混合现实技术在脊柱微创手术术前规划及教学培训中的应用现状及前景

图像引导手术 ( image guided surgery，IGS ) 又称计算机辅助手术 ( computer-aided surgery )，是当前在世界范围内广泛应用于骨科微创手术的导航技术

。有研究表明，术中应用计算机辅助导航技术，在骨组织切除、重建的过程中可以有效提高操作精度，提高手术效率并降低并发症发生风险

。具体来说，在术中应用基于混合现实 ( mixed reality，MR ) 技术的导航系统，可以提供实时三维可视化图像和最佳匹配位置，间接明确手术器械与虚拟三维模型和真实解剖结构之间的关系，进而指导整个手术操作过程。此外，MR 技术与增强现实 ( augmented reality，AR ) 和虚拟现实 ( virtual reality，VR ) 技术很大的不同之处在于它可以实现实时的人机交互，将虚拟内容覆盖到整个当前环境的场景范围，并且实现虚拟与真实之间的部分保留与自由切换

。目前，市面上流行的 MR 设备有 Microsoft 公司开发的 HoloLens 头戴式显示器以及可以直接将图像映射到用户视网膜上的 Magic Leap 公司的图像显示设备 ——“动态数字化光场信号 ( Dynamic Digitised Lightfield Signal )”

。这些设备可以基于术前 X 线、CT、MRI、PET-CT 等检查所获得的高分辨率医学影像数据，通过软件处理将手术部位的解剖结构立体化呈现出来，重建三维模型；同时，利用软件编辑模块优化调整三维重建的虚拟图像，实现术前设计规划及手术模拟。这样一来，在术中就可以将术前计划以及获得的详细影像数据直接转移到术野或教学培训场景中，实现影像与解剖的个性化融合，减少各种手术的必需信息在常规应用过程中遇到的失准、时间消耗及数据误差

。目前，MR 这一新兴技术已逐步克服 VR 技术的局限性，并有望成为脊柱外科领域发挥重要作用的手术辅助工具

。

一、MR 技术在脊柱微创手术规划中的应用

1. MR 技术在脊柱微创手术规划及手术模拟训练中应用的优势：随着骨科手术技术的更新，脊柱微创手术技术取得了长足的发展，多种脊柱微创术式也在不断地更新。脊柱微创手术学习曲线较长，骨科医师往往需要在相对有限、复杂多变的解剖空间内进行手术操作，脊柱病变位置的周围往往环绕着重要的血管、神经根、脊髓、韧带等结构，尤其是遇到存在解剖结构变异的患者，术中操作稍有不慎就可能导致副损伤发生。因此，为了达到精准微创操作的手术效果，减少术中不必要的解剖结构损伤，需要进行术前完善的设计、术中精确的引导与定位及术后效果的量化评价

。多项研究证实，MR 技术的应用可以在高精度和准确性的脊柱微创手术中明显减少手术时间，优化手术效果，达到高安全性、低复发率的满意效果

。由于脊柱微创手术位置暴露较小、缺少明晰的视觉提示，基于 MR 技术的导航系统无疑是术前规划和手术模拟训练的关键工具。在传统的术前规划模式中，术者通过术前对患者体格检查并阅览影像检查数据 ( X 线、CT、MRI、PET-CT 等 ) 获得病变部位信息，但实际操作中术者并不能完全实时掌握病灶周围的神经、血管、骨性及软组织解剖结构，治疗计划的制订大部分依靠骨科医师的临床经验和专业知识，这种“经验依赖”手术规划模式缺乏直观的三维结构，由于成像数据不完整，外科医师将无法制订出准确的手术方案。因此脊柱外科微创手术就好比一场“闭卷考试”，难度大且风险高，术者必须有扎实的脊柱开放手术经验，采用最新的 MR 技术有望解决这些问题，医师通过操作设备可以在术前看到根据患者影像学数据重建的三维虚拟模型，原本操作者头脑中模糊、抽象的画面被现实化、立体化、可视化地呈现出来，操作者还可以根据手术需要标记重要解剖结构，模拟术中病灶切除范围或者精确进钉位置、方向、深度等，从而制订个性化手术规划，避免手术过程中不必要的副损伤发生；此外，MR 技术将真实的手术场景还原，可以让患者及其家属在术前对手术过程有更加直观的了解，提高了患者的依从性，有助于医患沟通

。

2. MR 技术在脊柱微创手术规划及操作模拟中应用的实例：

( 1 ) MR 技术在脊柱内镜手术规划及操作模拟中的应用：在严格选择手术适应证的情况下，经皮椎间孔镜下椎间盘切除术 ( percutaneous transforaminal endoscopic discectomy，PTED ) 具有切口小、创伤小、出血少、操作时间短和术后恢复快等优势，是一种安全有效的脊柱微创手术方法

。在术前规划操作模拟的过程中，外科医师需要具备良好的空间感，没有经验的医师往往会反复穿刺、透视，导致手术时间和射线暴露量显著增加。

MR 技术有望为脊柱内镜手术术前规划提供更为准确的定位、导航方法。Yu 等

将 60 位青年医师随机分为人数相同的两组，规定好标准的穿刺路径后，A 组学习二维标准规划路线，B 组通过 3D Slicer 平台学习基于 MR 技术的标准规划路径，最后研究者分别对两组学员在腰椎模型上进行 PTED 穿刺操作的效果进行评估，结果表明 MR技术的应用显著减少了穿刺时间和透视次数，为 PTED 训练提供了标准化方法。Guo 等

为探讨 MR 技术在指导椎间孔镜手术穿刺定位中的作用，将 60 例腰椎间盘突出症患者随机分为导航组 ( 30 例，即利用 MR 技术指导穿刺 )和传统对照组 ( 30 例 )，对两组患者施行椎间孔镜下腰椎间盘切除手术，结果显示 MR 技术可以准确指导椎间孔镜套管的建立，提高穿刺成功率，值得临床推广和应用。Liu 等

评估了 MR 技术在经椎间孔椎间盘切除术中的应用，研究发现 MR 辅助手术组的手术时间、定位、置入套管、手术全过程中术者接受射线照射量均明显少于常规手术组 (

＜ 0.05 )，两组患者术后均获得满意的手术治疗效果。然而，MR 辅助手术组由于术中头盔的使用而增加术者的眼疲劳。

基于 MR、AR 技术的模拟化医学教育已经在世界各地的医学院校中开展和应用

。Gottschalk 等

探究 MR技术辅助外科手术模拟训练对年轻医师进行颈椎侧位螺钉固定的效果影响，结果表明 MR 设备中 3D 导航系统的训练可显著改善颈椎侧位螺钉的插入效果。通过应用 MR 技术来创建各类脊柱手术的模拟化场景，可再现标准化的培训平台，以提高和评估年轻医师的手术水准，有效提高其手术操作技能；还可以缩短年轻医师学习脊柱微创手术技术、穿刺定位技术等的学习周期，增强操作者的手术实战能力。在国内，余可谊等

率先以经皮脊柱内镜手术为例探索 MR 技术在脊柱内镜微创手术临床教学中的应用价值，并通过培训后问卷测试得出 MR 技术可有效提升受培训人员的参与积极性、学习趣味性和三维空间想象力。Yu等

研究证明 MR 技术有助于 PTED 的培训，通过使用MR 技术可以很好地进行术前计划，这对于 PETD 的教学培训有很大的益处。此外，还可以利用 MR 技术模拟各类紧急临床事件，提高年轻医师的诊断和决策能力，以最少的错误和最快的速度作出反应。

《嘉泰会稽志》在第九卷《山·会稽县·会稽山》条的小字注解中，引用《旧经》说了这样一段话：“会稽山周围三百五十里，盖总言东南诸山之隶会稽郡者，如晋·王彪之《刻石山诗》云‘会稽刻石山’，宋(指南北朝时期南朝宋)《何胤传》说‘(何胤)居会稽秦望山’……刻石(山)、秦望(山)皆可以会稽山名之。《泊宅编》云：‘会稽东南巨镇，对案梅李尖山，谓之笔案，其周回六十里’此又兼言宝山也。然则会稽云者，诸山之通称尔”。

MR 技术可依据多种影像学设备采集的图像数据模拟出有形器官，以提供更好的解剖学参考工具，作为量身定制的模拟和导航，这有助于提高医疗安全性和准确性，减少对患者的伤害，并改善对学生和受训者的医学教育。这意味着 MR 技术使新型的健康教学模式成为可能，尽管目前对此类技术的研究非常有限，但 Vaughn 等

对沉浸式技术设备 ( 例如 Google Glass ) 的早期研究显示其对医学生学习积极性产生正面影响。MR 模拟环境越来越多地用于腰椎穿刺的技能学习和操作模拟，它允许重复练习，即避免给患者带来任何风险。MR 技术可提供学习和练习骨科操作技能的安全环境，既减少了操作时间，又缩短了青年医师的学习曲线

。Küçük 等

研究通过增强现实技术学习解剖学知识对医学生的学习成绩和认知方面的影响，发现使用该技术的试验组形成了更有效的学习环境，通过3D 可视化将书本上的抽象信息具体化，使学生的认知负担有所减少，而 MR 技术不仅可以呈现虚拟的解剖结构，还能允许感官体验与现实环境实时交互，由此可见 MR 技术在未来的解剖教学领域将会有更优化的应用。

二、MR 技术在脊柱微创手术教学培训中的应用

( 2 ) MR 技术在经皮椎体成形术 ( percutaneous vertebroplasty，PVP ) 规划及操作模拟中的应用：PVP 是一种当前治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折 ( osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF ) 和晚期脊柱转移性肿瘤的有效外科治疗手段，术后可以达到立即缓解疼痛和椎体功能改善的临床效果。但仍有很多患者对术后的效果改善不满意，甚至出现神经、血管损伤或骨水泥渗漏等情况，MR 技术可以应用于术前模拟中指导更准确的穿刺点

。Wucherer 等

为评估 MR 环境在椎体成形术训练中的可用性，选择 19 位初级外科医师对 MR 平台手术模拟环境以及利用 MR 技术在模拟操作中引入危机模拟场景进行客观的评估，结果证实了开发逼真的模拟环境在外科青年医师操作模拟中的有效性，且能使年轻医师对手术室中的突发事件制定合理的应对策略。Wei 等

为评估 MR 技术辅助下经皮椎体后凸成形术 ( percutaneous kyphoplasty，PKP )治疗 OVCF 合并椎体内真空裂 ( intraspinal vacuum crack，IVC ) 的临床疗效，将 40 例符合条件的患者随机分为 MR技术辅助组和对照组 ( 传统 C 型臂 X 线机透视组 )，两组均行 PKP，术前、术后分别进行疼痛视觉模拟评分 ( visual analogue scale，VAS )、Oswestry 功能障碍指数 ( oswestry disability index，ODI )、椎体高度放射学指标及后凸角测量。结果表明 MR 技术辅助 PKP 能精准定位病灶区域，使椎体高度得到改善、显著降低围术期并发症的发生率。

从野蛮到文明，人类的进化漫长而又残酷。可是，善恶、美丑、真假、忠奸、好坏等等，永远会此消彼长，两相对垒，无休无止，循环往复。

一般法律对于投资者的保护力度是不相同的，因此投资正自身在参与市场的时候以及对于相关产品的接受程度也就会出现很大的差异。通常情况下法律将股东以及投资者保护得越好其市场就会变得越发达，这样其结构就会变为市场主导。另外要是法律能够将市场中的不对称信息进行改变，这一改变的程度越高就会使得投资的效率变得越高。最后法律的完善就会将证券发行的成本降低，并且减少一些机会主义的行为，促进金融市场的发展。要是法律不健全的话就会出现银行主导金融的现象。由此能够发现法律在对其市场秩序以及市场行为等方面的影响存在一定差异，该差异影响着该结构的转变。

三、MR 技术面临的突出问题及发展前景

目前，将 VR、AR 和 MR 用于脊柱微创手术的临床研究仍有待进一步开展，MR 技术为脊柱微创手术带来的便利仍需要未来大量的循证医学证据来证实。而且 MR 技术在外科学的应用还存在诸多有待解决的突出问题，例如临床应用的伦理问题、高成本、普及困难、匹配困难、缺少统一标准和使用规范等。因此，亟需各研究单位完善并统一 MR 技术应用于各项临床实践的操作系统及路径，优化操作系统和质控标准，以便该项技术早期在骨科手术教学、术前规划及术中导航中应用与推广。开发者们应对MR 设备进行有针对性的探索，致力于打造多用途、适应性强、精准度高的设计产品，以期在脊柱微创手术中呈现更加真实、准确的场景融合。

四、结语

MR 技术是目前最前沿的数字可视化技术，多项研究表明 MR 技术在脊柱微创手术术前规划及教学培训中具备巨大的应用前景。MR 技术可以最大限度地保证手术操作的精准度，提高团队成员与操作设备间的配合程度，进而提高脊柱手术中各步骤操作的成功率。在教学培训中 MR技术可以提供更多元化的教学方案和操作指导，越来越多的医疗机构将 MR 技术应用于手术和教学中，使得其进入了被实战检验和临床前应用的新阶段。

笔者总结了 MR 技术在脊柱微创手术术前规划和教学培训中的应用。不到 10 年的时间，已发表的一部分研究已经将该技术用于脊柱微创手术训练和临床，未来需要使用标准化试验研究来更清楚地证明 MR 在脊柱微创手术中的应用优势。MR 在医疗领域的应用正迅速崛起，期望未来医学界和数字化领域可以共同完善 MR 技术应用于脊柱外科微创手术以及教学培训的规范与体系，推动人类在数字化医疗创新领域作出历史性地突破。

[1]Molliqaj G, Schatlo B, Alaid A, et al. Accuracy of robot-guided versus freehand fluoroscopy-assisted pedicle screw insertion in thoracolumbar spinal surgery[J]. Neurosurg Focus, 2017,42(5):E14. DOI: 10.3171/2017.3.FOCUS179.

[2]Hanna G, Kim TT, Uddin SA, et al. Video-assisted thoracoscopic image-guided spine surgery: evolution of 19 years of experience, from endoscopy to fully integrated 3D navigation[J]. Neurosurg Focus, 2021, 50(1):E8. DOI:10.3171/2020.10.FOCUS20792.

[3]Tang ZN, Hui Y, Hu LH, et al. Application of mixed reality technique for the surgery of oral and maxillofacial tumors[J].Beijing Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban, 2020, 52(6):1124-1129.DOI: 10.19723/j.issn.1671-167X.2020.06.023.

[4]Shimokawa N, Takami T. Surgical safety of cervical pedicle screw placement with computer navigation system[J].Neurosurg Rev, 2017, 40(2):251-258. DOI: 10.1007/s10143-016-0757-0.

[5]Tepper OM, Rudy HL, Lefkowitz A, et al. Mixed reality with holo lens: where virtual reality meets augmented reality in the operating room[J]. Plast Reconstr Surg, 2017, 140(5):1066-1070. DOI: 10.1097/PRS.0000000000003802.

[6]刘书中, 王以朋, 周熹, 等. 混合现实技术在骨科手术规划及教学培训中的应用进展[J]. 中国实验诊断学, 2021,25(1):156-158. DOI: 10.3969/j.issn.1007-4287.2021.01.048.

[7]Sakai D, Joyce K, Sugimoto M, et al. Augmented, virtual and mixed reality in spinal surgery: a real-world experience[J].J Orthop Surg (Hong Kong), 2020, 28(3):2309499020952698.DOI: 10.1177/2309499020952698.

[8]Li J, Zhang H, Li Q, et al. Treating lumbar fracture using the mixed reality technique[J]. Biomed Res Int, 2021,2021:6620746. DOI: 10.1155/2021/6620746.

[9]Hussain I, Cosar M, Kirnaz S, et al. Evolving navigation,robotics, and augmented reality in minimally invasive spine surgery[J]. Global Spine J, 2020, 10(2 Suppl):22S-33S. DOI:10.1177/2192568220907896.

[10]Buch VP, Mensah-Brown KG, Germi JW, et al. Development of an intraoperative pipeline for holographic mixed reality visualization during spinal fusion surgery[J]. Surg Innov, 2021,28(4):427-437. DOI: 10.1177/1553350620984339.

[11]Wu X, Liu R, Yu J, et al. Mixed reality technology-assisted orthopedics surgery navigation[J]. Surg Innov, 2018, 25(3):304-305. DOI: 10.1177/1553350618771413.

[12]Wu X, Liu R, Yu J, et al. Mixed reality technology launches in orthopedic surgery for comprehensive preoperative management of complicated cervical fractures[J]. Surg Innov,2018, 25(4):421-422. DOI: 10.1177/1553350618761758.

[13]McJunkin JL, Jiramongkolchai P, Chung W, et al. Development of a mixed reality platform for lateral skull base anatomy[J].Otol Neurotol, 2018, 39(10):e1137-e1142. DOI: 10.1097/MAO.0000000000001995.

[14]马胜铃, 杨文博, 叶哲伟, 等. 混合现实技术在医学教育中的应用进展[J]. 中华医学教育探索杂志, 2021, 20(3):254-259.DOI: 10.3760/cma.j.cn116021-20191222-00417.

[15]Ahn SS, Kim SH, Kim DW, et al. Comparison of outcomes of percutaneous endoscopic lumbar discectomy and open lumbar microdiscectomy for young adults: a retrospective matched cohort study[J]. World Neurosurg, 2016, 86:250-258. DOI:10.1016/j.wneu.2015.09.047.

[16]Yu H, Zhou Z, Lei X, et al. Mixed reality-based preoperative planning for training of percutaneous transforaminal endoscopic discectomy: a feasibility study[J]. World Neurosurg, 2019,129:e767-e775. DOI: 10.1016/j.wneu.2019.06.020.

[17]Guo ML, Yue ST, Wang JY, et al. Comparative study on the clinical application of mixed reality technology leading micro-invasive intervertebral foramen puncture location and blind puncture location[J]. Pak J Med Sci, 2020, 36(3):559-564. DOI: 10.12669/pjms.36.3.1683.

[18]Liu X, Sun J, Zheng M, et al. Application of mixed reality using optical see-through head-mounted displays in transforaminal percutaneous endoscopic lumbar discectomy[J]. Biomed Res Int, 2021, 2021:9717184. DOI: 10.1155/2021/9717184.

[19]Hu MH, Chiang CC, Wang ML, et al. Clinical feasibility of the augmented reality computer-assisted spine surgery system for percutaneous vertebroplasty[J]. Eur Spine J, 2020, 29(7):1590-1596. DOI: 10.1007/s00586-020-06417-4.

[20]Wucherer P, Stefan P, Abhari K, et al. Vertebroplasty performance on simulator for 19 surgeons using hierarchical task analysis[J]. IEEE Trans Med Imaging, 2015, 34(8):1730-1737. DOI: 10.1109/TMI.2015.2389033.

[21]Wei P, Yao Q, Xu Y, et al. Percutaneous kyphoplasty assisted with/without mixed reality technology in treatment of OVCF with IVC: a prospective study[J]. J Orthop Surg Res, 2019,14(1):255. DOI: 10.1186/s13018-019-1303-x.

[22]周熹, 刘书中, 王以朋, 等. 增强现实 / 混合现实技术在骨肿瘤外科手术规划及教学培训中的应用[J]. 中华骨与关节外科杂志, 2021, 14(5):452-456. DOI: 10.3969/j.issn.2095-9958.2021.05.26.

[23]Gottschalk MB, Yoon ST, Park DK, et al. Surgical training using three-dimensional simulation in placement of cervical lateral mass screws: a blinded randomized control trial[J]. Spine J, 2015, 15(1):168-175. DOI: 10.1016/j.spinee.2014.08.444.

[24]余可谊, 李子全, 蔡思逸, 等. 混合现实技术在经皮椎间孔入路腰椎间盘切除术临床教学中的应用[J]. 基础医学与临床, 2019, 39(6):916-920. DOI: 10.16352/j.issn.1001-6325.2019.06.030.

[25]Vaughn J, Lister M, Shaw RJ. Piloting augmented reality technology to enhance realism in clinical simulation[J].Comput Inform Nurs, 2016, 34(9):402-405. DOI: 10.1097/CIN.0000000000000251.

[26]Shanks D, Wong RY, Roberts JM, et al. Use of simulator-based medical procedural curriculum: the learner’s perspectives[J].BMC Med Educ, 2010, 10:77. DOI: 10.1186/1472-6920-10-77.

[27]Küçük S, Kapakin S, Göktaş Y. Learning anatomy via mobile augmented reality: effects on achievement and cognitive load[J].Anat Sci Educ, 2016, 9(5):411-421. DOI: 10.1002/ase.1603.