擴展現實技術在骨科手術中的應用研究進展

侯 洋，劉孝文，趙天翌，史國棟

海軍軍醫大學長征醫院骨科，上海 200003

擴展現實（XR）技術是一種將現實世界與虛擬信息結合的技術，包括增強現實（AR）、虛擬現實（VR）和混合現實（MR）等。與傳統的計算機技術不同，XR 可以創建一個虛擬環境或將虛擬元素添加到現實環境中，從而為用戶提供全新的沉浸式體驗。AR 是一種在現實環境中疊加虛擬圖像或信息的技術，可通過智能手機、平板電腦、AR 眼鏡等設備觀察到增強后的現實場景［1-2］；VR 是一種完全沉浸式的技術，使用頭戴式顯示器等設備讓用戶進入一個虛擬環境中，并與虛擬世界互動［3-6］；MR 則是將現實環境與虛擬元素結合在一起，讓用戶在現實世界中與虛擬元素互動［7-9］。XR技術使用計算機圖形學和視覺技術生成虛擬內容，虛擬內容可以是2D或3D模型、視頻、文本或其他交互元素，可以根據用戶的位置和姿態進行實時的渲染和疊加，與真實世界進行交互［10-11］。XR 技術使用各種顯示設備來呈現虛擬內容，包括智能手機、平板電腦、AR 眼鏡、頭戴式顯示器等。顯示設備將虛擬內容疊加到用戶的視野中，使用戶能夠同時看到虛擬內容和真實環境［8］。XR 技術在各個領域均有廣泛的應用，包括娛樂、教育、醫療、制造業、建筑和軍事等。在醫療領域，XR 可以提高手術的準確性和安全性，提供更好的醫學教育和培訓方式，改善醫患溝通等［12］。

骨科手術需要醫師具備高度的專業知識和豐富的手術經驗。然而，骨科手術仍面臨著各種挑戰，如手術難度大、手術風險高等。隨著現代科技的發展，XR 技術開始逐漸應用于骨科手術教學中，為醫師和患者提供更加安全、精準、個性化的手術方案和康復方案。通過查閱相關文獻，本文對XR 技術在骨科手術規劃、手術實踐、手術教學、術后康復訓練和應用前景等方面展開分析，綜述如下。

1 手術規劃

Zawy Alsofy 等［13］評估了VR 技術在單節段單側骨性頸神經孔狹窄患者的手術規劃和術后評估中的潛在影響，結果表明，將頸椎的2D CT 圖像重建為3D 圖像，利用VR 模型進行空間和解剖重建，可以幫助醫師規劃手術方法和治療策略，并評估其術后效果。De Salvatore 等［14］選取了60 例青少年特發性脊柱側凸（AIS）患者，分別采用傳統的2D CT 圖像的屏幕可視化（對照組）和利用Google Cardboard進行3D 解剖模型的交互式探索的VR（VR 組）進行預操作規劃，比較2 組手術時間、術中出血量、住院時間及手術醫師滿意度，結果顯示，VR 組手術時間和術中出血量顯著降低，手術醫師滿意度更高。Courvoisier 等［15］對AIS 患者進行術前和術后雙平面低劑量X 線片拍攝，生成脊柱的數字化3D 模型，然后對模型進行3D 打印，以模擬脊柱手術。該方法可用于脊柱側凸手術的VR 培訓，包括使用3D 打印模型測試手術器械和置入物。Handels 等［16］采用VR技術進行髖關節手術術前規劃，用于模擬骨腫瘤手術中的髖關節重建，生成3D 圖像幫助外科醫師在術前確定假體位置和形狀，通過CT 和MRI 數據的配準和分割，在3D 可視化環境中生成腫瘤在骨內的圖像，以支持醫師在規劃過程中的決策；該虛擬手術規劃環境還可構造個體化的假體，而無須生成昂貴的實體3D 模型，3D 圖像和數字影像還可用于記錄患者信息。Archavlis 等［17］采用VR 技術對7 例（2例不穩定爆裂骨折，5例轉移性破壞性椎體病變）患者進行經椎弓根椎體切除術的術前規劃，術前經VR 規劃，所有置入物均置于最佳位置，且無神經并發癥；表明3D 虛擬解剖模型有助于術前規劃，可提高手術安全性。高潤子等［18］采用VR 技術輔助經股骨頸基底部旋轉截骨術治療股骨頭壞死，術前采用VR 技術進行術前規劃，術中按照術前規劃進行旋轉截骨，結果顯示療效滿意，術后切口均Ⅰ期愈合，均達到VR 術前規劃的旋轉角度，隨訪時Harris評分明顯提高，髖關節評分優良率為72.7%，表明VR 技術進行術前規劃有較高的應用價值。

骨科手術前，醫師需要對患者進行全面的檢查和詳細的評估，并根據患者的具體情況制訂手術方案。傳統的手術評估方式主要依賴于醫師的經驗和手感，容易受到人為因素的影響。XR 技術可以幫助醫師更加準確地評估患者情況，為手術方案制訂提供更加科學的決策。XR 技術采用患者的CT 和MRI影像數據創建脊柱3D 模型并模擬手術操作過程，醫師通過觀察手術區域的3D 結構，識別潛在的手術風險和困難，可制訂詳細的手術計劃。

2 手術實踐

Felix 等［19］采用AR 技術作為脊柱手術的導航工具，在7 具脊柱標本上置入124 枚螺釘；AR 技術通過預先計劃的虛擬路徑置釘，采用術前dicom 數據和光學標記點進行導航，醫師通過HoloLens 2 頭戴式顯示器查看帶有快速響應碼的打印鏈接，通過語音命令定位并操作螺釘，結果表明，AR 技術置釘具有高度準確性，可以減少透視次數、縮短手術時間、提高手術成功率。Wang 等［20］采用一種基于AR技術的手術導航系統，用于改進經典的股骨頭壞死髓內減壓手術，結果表明，手術導航系統可實時顯示手術區域解剖結構，并在手術視頻中渲染術前影像和虛擬針頭，從而指導醫師準確插入導針至目標病灶區域，最小化周圍組織的損傷；與傳統手術相比，定位和熒光成像的效率大大提高，穿刺的準確性也得到了保證。Cho 等［21］通過動物模型研究亦證實AR 技術導航骨腫瘤切除的準確性較傳統方法顯著提高。Befrui 等［22］開發了一種不需要紅外追蹤標記的AR 可視化外科導航系統，該系統使用紅綠藍深度（RGBD）攝像機，為骨折治療提供了靈活且直觀的可視化效果，不需要紅外追蹤標記，使外科醫師能夠更快地完成手術并減少醫患的輻射暴露。Spirig 等［23］使用AR 技術進行椎弓根螺釘置入的尸體實驗，結果表明，AR 導航組（平均進釘點差異為5.99 mm，平均軌跡偏差為5.88°）較傳統手法置入組（平均進釘點差異為4.74 mm，平均軌跡偏差為11.21°）具有更高的軌跡精度。Guo 等［24］將AR 技術用于后路微創手術治療肩胛骨骨折，發現AR 技術能夠提供精確的術前計劃和術中導航，顯著減少手術時間和出血量。Tsukada 等［25］評估了在全膝關節置換術（TKA）中使用AR 導航提高股骨遠端切除準確性的可行性和有效性，結果表明，與傳統髓內引導器相比，AR 導航在實驗和臨床環境中都能獲得更準確的切除角度，冠狀位對齊的平均絕對誤差值更小。

在骨科手術中，醫師需要通過手術器械進行修復和重建，傳統的手術方式存在學習時間長、手術風險高、術后恢復慢等問題。XR技術可以幫助醫師更加精準地進行手術，提高手術成功率和康復質量。XR技術使用追蹤設備將患者手術部位的3D 模型與實際手術操作場景對齊，有助于醫師更精確地定位手術器械和手術區域，減少手術風險和誤差。

3 手術教學

本團隊以往的研究［26-28］中，將VR 技術用于住院醫師脊柱椎弓根螺釘置入技術的培訓，通過CT掃描評價VR 培訓組和傳統教學組在尸體標本上椎弓根螺釘置入的準確率，結果表明，VR 培訓組螺釘置入準確率較傳統教學組高、學習周期短，顯示出更好的教學效果。Palet 等［29］評估了膝關節鏡VR模擬器的有效性，結果表明，VR 模擬器使住院醫師能夠在更安全的環境中練習手術技術，從而減少實際手術時的風險和局限性。Lohre 等［30］的肩關節置換模擬仿真研究表明，VR 技術的逼真程度更高，教學效果和技術評分均優于傳統學習方法，能夠有效教授復雜的手術技巧，且學習時間縮短570%。Blumstein等［31］比較了VR技術和《標準化指南》（SG）培訓在骨科手術技術學習上的效果，結果表明，VR組的醫學生在模擬脛骨內固定手術中表現更好，步驟正確率也顯著高于SG 組。Sugand 等［32］采用VR模擬器對未熟悉動態髖部螺釘（DHS）導絲插入的本科醫學生進行培訓，結果顯示，VR 組在所有訓練指標上均有顯著改進，而對照組無顯著變化；證實VR 系統的使用提供了額外的臨床訓練機會，具有推廣應用潛力。Logishetty 等［33］研究了AR 是否能夠提高關節置換術中放置髖臼假體的準確性，結果表明，AR 組的醫學生在所有培訓課程中的方向定位誤差比傳統教學組小。余可誼等［34］探索了MR 技術在經皮經椎間孔入路腰椎椎間盤切除術臨床教學中的應用。結果顯示，MR 組在學習的主動性、趣味性和3D立體想象力等方面具有顯著優勢，但2組學生在對知識的掌握程度上無明顯差異；研究認為，MR 技術在醫學教學中應用潛力巨大、前景廣闊，可提高醫學教學的形象化、交互性和空間感。

XR 技術用于復雜的脊柱手術培訓，醫師通過VR 和AR 技術，在真實的手術場景中進行實踐，可有效提高醫師的手術操作技能。

4 術后康復訓練

Wang 等［35］研究了66 例接受擇期骨科手術的患者，并根據其意愿將其隨機分配到傳統訓練組和AR 組，AR 組通過AR 應用程序進行呼吸、肌力和步行等方面的康復訓練，結果表明，AR 組的吸氣流速高于傳統訓練組，且AR 組的可行性（自信水平和焦慮減輕）和效力（合作和宣教效果）均優于傳統訓練組。Abbas 等［36］對下肢截肢患者的康復運動進行研究，發現VR 技術可用于改善單側創傷性下肢截肢者的平衡和步態問題。Prvu Bettger 等［37］采用VR 技術物理治療TKA 術后的患者，結果顯示，與傳統物理治療組比較，VR 組的醫療費用低、住院次數少；同時，VR 組的效果與傳統物理治療組相當。Chughtai 等［38］探索了VR 技術在TKA 或單半側膝關節置換術（UKA）患者康復中的應用，結果顯示，基于VR 技術的康復平臺能夠有效改善患者的各項功能評分，可鼓勵醫患互動，在家監測，節約成本。Hong 等［4］對1 例接受TKA 治療的中年女性患者進行VR訓練，結果表明，患者的肌肉力量、本體感覺、平衡和步態能力均顯著改善。

XR 技術在術后康復方面具有以下優勢。①幫助患者進行關節活動、肌肉鍛煉等康復訓練。②提供各種平衡訓練的虛擬場景，如走在不平整的地面上、穿越障礙物等，以幫助患者恢復平衡能力，減輕術后疼痛。③實時視覺反饋可幫助患者更好地了解自己的姿勢和運動情況，以及時調整姿態，更好地進行康復訓練。

5 結語與展望

隨著XR 技術的不斷發展，其在骨科手術中的應用前景廣闊。除了前述XR 技術在骨科的常見應用外，還可用于向患者展示手術操作的過程和結果，有助于患者更好地理解手術的必要性和風險，從而增強其治療的信心和配合度。竇超超等［39］探討了MR 技術在股骨粗隆間骨折手術中的應用，結果表明，MR 技術可高清顯示重建模型，方便醫患之間的溝通交流，還可簡化手術步驟，減少術中透視次數，縮短手術時間，提高手術效率。馬筱［40］選取128 例髖關節置換術患者，隨機分為對照組和實驗組，對照組采用常規健康宣教方式，實驗組在常規健康宣教方式基礎上增加基于VR 技術的健康宣教方式，結果顯示，基于VR 技術的健康宣教可縮短患者住院時間、提高護理滿意度，同時降低術后并發癥發生率。

未來，XR 技術將會在以下幾個方面發揮更大的作用。①提高手術培訓的效率和效果。直觀地觀察患者的手術部位情況并進行手術模擬和規劃；實現手術的實時影像引導，為醫師提供更加全面和準確的手術信息。②與人工智能結合，實現手術的自動化和智能化。例如，通過人工智能技術分析患者的影像數據進行手術方案制訂和風險評估，并在XR 虛擬環境中進行手術模擬和規劃；使用智能手術器械和機器人手術系統，通過XR 技術進行手術操作。③提高患者參與度和治療效果。醫師可通過XR 技術向患者展示手術方案，提高患者的參與度和治療效果。