基于AR 导航技术的椎弓根螺钉置入术在脊柱外科规培医生教学中的应用和效果评价

苑博，曹兵，周盛源，赵寅，孙延卿，陈雄生

腰椎椎弓根螺钉内固定技术广泛应用于脊柱外科的手术中，已经成为治疗脊柱外伤、退变、肿瘤等疾患的常用技术，是每个脊柱外科医生的必备技能之一［1］。然而，椎弓根螺钉置入如果存在偏差，可能会对周围的重要神经、血管，甚至内脏组织造成损伤，导致严重的并发症［2-3］。因椎弓曲线陡峭，腰椎椎弓根螺钉错置的发生率为2.5%～40%［4］。这就要求学习者熟练掌握毗邻的解剖结构，拥有良好的空间想象能力，此外还需要反复练习和累积经验。在传统的脊柱外科临床教学中，局部解剖学认识往往通过文字描述、图片讲解、模型展示以及尸体解剖获得，缺乏趣味性，不利于学生主动性的发挥。因此，该项技能培训一直是青年脊柱外科医生培训中的难点。

增强现实（AR）使用计算机生成的数字虚拟图像，将其与现实世界相叠加，提供额外的数据背景和直观的操作体验，以增加沉浸感和交互性［5-7］。基于AR 的导航系统可以将术前和术中患者的图像直接叠加到患者的解剖结构上，学习者可以看到与螺钉轨迹同步的实时更新的虚拟图像，更为清晰地观察和理解钉道途经的解剖层次和毗邻结构，有助于提高学习者的训练效果，缩短培训时间［8-9］。然而，基于AR导航技术系统应用于椎弓根螺钉内固定技术的培训却鲜有报道。因此，本研究基于AR 导航技术的椎弓根螺钉内固定技术，通过新鲜尸体标本置钉操作，拟探究其应用于脊柱外科医生教学培训的有效性。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2020 年9 月1 日至2020 年12 月31 日在海军军医大学第二附属医院脊柱外科轮转的规范化培训青年医师，均无椎弓根螺钉相关置钉经验，共计12 名，随机平均分为AR 组和传统组，每组6 人。

1.2 培训方案

1.2.1 理论教学 AR 组和传统组医师均接受包括局部解剖基础、X 线透视定位解剖、常用椎弓根螺钉置钉方法等基础理论知识的传授。

1.2.2 AR 组 AR 组医师通过在新鲜尸体标本上进行AR导航置钉训练。基于AR 的导航系统主要由主控台，光学追踪系统（NDI，Polaris Vega，加拿大），定位工具、光学透明头戴式显示器（Hololens，Microsoft，美国）、手术规划和控制软件（HOLONAVI，上海霖晏医疗科技有限公司，中国）等组成。高分辨率头戴式显示器为操作者实时提供虚拟图像叠加到实时手术上的效果，而光学追踪系统通过红外光反射信号标记进行螺钉置入位置和置入过程的实时监控。见图1。AR 导航系统通过术前CT 虚拟规划腰椎椎弓根螺钉的置入路径，再与术中X 线透视相结合的2D-3D 拟合功能，利用单椎体配准技术，可消除因手术体位与获取CT 体位不一致所带来的偏差。

图1 高分辨率头戴式显示器为操作者实时提供虚拟图像叠加到实时手术上的效果

1.2.3 传统组 传统组医师通过手术流程讲解、视频演示、动作要领介绍，并参加手术，担任第二助手，通过观摩和同一位老师带教指导，以此来学习腰椎椎弓根螺钉的置钉方法。

1.3 教学效果评价

1.3.1 椎弓根螺钉置钉考核 准备12 具新鲜尸体标本，其中男尸7 具，女尸5 具，年龄55～71 岁，平均分为2 组。尸体标本具有完整的腰骶椎并且无腰椎骨折、肿瘤、畸形。尸体标本取俯卧位，选择后正中切口，2 组医师在显露双侧椎板及关节突后，每人独立完成L1-L5 共计10 枚椎弓根螺钉的徒手置钉操作。置钉过程从显露进钉点到医师认为置钉完成结束，统计所有医师的平均置钉时间以及术中透视次数。

1.3.2 置钉准确性评价 操作完成后对脊柱进行CT 扫描，重建置入螺钉的脊柱3D 模型，由2 名脊柱外科医师进行螺钉准确性分析，测量螺钉突破椎弓根骨皮质的距离。按照Gertzbein-Robbins 系统（GRS）评价方法［6］，将椎弓根螺钉的准确性按照螺钉突破椎弓根骨皮质的距离进行分级，其中A 级：椎弓根螺钉完全在椎弓根内，没有突破椎弓根骨皮质；B 级：椎弓根螺钉突破椎弓根骨皮质，突破距离＜2 mm；C 级：椎弓根螺钉突破椎弓根骨皮质，2 mm≤突破距离＜4 mm；D 级：椎弓根螺钉突破椎弓根骨皮质，4 mm≤突破距离＜6 mm；E 级：椎弓根螺钉突破椎弓根骨皮质，6 mm≤突破距离。A 级和B级为置入准确的螺钉，即临床安全。

1.4 统计学处理

采用SPSS 19.0 统计学软件进行数据分析。计量资料以±s表示，采用独立样本t检验。计数资料以频数和百分比（%）表示，采用卡方检验。P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

AR 组和传统组医师均完成学习内容并每人独立完成1 例尸体标本手术操作，每组置钉60 枚，每人10 枚。AR 组的优良率高于传统组，差异具有统计学意义（P=0.027）。此外，AR 组的平均置钉时间短于传统组（P=0.012），术中透视次数少于传统组（P＜0.001），差异具有统计学意义。见表1。

表1 AR 组和传统组教学方式的腰椎椎弓根螺钉置钉优良率、置钉时间和术中透视次数比较（每组n=6）

3 讨论

椎弓根螺钉作为目前脊柱外科手术中最常用的内固定方法，以其把持力强和三柱固定的优势受到脊柱外科医生的青睐。然而，椎弓根周围毗邻重要结构，内侧毗邻硬膜囊、脊髓及神经根，外侧毗邻肋横突关节及血管结构，前方毗邻胸腔或腹腔重要脏器。椎弓根螺钉置入位置不佳可导致硬膜囊撕裂、神经损伤症状加重、血管损伤、内脏损伤等，对手术效果具有重要的决定作用。相比于颈胸椎，腰椎的椎弓根较为粗大，适合初学者进行该项技术的学习。学习过程中，操作者需要逐步熟悉局部解剖结构，掌握进钉点和进钉角度，体会进钉过程的用力技巧和力学反馈，并且能够根据X 线透视的结果对于螺钉位置调整做出准确判断。这一过程并非易事，Gonzalvo 等［10］发现椎弓根螺钉的学习曲线陡峭，对于初学者需要至少80 枚螺钉的置钉经验才能有效降低螺钉突破皮质骨的概率。传统的教学模式主要通过解剖结构学习，手术流程讲解、术中观摩体会、导师经验介绍等方法进行，以学习者的观察和思考为主，缺乏具体操作的经历。尤其是对于进钉过程中通过力学反馈感受螺钉头端位置的技巧，往往只能通过导师描述和讲解，学习者难以体会，需要在进一步的临床操作中不断了解学习。尽管目前不少研究通过3D 打印模型或者力反馈虚拟手术系统进行椎弓根螺钉的置钉培训［11］，但是学习者仍然无法直观地体会钉道路径的解剖层次和毗邻结构。

AR 导航技术，依托于计算机图像处理技术及三维图像可视化技术，将计算机生成的虚拟世界与真实环境进行叠加［8-9,12］。在脊柱外科应用方面，AR 技术可将虚拟解剖结构和规划螺钉轨迹覆盖于患者脊柱之上，同时实现解剖结构、手术器械和螺钉位置的实时反馈，指导脊柱外科医生的术中操作和螺钉置入［6,13-15］。最先将AR 技术应用于脊柱外科临床中的是Wu 等［16］和Elmi-Terander 等［7］。Elmi-Terander等［7］回顾性分析20 例接受手术导航系统辅助置钉的患者（262 枚螺钉）和20 例接受徒手置钉的患者（288 枚螺钉），结果显示前者的准确率显著高于后者（93.9%vs.89.6%）。Peh 等［17］比较手术导航系统辅助置钉与徒手置钉在胸腰椎椎弓根螺钉置入中的临床准确性，发现手术导航系统辅助置钉的准确度为94%，而徒手置钉的准确度为88%。Vardiman等［18］回顾性分析了56 例手术机器人辅助置钉的患者（共348 枚螺钉），临床置钉准确率为97.4%。Han 等［19］在一项前瞻性随机对照临床试验中，分析比较了共1 116 枚螺钉的234 例患者（115 例手术机器人辅助置钉，119 例徒手置钉），手术机器人辅助置钉的准确率为98.7%，徒手置钉的准确率为93.5%。AR 导航技术改善临床置钉准确性已经得到大量验证，但将其应用于椎弓根螺钉的置钉培训仍鲜有报道。

通过AR 导航技术，学习者既能体会正确置钉的钉道轨迹，又能熟悉置钉过程中的不同进钉深度的毗邻结构，这对于初学者把握置钉方向，掌握置钉技巧和建立操作自信具有极大的帮助。本研究结果显示，AR 组的医师在置钉准确性上优于传统组，说明AR 导航技术用于椎弓根螺钉置钉培训可以获得较为良好的教学效果。此外，本研究中AR 组的置钉时间短于传统组，术中透视次数少于传统组，这或许是由于在AR 导航技术辅助下训练，学习者能够清晰地认识到自己操作中进钉角度以及深度，在不断纠正错误操作动作的同时，也会了解错误置钉的可能位置。在熟练掌握局部解剖的基础上，能够通过X 线透视对钉道进行准确调整，从而缩短整体的置钉时间和术中透视次数。

综上所述，与传统椎弓根螺钉内固定术的教学方法相比，通过AR 导航技术辅助培训规培医师，学习者能够在学习过程中清晰直观地观察进钉点、进钉角度以及钉道路径，在导航指引下钉道轨迹得以不断纠正，同时对于周围毗邻结构的认识和错误置钉位置的调整有着更为有效的教学效果。AR 导航技术能够提高脊柱外科规培医师椎弓根螺钉内固定术的培训效果，提高置钉准确率，缩短置钉时间，具有较好的应用前景。