扩展现实技术在骨科手术中的应用研究进展

侯 洋，刘孝文，赵天翌，史国栋

海军军医大学长征医院骨科，上海 200003

扩展现实（XR）技术是一种将现实世界与虚拟信息结合的技术，包括增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）等。与传统的计算机技术不同，XR 可以创建一个虚拟环境或将虚拟元素添加到现实环境中，从而为用户提供全新的沉浸式体验。AR 是一种在现实环境中叠加虚拟图像或信息的技术，可通过智能手机、平板电脑、AR 眼镜等设备观察到增强后的现实场景［1-2］；VR 是一种完全沉浸式的技术，使用头戴式显示器等设备让用户进入一个虚拟环境中，并与虚拟世界互动［3-6］；MR 则是将现实环境与虚拟元素结合在一起，让用户在现实世界中与虚拟元素互动［7-9］。XR技术使用计算机图形学和视觉技术生成虚拟内容，虚拟内容可以是2D或3D模型、视频、文本或其他交互元素，可以根据用户的位置和姿态进行实时的渲染和叠加，与真实世界进行交互［10-11］。XR 技术使用各种显示设备来呈现虚拟内容，包括智能手机、平板电脑、AR 眼镜、头戴式显示器等。显示设备将虚拟内容叠加到用户的视野中，使用户能够同时看到虚拟内容和真实环境［8］。XR 技术在各个领域均有广泛的应用，包括娱乐、教育、医疗、制造业、建筑和军事等。在医疗领域，XR 可以提高手术的准确性和安全性，提供更好的医学教育和培训方式，改善医患沟通等［12］。

骨科手术需要医师具备高度的专业知识和丰富的手术经验。然而，骨科手术仍面临着各种挑战，如手术难度大、手术风险高等。随着现代科技的发展，XR 技术开始逐渐应用于骨科手术教学中，为医师和患者提供更加安全、精准、个性化的手术方案和康复方案。通过查阅相关文献，本文对XR 技术在骨科手术规划、手术实践、手术教学、术后康复训练和应用前景等方面展开分析，综述如下。

1 手术规划

Zawy Alsofy 等［13］评估了VR 技术在单节段单侧骨性颈神经孔狭窄患者的手术规划和术后评估中的潜在影响，结果表明，将颈椎的2D CT 图像重建为3D 图像，利用VR 模型进行空间和解剖重建，可以帮助医师规划手术方法和治疗策略，并评估其术后效果。De Salvatore 等［14］选取了60 例青少年特发性脊柱侧凸（AIS）患者，分别采用传统的2D CT 图像的屏幕可视化（对照组）和利用Google Cardboard进行3D 解剖模型的交互式探索的VR（VR 组）进行预操作规划，比较2 组手术时间、术中出血量、住院时间及手术医师满意度，结果显示，VR 组手术时间和术中出血量显著降低，手术医师满意度更高。Courvoisier 等［15］对AIS 患者进行术前和术后双平面低剂量X 线片拍摄，生成脊柱的数字化3D 模型，然后对模型进行3D 打印，以模拟脊柱手术。该方法可用于脊柱侧凸手术的VR 培训，包括使用3D 打印模型测试手术器械和置入物。Handels 等［16］采用VR技术进行髋关节手术术前规划，用于模拟骨肿瘤手术中的髋关节重建，生成3D 图像帮助外科医师在术前确定假体位置和形状，通过CT 和MRI 数据的配准和分割，在3D 可视化环境中生成肿瘤在骨内的图像，以支持医师在规划过程中的决策；该虚拟手术规划环境还可构造个体化的假体，而无须生成昂贵的实体3D 模型，3D 图像和数字影像还可用于记录患者信息。Archavlis 等［17］采用VR 技术对7 例（2例不稳定爆裂骨折，5例转移性破坏性椎体病变）患者进行经椎弓根椎体切除术的术前规划，术前经VR 规划，所有置入物均置于最佳位置，且无神经并发症；表明3D 虚拟解剖模型有助于术前规划，可提高手术安全性。高润子等［18］采用VR 技术辅助经股骨颈基底部旋转截骨术治疗股骨头坏死，术前采用VR 技术进行术前规划，术中按照术前规划进行旋转截骨，结果显示疗效满意，术后切口均Ⅰ期愈合，均达到VR 术前规划的旋转角度，随访时Harris评分明显提高，髋关节评分优良率为72.7%，表明VR 技术进行术前规划有较高的应用价值。

骨科手术前，医师需要对患者进行全面的检查和详细的评估，并根据患者的具体情况制订手术方案。传统的手术评估方式主要依赖于医师的经验和手感，容易受到人为因素的影响。XR 技术可以帮助医师更加准确地评估患者情况，为手术方案制订提供更加科学的决策。XR 技术采用患者的CT 和MRI影像数据创建脊柱3D 模型并模拟手术操作过程，医师通过观察手术区域的3D 结构，识别潜在的手术风险和困难，可制订详细的手术计划。

2 手术实践

Felix 等［19］采用AR 技术作为脊柱手术的导航工具，在7 具脊柱标本上置入124 枚螺钉；AR 技术通过预先计划的虚拟路径置钉，采用术前dicom 数据和光学标记点进行导航，医师通过HoloLens 2 头戴式显示器查看带有快速响应码的打印链接，通过语音命令定位并操作螺钉，结果表明，AR 技术置钉具有高度准确性，可以减少透视次数、缩短手术时间、提高手术成功率。Wang 等［20］采用一种基于AR技术的手术导航系统，用于改进经典的股骨头坏死髓内减压手术，结果表明，手术导航系统可实时显示手术区域解剖结构，并在手术视频中渲染术前影像和虚拟针头，从而指导医师准确插入导针至目标病灶区域，最小化周围组织的损伤；与传统手术相比，定位和荧光成像的效率大大提高，穿刺的准确性也得到了保证。Cho 等［21］通过动物模型研究亦证实AR 技术导航骨肿瘤切除的准确性较传统方法显著提高。Befrui 等［22］开发了一种不需要红外追踪标记的AR 可视化外科导航系统，该系统使用红绿蓝深度（RGBD）摄像机，为骨折治疗提供了灵活且直观的可视化效果，不需要红外追踪标记，使外科医师能够更快地完成手术并减少医患的辐射暴露。Spirig 等［23］使用AR 技术进行椎弓根螺钉置入的尸体实验，结果表明，AR 导航组（平均进钉点差异为5.99 mm，平均轨迹偏差为5.88°）较传统手法置入组（平均进钉点差异为4.74 mm，平均轨迹偏差为11.21°）具有更高的轨迹精度。Guo 等［24］将AR 技术用于后路微创手术治疗肩胛骨骨折，发现AR 技术能够提供精确的术前计划和术中导航，显著减少手术时间和出血量。Tsukada 等［25］评估了在全膝关节置换术（TKA）中使用AR 导航提高股骨远端切除准确性的可行性和有效性，结果表明，与传统髓内引导器相比，AR 导航在实验和临床环境中都能获得更准确的切除角度，冠状位对齐的平均绝对误差值更小。

在骨科手术中，医师需要通过手术器械进行修复和重建，传统的手术方式存在学习时间长、手术风险高、术后恢复慢等问题。XR技术可以帮助医师更加精准地进行手术，提高手术成功率和康复质量。XR技术使用追踪设备将患者手术部位的3D 模型与实际手术操作场景对齐，有助于医师更精确地定位手术器械和手术区域，减少手术风险和误差。

3 手术教学

本团队以往的研究［26-28］中，将VR 技术用于住院医师脊柱椎弓根螺钉置入技术的培训，通过CT扫描评价VR 培训组和传统教学组在尸体标本上椎弓根螺钉置入的准确率，结果表明，VR 培训组螺钉置入准确率较传统教学组高、学习周期短，显示出更好的教学效果。Palet 等［29］评估了膝关节镜VR模拟器的有效性，结果表明，VR 模拟器使住院医师能够在更安全的环境中练习手术技术，从而减少实际手术时的风险和局限性。Lohre 等［30］的肩关节置换模拟仿真研究表明，VR 技术的逼真程度更高，教学效果和技术评分均优于传统学习方法，能够有效教授复杂的手术技巧，且学习时间缩短570%。Blumstein等［31］比较了VR技术和《标准化指南》（SG）培训在骨科手术技术学习上的效果，结果表明，VR组的医学生在模拟胫骨内固定手术中表现更好，步骤正确率也显著高于SG 组。Sugand 等［32］采用VR模拟器对未熟悉动态髋部螺钉（DHS）导丝插入的本科医学生进行培训，结果显示，VR 组在所有训练指标上均有显著改进，而对照组无显著变化；证实VR 系统的使用提供了额外的临床训练机会，具有推广应用潜力。Logishetty 等［33］研究了AR 是否能够提高关节置换术中放置髋臼假体的准确性，结果表明，AR 组的医学生在所有培训课程中的方向定位误差比传统教学组小。余可谊等［34］探索了MR 技术在经皮经椎间孔入路腰椎椎间盘切除术临床教学中的应用。结果显示，MR 组在学习的主动性、趣味性和3D立体想象力等方面具有显著优势，但2组学生在对知识的掌握程度上无明显差异；研究认为，MR 技术在医学教学中应用潜力巨大、前景广阔，可提高医学教学的形象化、交互性和空间感。

XR 技术用于复杂的脊柱手术培训，医师通过VR 和AR 技术，在真实的手术场景中进行实践，可有效提高医师的手术操作技能。

4 术后康复训练

Wang 等［35］研究了66 例接受择期骨科手术的患者，并根据其意愿将其随机分配到传统训练组和AR 组，AR 组通过AR 应用程序进行呼吸、肌力和步行等方面的康复训练，结果表明，AR 组的吸气流速高于传统训练组，且AR 组的可行性（自信水平和焦虑减轻）和效力（合作和宣教效果）均优于传统训练组。Abbas 等［36］对下肢截肢患者的康复运动进行研究，发现VR 技术可用于改善单侧创伤性下肢截肢者的平衡和步态问题。Prvu Bettger 等［37］采用VR 技术物理治疗TKA 术后的患者，结果显示，与传统物理治疗组比较，VR 组的医疗费用低、住院次数少；同时，VR 组的效果与传统物理治疗组相当。Chughtai 等［38］探索了VR 技术在TKA 或单半侧膝关节置换术（UKA）患者康复中的应用，结果显示，基于VR 技术的康复平台能够有效改善患者的各项功能评分，可鼓励医患互动，在家监测，节约成本。Hong 等［4］对1 例接受TKA 治疗的中年女性患者进行VR训练，结果表明，患者的肌肉力量、本体感觉、平衡和步态能力均显著改善。

XR 技术在术后康复方面具有以下优势。①帮助患者进行关节活动、肌肉锻炼等康复训练。②提供各种平衡训练的虚拟场景，如走在不平整的地面上、穿越障碍物等，以帮助患者恢复平衡能力，减轻术后疼痛。③实时视觉反馈可帮助患者更好地了解自己的姿势和运动情况，以及时调整姿态，更好地进行康复训练。

5 结语与展望

随着XR 技术的不断发展，其在骨科手术中的应用前景广阔。除了前述XR 技术在骨科的常见应用外，还可用于向患者展示手术操作的过程和结果，有助于患者更好地理解手术的必要性和风险，从而增强其治疗的信心和配合度。窦超超等［39］探讨了MR 技术在股骨粗隆间骨折手术中的应用，结果表明，MR 技术可高清显示重建模型，方便医患之间的沟通交流，还可简化手术步骤，减少术中透视次数，缩短手术时间，提高手术效率。马筱［40］选取128 例髋关节置换术患者，随机分为对照组和实验组，对照组采用常规健康宣教方式，实验组在常规健康宣教方式基础上增加基于VR 技术的健康宣教方式，结果显示，基于VR 技术的健康宣教可缩短患者住院时间、提高护理满意度，同时降低术后并发症发生率。

未来，XR 技术将会在以下几个方面发挥更大的作用。①提高手术培训的效率和效果。直观地观察患者的手术部位情况并进行手术模拟和规划；实现手术的实时影像引导，为医师提供更加全面和准确的手术信息。②与人工智能结合，实现手术的自动化和智能化。例如，通过人工智能技术分析患者的影像数据进行手术方案制订和风险评估，并在XR 虚拟环境中进行手术模拟和规划；使用智能手术器械和机器人手术系统，通过XR 技术进行手术操作。③提高患者参与度和治疗效果。医师可通过XR 技术向患者展示手术方案，提高患者的参与度和治疗效果。