目的。运动医学的基本技能包括手术切口选择、器械置入、器械使用、镜下手眼配合等[22]，操作者需要经历一段时间练习才能掌握。传统做法是利用尸体、动物、箱型训练器等进行练习[23-25]，可一定程度地提高练习者的基本技能。但相比之下，VR训练能够有效提升练习者的术中表现[26]，事实上，帮助术者获得镜下所需技能也是术前规划的一方面；VR模拟器也被认为是更能模拟患者生理状况、可及时反馈、扩展性强、可重复性高的一项技术[27]。

上世纪90年代开始，Cooper等[28]通过录制手术视频，开发出仅操作手术器械即可播放相应部位图像的初代VR模拟器，但只适用于提高练习者的认知水平，不能练习基本技能；有学者通过计算机编程计算并模拟器械与模拟环境碰撞的力量，将之反馈给练习者，以此模拟真实手术情况并练习基础手术技能[29]；Rasool和Sourin[30]在此基础上进一步提高图像分辨率，并结合3D技术，更为真实地模拟半月板缝合等手术操作。人们通过录制专家操作路径，还实现了术前规划的标准化，术者可提前设定大致的操作路径，以此降低实际手术误操作的风险[31]。也正是由于VR技术具有较高的费效比，因此在住院医师技能培训中被广泛应用[6]，以提高练习者的镜下操作技能[32]。不仅是膝关节镜，VR技术在肩、腕等部位关节镜也有一定的应用[33-34]。但总体而言，其在术前规划如个体化模型构建、切口选择、模拟练习等方面的开发应用尚待进一步发展。

2.4 VR技术在创伤骨科的应用

判定骨折类型、选择内固定物及置入位置是创伤骨科术前规划的主要内容。Blyth等[35]的调查问卷结果显示，骨科医师认为VR技术可于术前构建模型，使术者能够正确理解骨折断端之间的解剖关系和骨折方向；Shen等[36]通过VR技术构建骨盆骨折3D模型，模拟骨折前状态，精确展示局部解剖结构，同时还可准确测量、个体化设计内固定材料，规划入钉点和放置方向，以达到缩短手术时间、缩小手术切口、减轻组织创伤、减少并发症的目的；Sugand等[37]观察住院医师练习动力髋螺钉主钉安放的过程，认为随着练习次数的增加，内固定物放置准确度增加，手术时间、放射暴露及术中调整内固定次数减少，提示术前规划并练习可提高手术成功率。

2.5 VR技术在骨肿瘤外科的应用

骨肿瘤手术的术前规划包括肿物完整切除和结构重建，应用VR技术可实现脊柱、关节]、四肢的结构重建[12,20,36]，有利于术者对局部解剖结构进行术前评估并制定手术方案。有报道将VR技术应用于髋部肿瘤，以精确预测手术范围及辅助术前个体化假体设计[20]。对一些解剖结构变异不大的疾病，如肿瘤早期阶段，VR技术通过识别形态改变的部位后染色来实现诊断的半自动化；此外，虚拟内镜可在术前发现较小和特殊部位的肿瘤病灶，有助于术前规划的准确制定[38]。

3 展望

目前VR技术在外科领域的应用研究越来越多，其与手术规划、操作的结合日趋紧密，但由于模拟器尚未发展成熟，导致VR技术目前尚不能实现触觉、声音的精确反馈[39]，对开放手术的模拟也大都未进入应用阶段。目前VR技术多用于术前规划和手术模拟，但未来结合AR技术可实现术中导航，发展空间十分巨大。可以预见，VR技术在医学领域将迅猛发展，在不远的未来将颠覆现有的医疗模式；VR技术的到来将实现诊疗、手术等的标准化作业，其实时模拟、便于远程交流等优势均有利于医疗质量的提高。

未来可根据患者资料构建个体化三维VR数据库，立体展示患者的解剖变异及生理异常，并可在其上向患者解释病情及诊疗方案，设计一套完整的手术计划；对3D图像、诊疗计划、手术规划进行录制后可用于远程会诊、教学、术前练习手术等。对于疑难病例，可精确测量相关数据，反复练习手术，模拟患者术后恢复效果，选择最佳手术方案，实现个体化精准医疗，使患者的生活质量得到最大程度的提高，也使医源性的损害降至最低。而与AR、机器人、术中导航等技术的结合，去除了人体脑力、体力的限制，实现手术操作的标准化、流程化、精细化、个体化、微创化。

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