魏磊鑫，高陽(yáng)

·醫(yī)學(xué)教育·

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

魏磊鑫1，高陽(yáng)2

1.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬上海長(zhǎng)征醫(yī)院脊柱外科，上海 200003；2.解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心骨科醫(yī)學(xué)部，北京 100048

現(xiàn)階段脊柱外科手術(shù)教學(xué)存在培訓(xùn)周期長(zhǎng)、操作機(jī)會(huì)少及教學(xué)資源匱乏等諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，不利于年輕醫(yī)生的順利成長(zhǎng)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因其沉浸性、交互性及構(gòu)想性等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)外科手術(shù)教學(xué)的不足。鑒于目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用鮮見(jiàn)報(bào)道，本文就該技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中的可行性及優(yōu)越性作一論述，并提出具體可操作的教學(xué)方案，供臨床教學(xué)工作者參考。

虛擬現(xiàn)實(shí)；脊柱外科；手術(shù)教學(xué)；教學(xué)改革

脊柱外科是一門(mén)專(zhuān)業(yè)性及實(shí)踐性很強(qiáng)的臨床專(zhuān)科，主要涉及脊柱和脊髓的相關(guān)疾病，包括脊柱退變性疾病、脊柱外傷性疾病和脊柱發(fā)育性疾病等[1]。隨著我國(guó)人口老齡化及人們工作生活方式的改變，脊柱疾病的發(fā)病率逐年增加且發(fā)病年齡呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)。目前，因脊柱疾病需手術(shù)治療的患者越來(lái)越多，但脊柱、脊髓解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能重要，手術(shù)難度大，對(duì)脊柱外科醫(yī)生的手術(shù)操作要求極高，脊柱外科醫(yī)生需要大量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的手術(shù)訓(xùn)練才能保證脊柱手術(shù)順利進(jìn)行。傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)教學(xué)以師帶徒方式為主，不能滿(mǎn)足低年資醫(yī)生的手術(shù)訓(xùn)練量[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，通過(guò)大量運(yùn)算生成高度逼真的虛擬三維場(chǎng)景，用戶(hù)借助特定的交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)及運(yùn)動(dòng)覺(jué)等方面感知虛擬場(chǎng)景中的事物，并與之進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)及相關(guān)操作。因VR技術(shù)具備沉浸性、交互性和構(gòu)想性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在婦產(chǎn)科、神經(jīng)外科、心血管外科、關(guān)節(jié)外科的臨床教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[3-8]。VR技術(shù)可將復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)可視化，并通過(guò)虛擬交互系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)操作訓(xùn)練。目前，VR技術(shù)雖已在脊柱外科手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，但其在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用還鮮見(jiàn)報(bào)道。因此本文著重分析VR技術(shù)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)的可行性，并初步設(shè)計(jì)詳細(xì)的教學(xué)方案。

1 脊柱外科手術(shù)教學(xué)的現(xiàn)狀

手術(shù)教學(xué)一直是脊柱外科臨床教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，脊柱外科醫(yī)生的成長(zhǎng)周期相對(duì)較長(zhǎng)，不僅需要掌握脊柱相關(guān)疾病的病理生理知識(shí)及復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，還要通過(guò)大量的手術(shù)操作訓(xùn)練來(lái)積累手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。然而，傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)教學(xué)方式是師徒帶教模式，即“看一、做一、學(xué)一”的教學(xué)方式。這種教學(xué)方式高度依賴(lài)于帶教老師診治脊柱疾病的頻率和帶教老師的手術(shù)水平，低年資醫(yī)生很難進(jìn)行脊柱手術(shù)的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練；且術(shù)中進(jìn)行手術(shù)教學(xué)會(huì)分散術(shù)者的精力，這在一定程度上可增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致患者出現(xiàn)不同程度潛在損傷的可能[9]。

目前，尸體標(biāo)本手術(shù)訓(xùn)練仍是學(xué)習(xí)脊柱外科手術(shù)操作的最佳替代方式[10]。低年資醫(yī)生通過(guò)尸體標(biāo)本能直觀(guān)辨認(rèn)脊柱手術(shù)部位的具體解剖結(jié)構(gòu)及層次，且在尸體標(biāo)本上進(jìn)行手術(shù)操作觸覺(jué)反饋真實(shí)。然而，當(dāng)前尸體標(biāo)本資源緊缺，低年資醫(yī)生反復(fù)學(xué)習(xí)及訓(xùn)練手術(shù)操作的機(jī)會(huì)相對(duì)較少，且尸體標(biāo)本存在傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)和潛在的倫理問(wèn)題。因此，傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)教學(xué)方式存在學(xué)習(xí)時(shí)空受限、實(shí)操機(jī)會(huì)匱乏等諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，已難以滿(mǎn)足低年資醫(yī)生的手術(shù)學(xué)習(xí)需求。臨床上脊柱外科手術(shù)量的增加迫切需要低年資醫(yī)生快速成長(zhǎng)為具備手術(shù)能力的合格脊柱外科醫(yī)生，所以脊柱外科手術(shù)教學(xué)方法與技術(shù)手段的改革已成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2 VR技術(shù)在脊柱外科手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)科學(xué)家Ivan Sutherland首次提出VR技術(shù)，并在1966年成功開(kāi)發(fā)出首款頭戴式設(shè)備“Sutherland”，為VR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[11]。目前，VR技術(shù)已在臨床脊柱外科手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，具體如下。

2.1 VR技術(shù)在椎弓根螺釘置入中的應(yīng)用現(xiàn)狀

椎弓根螺釘置入技術(shù)已在脊柱各類(lèi)手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。椎弓根螺釘置入是否成功在一定程度上決定患者的術(shù)后療效及融合率，置釘失敗會(huì)給患者帶來(lái)嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥。頸椎和胸椎的椎弓根橫徑比腰椎小，椎管直徑也相對(duì)狹窄，其椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確率較低。Inoue等[12]發(fā)現(xiàn)在使用C臂機(jī)透視的情況下，頸胸椎椎弓根螺釘?shù)闹冕敎?zhǔn)確率為78.1%，置釘失敗的風(fēng)險(xiǎn)較高。為提高置釘準(zhǔn)確率，Hou等[13]采用VR技術(shù)訓(xùn)練后，胸椎椎弓根螺釘置釘準(zhǔn)確率明顯提高，螺釘穿透椎弓根的發(fā)生率僅7.14%。此外，采用VR技術(shù)訓(xùn)練后，螺釘穿透椎弓根的距離也遠(yuǎn)小于對(duì)照組（1.23mm. 2.37mm）。Gasco等[14]采用VR模擬系統(tǒng)進(jìn)行腰椎椎弓根螺釘置釘訓(xùn)練后，其置釘?shù)氖д`率顯著降低。

2.2 VR技術(shù)在頸椎手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

頸椎手術(shù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于胸腰椎手術(shù)，因此，頸椎手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)更長(zhǎng)，需要經(jīng)過(guò)大量的手術(shù)訓(xùn)練才能確保頸椎手術(shù)的順利完成。VR技術(shù)具有可在虛擬空間內(nèi)反復(fù)進(jìn)行手術(shù)操作訓(xùn)練、對(duì)患者無(wú)害及手術(shù)容錯(cuò)率較高的優(yōu)點(diǎn)，已在頸椎手術(shù)中得到一定應(yīng)用。Kiper等[15]將VR技術(shù)用于頸椎影像學(xué)指標(biāo)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)VR技術(shù)可更精確地測(cè)量頸椎的旋轉(zhuǎn)、屈曲及伸展角度指標(biāo)，為手術(shù)方案的制定提供參考依據(jù)。最近，Santos-Paz等[16]利用VR技術(shù)自動(dòng)測(cè)量頸椎活動(dòng)度，該系統(tǒng)的可用性評(píng)分高達(dá)86分，表明VR技術(shù)可準(zhǔn)確高效地自動(dòng)測(cè)量頸椎活動(dòng)度。另外，Zammar等[17]開(kāi)發(fā)頸椎后路手術(shù)的VR訓(xùn)練系統(tǒng)，29名醫(yī)生經(jīng)訓(xùn)練后頸椎后路手術(shù)的理論知識(shí)和手術(shù)水平均得到顯著提升。

2.3 VR技術(shù)在脊柱畸形手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

脊柱畸形患者由于先天性或后天性脊柱結(jié)構(gòu)異常，單純的后路釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定難以達(dá)到良好的手術(shù)效果，往往需要進(jìn)行脊柱相關(guān)骨性結(jié)構(gòu)的截骨矯形手術(shù)。然而，該手術(shù)復(fù)雜程度高且風(fēng)險(xiǎn)大，是脊柱外科醫(yī)生面臨的巨大挑戰(zhàn)。術(shù)前病情評(píng)估及手術(shù)規(guī)劃尤為重要。姚欣強(qiáng)等[18]將VR技術(shù)應(yīng)用于脊柱截骨矯形手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃中，術(shù)前將6例脊柱畸形患者的三維CT圖像導(dǎo)入VR平臺(tái)中生成三維立體模型，并采用虛擬截骨工具進(jìn)行截骨，最后根據(jù)自動(dòng)生成的截骨后脊柱模型挑選最合適的截骨方式。研究發(fā)現(xiàn)術(shù)前采用VR技術(shù)進(jìn)行虛擬模擬截骨后，患者的手術(shù)時(shí)間及出血量均明顯減少，而側(cè)凸及后凸的矯正率均得到顯著提高。近期，De Salvatore等[19]構(gòu)建青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者的三維VR解剖系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)進(jìn)行截骨矯形手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)利用該VR系統(tǒng)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃后，患者的手術(shù)時(shí)間及出血量均明顯減少，且患者的住院時(shí)間也明顯縮短。上述研究均表明將VR技術(shù)用于脊柱截骨矯形手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃可顯著提高患者的術(shù)后療效及縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間。

3 VR技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中的可行性

3.1 VR技術(shù)輔助脊柱外科手術(shù)教學(xué)的方案

如前所述，VR技術(shù)在脊柱外科手術(shù)中已得到廣泛應(yīng)用，但VR技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。本團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)發(fā)基于VR技術(shù)的脊柱外科手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能逼真地模擬脊柱手術(shù)操作時(shí)的力度，并通過(guò)3D眼鏡實(shí)現(xiàn)手術(shù)訓(xùn)練中視覺(jué)與觸覺(jué)的交互體驗(yàn)，為VR技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

選取脊柱退變性疾病且需要手術(shù)治療的患者，所有患者術(shù)前進(jìn)行CT和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查，以明確病變部位的解剖結(jié)構(gòu)和病情程度。將患者的CT和MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中構(gòu)建脊柱的三維模型，對(duì)該脊柱模型進(jìn)行3D分割操作并導(dǎo)入基于VR技術(shù)的脊柱外科手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。受訓(xùn)醫(yī)生通過(guò)3D眼鏡及操作手柄實(shí)現(xiàn)切割、置釘?shù)瘸Ｒ?guī)的脊柱外科手術(shù)操作。

本教學(xué)方案適用于研究生和參加住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的低年資醫(yī)生的臨床手術(shù)教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容包括理論知識(shí)和手術(shù)操作。理論知識(shí)包括脊柱解剖、常見(jiàn)脊柱疾病、脊柱手術(shù)方法和適應(yīng)證等；帶教老師隨后在VR訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行脊柱手術(shù)的演示講解，學(xué)生同步觀(guān)看病變部位和術(shù)者的手術(shù)操作。然后由學(xué)生在VR訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行脊柱手術(shù)操作，帶教老師根據(jù)學(xué)生訓(xùn)練情況進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)。教學(xué)完畢后向?qū)W生發(fā)放基于Likert量表的調(diào)查問(wèn)卷，問(wèn)卷內(nèi)容主要包括學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、手術(shù)操作能力、自主學(xué)習(xí)能力、臨床思維能力和課程滿(mǎn)意度。最終根據(jù)教學(xué)反饋進(jìn)一步改進(jìn)和完善VR教學(xué)方案。

北京協(xié)和醫(yī)院開(kāi)展的一項(xiàng)外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)需求的調(diào)查結(jié)果顯示，外科住院醫(yī)師對(duì)常見(jiàn)外科疾病的臨床技能需求最多，普遍反映需要更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)[20]。因此，筆者對(duì)在本科室輪轉(zhuǎn)的規(guī)范化培訓(xùn)住院醫(yī)師進(jìn)行VR手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的初步試用，學(xué)員們?cè)赩R系統(tǒng)中能清晰直觀(guān)地從各個(gè)角度觀(guān)察脊柱、脊髓的解剖結(jié)構(gòu)及其毗鄰組織，并通過(guò)操作器對(duì)脊柱進(jìn)行置釘?shù)仁中g(shù)操作，手術(shù)操作的力學(xué)反饋真實(shí)，學(xué)員試用反饋良好，為接下來(lái)在低年資醫(yī)生中進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 VR技術(shù)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

3.2.1 利用VR技術(shù)進(jìn)行充分的術(shù)前評(píng)估 術(shù)前評(píng)估是脊柱外科手術(shù)教學(xué)的首要環(huán)節(jié)，術(shù)前評(píng)估在很大程度上決定患者下一步的手術(shù)方案，是提高患者術(shù)后療效的必要保證。目前，傳統(tǒng)的術(shù)前評(píng)估主要依賴(lài)患者的臨床癥狀、體征和影像學(xué)資料，其中影像學(xué)資料是判斷脊柱病變部位及嚴(yán)重程度的重要手段。X線(xiàn)、CT和MRI資料均為二維圖像，醫(yī)生往往需要結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)才能粗略判斷病灶的大小及范圍。而低年資醫(yī)生對(duì)脊柱及其周?chē)M織的解剖結(jié)構(gòu)不夠了解，缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)，僅通過(guò)二維圖像判斷病情的準(zhǔn)確性較差。VR技術(shù)可將患者的術(shù)前影像學(xué)資料導(dǎo)入操作系統(tǒng)生成可視化的三維脊柱模型，并通過(guò)頭戴式顯示器及控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)脊柱三維模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)及切割等操作，方便低年資醫(yī)生全方位分析病變部位特點(diǎn)及周?chē)馄逝応P(guān)系，在術(shù)前充分評(píng)估患者病情。

3.2.2 利用VR技術(shù)確定最佳手術(shù)方案 手術(shù)方案的選擇是脊柱外科手術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定患者的術(shù)后療效及康復(fù)周期。術(shù)前通過(guò)基于VR技術(shù)的脊柱外科手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)手術(shù)中涉及的重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記，然后在VR環(huán)境中虛擬暴露手術(shù)視野，對(duì)脊柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行手術(shù)操作，以明確病變部位與周?chē)M織的解剖關(guān)系，進(jìn)而選擇最佳手術(shù)方案。如脊髓型頸椎病，可在虛擬環(huán)境中分別模擬頸椎前路和后路等不同的手術(shù)路徑，比較不同手術(shù)路徑的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而確定對(duì)患者最有利的手術(shù)方案。

3.2.3 利用VR技術(shù)反復(fù)訓(xùn)練手術(shù)操作 手術(shù)操作一直是脊柱外科手術(shù)教學(xué)的難點(diǎn)。脊柱毗鄰重要神經(jīng)和血管，低年資醫(yī)生學(xué)習(xí)手術(shù)操作的難度和風(fēng)險(xiǎn)極大。而傳統(tǒng)的手術(shù)教學(xué)方式手術(shù)訓(xùn)練時(shí)間短、訓(xùn)練機(jī)會(huì)有限、手術(shù)技術(shù)從熟悉到熟練的過(guò)程漫長(zhǎng)。VR技術(shù)可構(gòu)建逼真的三維脊柱解剖模型，并通過(guò)操作手柄及VR眼鏡實(shí)現(xiàn)眼手同步的手術(shù)操作訓(xùn)練，如椎弓根螺釘置入、側(cè)塊螺釘置入和經(jīng)皮椎體成形術(shù)等。相較于傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)方式，基于VR技術(shù)的手術(shù)教學(xué)不受時(shí)間、地點(diǎn)及次數(shù)的限制，為低年資醫(yī)生提供更高效的手術(shù)訓(xùn)練方式，且可根據(jù)個(gè)人手術(shù)需求制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練手術(shù)操作以提高手術(shù)熟練度及降低手術(shù)失誤率。因此，VR技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)上有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 VR技術(shù)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)的不足與改進(jìn)

盡管VR技術(shù)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)有諸多優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段VR技術(shù)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)仍存在以下不足：①VR技術(shù)研發(fā)成本較高，盡管目前VR設(shè)備的價(jià)格呈下降趨勢(shì)，但課程設(shè)計(jì)、脊柱模型的建立及優(yōu)化都需要大量人力物力的支持。②盡管VR技術(shù)能構(gòu)建脊柱的三維模型，然而受制于CT和MRI影像資料，脊柱三維模型及其毗鄰組織結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度還存在一定誤差，導(dǎo)致脊柱三維模型存在失真的問(wèn)題。③目前市面上的VR穿戴設(shè)備眾多，不同設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同，部分設(shè)備使用時(shí)出現(xiàn)眩暈感等不適，因此挑選合適的VR穿戴設(shè)備也需要消耗大量時(shí)間和精力。④盡管力反饋系統(tǒng)在一定程度上可模擬真實(shí)手術(shù)操作的手感，但虛擬手術(shù)操作與真實(shí)手術(shù)仍存在差距，可能會(huì)導(dǎo)致手術(shù)訓(xùn)練與現(xiàn)實(shí)手術(shù)脫節(jié)。因此，現(xiàn)階段還需要進(jìn)一步提升VR技術(shù)與力反饋系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)脊柱手術(shù)的操作步驟與力學(xué)手感反饋。

4 總結(jié)與展望

脊柱外科是一門(mén)解剖依賴(lài)性和實(shí)踐性要求極高的臨床學(xué)科，加之外科手術(shù)操作的高風(fēng)險(xiǎn)性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的外科手術(shù)教學(xué)方式面臨著巨大挑戰(zhàn)。VR技術(shù)因其沉浸性、交互性及構(gòu)想性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已在神經(jīng)外科、心外科及婦產(chǎn)科的手術(shù)教學(xué)中得到初步應(yīng)用，并取得良好教學(xué)效果。相信VR技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學(xué)中也能發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)方式的不足，進(jìn)一步提高脊柱外科手術(shù)教學(xué)質(zhì)量，幫助脊柱外科低年資醫(yī)生快速成長(zhǎng)。

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R192

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.19.025

中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目（2020T130775）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（2020M673673）

高陽(yáng)，電子信箱：gaoyangspine@qq.com