基于AR 導航技術的椎弓根螺釘置入術在脊柱外科規培醫生教學中的應用和效果評價

苑博，曹兵，周盛源，趙寅，孫延卿，陳雄生

腰椎椎弓根螺釘內固定技術廣泛應用于脊柱外科的手術中，已經成為治療脊柱外傷、退變、腫瘤等疾患的常用技術，是每個脊柱外科醫生的必備技能之一［1］。然而，椎弓根螺釘置入如果存在偏差，可能會對周圍的重要神經、血管，甚至內臟組織造成損傷，導致嚴重的并發癥［2-3］。因椎弓曲線陡峭，腰椎椎弓根螺釘錯置的發生率為2.5%～40%［4］。這就要求學習者熟練掌握毗鄰的解剖結構，擁有良好的空間想象能力，此外還需要反復練習和累積經驗。在傳統的脊柱外科臨床教學中，局部解剖學認識往往通過文字描述、圖片講解、模型展示以及尸體解剖獲得，缺乏趣味性，不利于學生主動性的發揮。因此，該項技能培訓一直是青年脊柱外科醫生培訓中的難點。

增強現實（AR）使用計算機生成的數字虛擬圖像，將其與現實世界相疊加，提供額外的數據背景和直觀的操作體驗，以增加沉浸感和交互性［5-7］。基于AR 的導航系統可以將術前和術中患者的圖像直接疊加到患者的解剖結構上，學習者可以看到與螺釘軌跡同步的實時更新的虛擬圖像，更為清晰地觀察和理解釘道途經的解剖層次和毗鄰結構，有助于提高學習者的訓練效果，縮短培訓時間［8-9］。然而，基于AR導航技術系統應用于椎弓根螺釘內固定技術的培訓卻鮮有報道。因此，本研究基于AR 導航技術的椎弓根螺釘內固定技術，通過新鮮尸體標本置釘操作，擬探究其應用于脊柱外科醫生教學培訓的有效性。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2020 年9 月1 日至2020 年12 月31 日在海軍軍醫大學第二附屬醫院脊柱外科輪轉的規范化培訓青年醫師，均無椎弓根螺釘相關置釘經驗，共計12 名，隨機平均分為AR 組和傳統組，每組6 人。

1.2 培訓方案

1.2.1 理論教學 AR 組和傳統組醫師均接受包括局部解剖基礎、X 線透視定位解剖、常用椎弓根螺釘置釘方法等基礎理論知識的傳授。

1.2.2 AR 組 AR 組醫師通過在新鮮尸體標本上進行AR導航置釘訓練。基于AR 的導航系統主要由主控臺，光學追蹤系統（NDI，Polaris Vega，加拿大），定位工具、光學透明頭戴式顯示器（Hololens，Microsoft，美國）、手術規劃和控制軟件（HOLONAVI，上海霖晏醫療科技有限公司，中國）等組成。高分辨率頭戴式顯示器為操作者實時提供虛擬圖像疊加到實時手術上的效果，而光學追蹤系統通過紅外光反射信號標記進行螺釘置入位置和置入過程的實時監控。見圖1。AR 導航系統通過術前CT 虛擬規劃腰椎椎弓根螺釘的置入路徑，再與術中X 線透視相結合的2D-3D 擬合功能，利用單椎體配準技術，可消除因手術體位與獲取CT 體位不一致所帶來的偏差。

圖1 高分辨率頭戴式顯示器為操作者實時提供虛擬圖像疊加到實時手術上的效果

1.2.3 傳統組 傳統組醫師通過手術流程講解、視頻演示、動作要領介紹，并參加手術，擔任第二助手，通過觀摩和同一位老師帶教指導，以此來學習腰椎椎弓根螺釘的置釘方法。

1.3 教學效果評價

1.3.1 椎弓根螺釘置釘考核 準備12 具新鮮尸體標本，其中男尸7 具，女尸5 具，年齡55～71 歲，平均分為2 組。尸體標本具有完整的腰骶椎并且無腰椎骨折、腫瘤、畸形。尸體標本取俯臥位，選擇后正中切口，2 組醫師在顯露雙側椎板及關節突后，每人獨立完成L1-L5 共計10 枚椎弓根螺釘的徒手置釘操作。置釘過程從顯露進釘點到醫師認為置釘完成結束，統計所有醫師的平均置釘時間以及術中透視次數。

1.3.2 置釘準確性評價 操作完成后對脊柱進行CT 掃描，重建置入螺釘的脊柱3D 模型，由2 名脊柱外科醫師進行螺釘準確性分析，測量螺釘突破椎弓根骨皮質的距離。按照Gertzbein-Robbins 系統（GRS）評價方法［6］，將椎弓根螺釘的準確性按照螺釘突破椎弓根骨皮質的距離進行分級，其中A 級：椎弓根螺釘完全在椎弓根內，沒有突破椎弓根骨皮質；B 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質，突破距離＜2 mm；C 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質，2 mm≤突破距離＜4 mm；D 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質，4 mm≤突破距離＜6 mm；E 級：椎弓根螺釘突破椎弓根骨皮質，6 mm≤突破距離。A 級和B級為置入準確的螺釘，即臨床安全。

1.4 統計學處理

采用SPSS 19.0 統計學軟件進行數據分析。計量資料以±s表示，采用獨立樣本t檢驗。計數資料以頻數和百分比（%）表示，采用卡方檢驗。P＜0.05 表示差異有統計學意義。

2 結果

AR 組和傳統組醫師均完成學習內容并每人獨立完成1 例尸體標本手術操作，每組置釘60 枚，每人10 枚。AR 組的優良率高于傳統組，差異具有統計學意義（P=0.027）。此外，AR 組的平均置釘時間短于傳統組（P=0.012），術中透視次數少于傳統組（P＜0.001），差異具有統計學意義。見表1。

表1 AR 組和傳統組教學方式的腰椎椎弓根螺釘置釘優良率、置釘時間和術中透視次數比較（每組n=6）

3 討論

椎弓根螺釘作為目前脊柱外科手術中最常用的內固定方法，以其把持力強和三柱固定的優勢受到脊柱外科醫生的青睞。然而，椎弓根周圍毗鄰重要結構，內側毗鄰硬膜囊、脊髓及神經根，外側毗鄰肋橫突關節及血管結構，前方毗鄰胸腔或腹腔重要臟器。椎弓根螺釘置入位置不佳可導致硬膜囊撕裂、神經損傷癥狀加重、血管損傷、內臟損傷等，對手術效果具有重要的決定作用。相比于頸胸椎，腰椎的椎弓根較為粗大，適合初學者進行該項技術的學習。學習過程中，操作者需要逐步熟悉局部解剖結構，掌握進釘點和進釘角度，體會進釘過程的用力技巧和力學反饋，并且能夠根據X 線透視的結果對于螺釘位置調整做出準確判斷。這一過程并非易事，Gonzalvo 等［10］發現椎弓根螺釘的學習曲線陡峭，對于初學者需要至少80 枚螺釘的置釘經驗才能有效降低螺釘突破皮質骨的概率。傳統的教學模式主要通過解剖結構學習，手術流程講解、術中觀摩體會、導師經驗介紹等方法進行，以學習者的觀察和思考為主，缺乏具體操作的經歷。尤其是對于進釘過程中通過力學反饋感受螺釘頭端位置的技巧，往往只能通過導師描述和講解，學習者難以體會，需要在進一步的臨床操作中不斷了解學習。盡管目前不少研究通過3D 打印模型或者力反饋虛擬手術系統進行椎弓根螺釘的置釘培訓［11］，但是學習者仍然無法直觀地體會釘道路徑的解剖層次和毗鄰結構。

AR 導航技術，依托于計算機圖像處理技術及三維圖像可視化技術，將計算機生成的虛擬世界與真實環境進行疊加［8-9,12］。在脊柱外科應用方面，AR 技術可將虛擬解剖結構和規劃螺釘軌跡覆蓋于患者脊柱之上，同時實現解剖結構、手術器械和螺釘位置的實時反饋，指導脊柱外科醫生的術中操作和螺釘置入［6,13-15］。最先將AR 技術應用于脊柱外科臨床中的是Wu 等［16］和Elmi-Terander 等［7］。Elmi-Terander等［7］回顧性分析20 例接受手術導航系統輔助置釘的患者（262 枚螺釘）和20 例接受徒手置釘的患者（288 枚螺釘），結果顯示前者的準確率顯著高于后者（93.9%vs.89.6%）。Peh 等［17］比較手術導航系統輔助置釘與徒手置釘在胸腰椎椎弓根螺釘置入中的臨床準確性，發現手術導航系統輔助置釘的準確度為94%，而徒手置釘的準確度為88%。Vardiman等［18］回顧性分析了56 例手術機器人輔助置釘的患者（共348 枚螺釘），臨床置釘準確率為97.4%。Han 等［19］在一項前瞻性隨機對照臨床試驗中，分析比較了共1 116 枚螺釘的234 例患者（115 例手術機器人輔助置釘，119 例徒手置釘），手術機器人輔助置釘的準確率為98.7%，徒手置釘的準確率為93.5%。AR 導航技術改善臨床置釘準確性已經得到大量驗證，但將其應用于椎弓根螺釘的置釘培訓仍鮮有報道。

通過AR 導航技術，學習者既能體會正確置釘的釘道軌跡，又能熟悉置釘過程中的不同進釘深度的毗鄰結構，這對于初學者把握置釘方向，掌握置釘技巧和建立操作自信具有極大的幫助。本研究結果顯示，AR 組的醫師在置釘準確性上優于傳統組，說明AR 導航技術用于椎弓根螺釘置釘培訓可以獲得較為良好的教學效果。此外，本研究中AR 組的置釘時間短于傳統組，術中透視次數少于傳統組，這或許是由于在AR 導航技術輔助下訓練，學習者能夠清晰地認識到自己操作中進釘角度以及深度，在不斷糾正錯誤操作動作的同時，也會了解錯誤置釘的可能位置。在熟練掌握局部解剖的基礎上，能夠通過X 線透視對釘道進行準確調整，從而縮短整體的置釘時間和術中透視次數。

綜上所述，與傳統椎弓根螺釘內固定術的教學方法相比，通過AR 導航技術輔助培訓規培醫師，學習者能夠在學習過程中清晰直觀地觀察進釘點、進釘角度以及釘道路徑，在導航指引下釘道軌跡得以不斷糾正，同時對于周圍毗鄰結構的認識和錯誤置釘位置的調整有著更為有效的教學效果。AR 導航技術能夠提高脊柱外科規培醫師椎弓根螺釘內固定術的培訓效果，提高置釘準確率，縮短置釘時間，具有較好的應用前景。