混合現實技術在人工股骨頭置換中的應用初探*

周玉虎，王建吉，李慶軍，楊龍 ，鄒強 ，舒莉萍，葉川**

(1.貴州醫科大學附屬醫院 骨科，貴州 貴陽 550004；2.貴州醫科大學 細胞工程生物醫藥技術國家地方聯合工程實驗室，貴州 貴陽 550004)

老年股骨頸骨折發病率約10%，占股骨近端骨折的53%以上[1]，而移位性股骨頸骨折后股骨頭壞死率高達78%[2-3]，因此認為若無絕對禁忌,股骨頸骨折常采取手術治療[4-6]。精準安放假體是股骨頸骨折手術成功的關鍵，假體角度不當容易引起關節脫位、假體磨損、撞擊、髖部疼痛和功能受限等問題[7-8]，同時微創人工股骨頭置換術有助于患者術后快速康復，減少并發癥[9-12]，因此如何快速、準確和微創的放置假體、減少并發癥是骨科醫師一直關注的問題。由于老年人工股骨頭置換標本短缺、成本昂貴等因素，導致微創人工股骨頭置換術的教學成本昂貴，延長了年輕醫生的學習培訓周期，而一個培訓合格的醫師對有效降低人工股骨頭置換術并發癥是至關重要[13-14]。數字醫學作為一門新興學科近年來獲得飛速發展，其中混合現實技術(mixed reality, MR)是一項革命性的數字全息影像技術，它在空間中投射三維圖像，觀看者可從不同的角度、甚至進入影像內部進行層次化觀察，使手術方案更詳細，醫患溝通更暢通，手術更精準，是一種可視化的手術模式[15-18]。國內外已有MR在外科領域的報道，但未見在髖關節人工股骨頭置換方面的研究，本研究將MR導航下的股骨頭置換與傳統方案進行對比，觀察這一突破性影像導航技術的價值和特點。

1 資料與方法

1.1一般資料

選取2017年9月—2018年10月收治的20例需行人工股骨頭置換術且同意手術的高齡股骨頸骨折患者，患者隨機均分為MR技術輔助組(A組)和常規手術組(B組)。A組：男6例、女4例，年齡65～92歲、平均(77.1±7.51)歲，Garden分型Ⅲ型5例、Ⅳ型5例。B組：男5例、女5例，年齡66～89歲、平均(77.1±7.35)歲，Garden分型Ⅲ型4例、Ⅳ型6例。2組患者均為行走時摔傷，一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)；術前檢查2組患者無絕對手術禁忌，本研究獲得本院醫學倫理委員會批準，患者或家屬簽字同意進入研究。

1.2方法

1.2.1檢查方法 每例患者仰臥位、行128排螺旋CT(德國西門子公司)掃描，設置如下:電壓120 kV，電流250 mA，切片厚度0.625 mm，掃描范圍從雙側髂骨近端開始至股骨遠端，以雙側髖關節為中心選擇合適的掃描范圍，生成原始影像數據。

1.2.2三維模型重構 將股骨頸骨折DICOM格式的影像數據輸入Mimics 10.01軟件進行區域生長及基于閾值的圖像分割；將掩蔽的原始層仔細修補，以最優質量計算出STL格式的三維模型；通過軟件與算法進行定位、渲染、調整參數、設定模型功能，進行高維態顯示處理，把模型載入MR設備(HoloLens, Microsoft Corporation, USA)，實現對感興趣區皮膚、骨骼等組織采用不同顏色標記(圖1)。

1.2.3混合現實顯示 將獲得的三維模型載入到MR設備中，實現基于MR的手術規劃、醫患溝通，提高手術精準度和溝通效率流程(圖2)。

注：A示有皮膚無假體模型，B示無皮膚有假體模型，C示有皮膚及有假體模型。

1.2.4手術過程 患者全麻或(和)神經阻滯麻醉后側臥位，A組根據術前MR模型預定手術方案，術者佩戴MR影像系統(圖3)匹配虛擬影像和實際解剖標志，在MR影像導航下，以大轉子為中心取后外側切口，切開皮膚及筋膜，暴露闊筋膜、臀大肌，切斷外旋肌群大轉子止點，切開關節囊，取出股骨頭，于小轉子上1.0～1.5 cm處修整殘頸，髖關節屈曲內收內旋、暴露股骨近端、擴髓，繼續在MR影像導航下置入尺寸匹配的股骨柄假體(Corail, Depuy Synthes, France)和雙極股骨頭(Self-CenteringTMBipolar, Depuy Synthes, France)，活動無脫位、關節腔內置負壓引流后逐層縫合；B組診療過程中未采用MR模型輔助，余手術方式、假體及手術醫生均與A組完全一致。

圖2 MR三維模型流程

注：A為術前MR設備穿戴，B為MR模型匹配，C為MR模型導航手術。

1.3觀察指標

記錄2組患者的手術時間、切口長度及術中出血量；術后出院時、1個月及6個月時髖關節Harris評分[19];分別調查醫患對MR模型的滿意度評分[20-22]。

1.4統計學方法

2 結果

2.1醫患溝通與手術規劃

A組通過上述處理獲得患側髖關節不同方位的MR模型和假體預置顯示圖(圖4)。醫患直面MR三維重構模型，講解手術方案，患者及家屬對疾病診治充分理解，增加患者手術及術后康復鍛煉的信心，有效緩解醫患關系。通過個性化MR模型熟悉解剖結構，輔助術者模擬手術方案及評估風險，預知假體型號、置入及處理措施，提高醫生手術的效率及成功率，術前反復模擬及培訓，有效提高年輕醫生的實踐能力。B組根據影像資料進行常規醫患溝通及制定手術方案。

2.2評價指標

2.2.1手術時間、切口長度及術中出血量 結果顯示，A組患者的手術切口較B組縮短，差異有統計學意義(P< 0.05)；2組患者的手術時間、術中出血量比較，差異無統計學意義(P>0.05)。見表1。

注：一位右側股骨頸骨折患者的MR模型圖(A、B示骨盆正位/側位X線片，C示骨折CT橫段面，D、G示骨盆后位無/有假體模型，E、H示股骨側位無/有假體模型，F、I示骨盆正位無/有假體模型)。

表1 2組患者手術時間、切口長度及術中出血量

2.2.2術后髖關節Harris評分 統計2組患者出院、術后1月及6月時髖關節Harris評分，結果顯示出院時Harris評分A組高于B組，差異有統計學意義(P<0.05)；術后1月及6月時，髖關節Harris評分，2組比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 2組患者髖關節Harris評分

2.2.3滿意度調查 根據臨床需求設計了醫生問卷表和患者問卷表，調查醫生和患者對MR模型的滿意度(表3、表4)，醫生問卷表包括5個問題，患者問卷表包括4個問題，每個問題采用10分制，1分表示無用/非常差/逼真度差，10分表示有用/非常好/逼真度高。術前3位骨科醫生根據MR模型制定手術方案及模擬手術，術后評估MR模型的逼真度和手術效果，填寫醫生問卷調查表。A組患者或家屬通過MR模型溝通病情后立即對MR模型滿意度評分。結果顯示：醫患對MR模型評分均較高，患者對MR模型應用于醫患溝通表示支持，醫患對MR模型的臨床應用滿意。

表3 醫生對MR的滿意度調查結果

表4 患者對MR的滿意度調查結果

3 討論

臨床上，快速準確安放假體是老年股骨頸骨折患者行人工股骨頭置換術的關鍵。目前對于復雜股骨頸、骨盆骨折，3D打印實體模型有利于進行術前規劃及醫患溝通，有效降低手術風險[23-24]，但因經濟成本增加、耗時長而應用受限。同時依賴臨床經驗和二維影像數據的傳統骨科手術限制年輕醫生對解剖結構的理解。為減少股骨頸骨折人工股骨頭置換術因手術操作、個體差異造成的術后并發癥，迫切需要一項可行的影像學技術，指導手術醫生術前熟悉患者病情、擬定符合現實場景的手術方案，術中準確掌握手術野解剖結構、實時正確的手術操作及精準安放假體。MR技術通過建立虛擬、現實情景和用戶之間的反饋通道，增強用戶體驗，在保證術前規劃、醫患溝通有效性及術中精準導航假體的同時，彌補了上述應用的限制，為醫療行業提供一種新的三維可視化診療模式?？梢暬SMR模型有效的解決術前規劃、醫患溝通信息不對稱等困難[25]。

MR技術在術前通過MR顯示患者髖關節立體解剖結構，從皮膚、皮下軟組織到髖臼，清晰觀察受傷部位的周圍組織，熟悉解剖結構及手術步驟，有助于實施個性化精準手術；術中根據患者的虛擬影像精準進行每一步操作及放置假體，因此MR輔助組較常規手術切口縮短，減少了組織創傷，MR輔助組術后在髖關節早期功能恢復上優于常規手術組，可促進患者早期功能恢復，減少相關并發癥發生。本研究問卷調查結果表明，MR技術均獲得了醫生及患者的較高評分，表明MR模型在臨床上的應用得到醫生、患者的支持和肯定，可有效幫助患者及家屬理解疾病、手術方案等，緩解潛在的醫患矛盾，提示MR模型對股骨頸骨折行人工股骨頭置換的術前模擬、醫患溝通、術中精準匹配及指導手術操作具有臨床應用價值。隨著數字醫療水平的發展，患者對疾病的精準診治要求提高，MR技術的臨床使用會受到進一步重視，MR和其他數字化技術將明顯推動新時代醫學的跨越式發展。MR將患者影像信息、醫生的知識與經驗、患者的疾病、手術操作通過醫生的眼睛在統一空間中融合，激發醫生的無限創造力，這種創造力將成為未來數字化醫療創新的核心動力[26]。

綜上所述，本研究根據患者CT數據重建虛擬影像，外科醫生在手術中進行驗證，發現了虛擬影像大小、位置及解剖標志的匹配問題，影像質量與真實解剖的差異問題，影像強弱與手術燈光照矛盾問題，甚至眼鏡重量對手術操作的干擾問題，需要在醫工融合的模式下進一步優化軟硬件，才能最終達到服務患者并產生社會價值的目的。