侯 洋，梁 磊，林艷萍，史建剛，陳華江，袁 文*

1.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院骨科，上海 200003

2.生物醫(yī)學(xué)制造與生命質(zhì)量工程研究所，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240

椎弓根置釘技術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)中，是治療脊柱退行性疾病、外傷、腫瘤、結(jié)核等的金標(biāo)準(zhǔn)［1-3］。椎弓根毗鄰脊髓、血管、內(nèi)臟等重要組織，如果椎弓根螺釘?shù)奈恢贸霈F(xiàn)偏差，將會引起嚴(yán)重的并發(fā)癥，造成手術(shù)失敗［4-5］；而熟練掌握此項技術(shù)需要大量手術(shù)經(jīng)驗的積累和反復(fù)的練習(xí)，對于初學(xué)者來說學(xué)習(xí)曲線陡峭。如何在最短時間內(nèi)熟練掌握椎弓根螺釘置釘技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)有望解決這一問題［6］。

虛擬手術(shù)系統(tǒng)從醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)出發(fā)，在計算機中模擬人體器官模型，創(chuàng)造虛擬醫(yī)學(xué)環(huán)境，并模擬交互式手術(shù)過程。醫(yī)師可以使用虛擬手術(shù)系統(tǒng)進行訓(xùn)練、手術(shù)技能演示、手術(shù)計劃以及術(shù)后康復(fù)工作制定等［7］。虛擬手術(shù)系統(tǒng)的出現(xiàn)有助于加強醫(yī)生對先進手術(shù)方式的訓(xùn)練，使培訓(xùn)時間縮短，同時還減少了對緊缺教學(xué)資源的需求。基于此，本研究針對虛擬骨科手術(shù)中的人機交互問題，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)及生物力學(xué)建模方法，對脊柱外科虛擬手術(shù)中的環(huán)境圖形建模、人體脊柱三維形態(tài)學(xué)建模、人體脊柱生物力學(xué)模型進行了研究，研發(fā)了基于力反饋的虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)（VSTS）。本研究將VSTS用于脊椎外科醫(yī)師椎弓根螺釘置釘技術(shù)的培訓(xùn)并評價其有效性，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 置釘虛擬訓(xùn)練

10名無椎弓根置釘經(jīng)驗的住院醫(yī)師隨機平均分為2組，VSTS訓(xùn)練組（A組）和傳統(tǒng)教學(xué)組（B組）。VSTS系統(tǒng)采用一系列模塊來獲取、處理、渲染圖形和觸覺數(shù)據(jù)，然后無縫集成于系統(tǒng)的硬件平臺上。利用患者的CT數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬腰椎3D模型。A組受試者在VSTS上進行30 min腰椎椎弓根置釘訓(xùn)練，通過系統(tǒng)的力反饋，受試者能夠感受到虛擬鉆頭與三維等值面之間的接觸，操作手柄上的按鈕可以控制虛擬鉆頭開啟，鉆孔完成時按下操作手柄上的相應(yīng)按鈕即可將螺釘置于最終的位置上；當(dāng)螺釘偏離系統(tǒng)預(yù)設(shè)的路線時力覺交互裝置便會產(chǎn)生相應(yīng)的反作用力，以模擬手術(shù)操作時術(shù)者置釘?shù)恼鎸嵙W(xué)感受；受試者要改變置釘路徑時，鉆頭必須沿著進入時的通道退出后才能重新打孔（圖1）。B組受試者通過手術(shù)流程講解和視頻演示的傳統(tǒng)教學(xué)方法學(xué)習(xí)腰椎椎弓根置釘。

圖1 基于力反饋的VSTSFig.1 VSTS based on force feedback

1.2 置釘尸體操作

8具新鮮尸體標(biāo)本（男5具，女3具，年齡33 ～79歲）隨機平均分為2組。尸體標(biāo)本無腰椎骨折、結(jié)核、腫瘤或細小椎弓根等不適合置釘?shù)那闆r。2組標(biāo)本均通過CT掃描測量椎弓根的大小和內(nèi)傾角，由3名影像科醫(yī)師獨立評價比較2組標(biāo)本的測量值，數(shù)據(jù)采用獨立樣本t檢驗，結(jié)果表明2組數(shù)據(jù)具有可比性。尸體標(biāo)本取俯臥位，采用后正中切口，將肌肉及韌帶組織向兩側(cè)剝離顯露椎板和關(guān)節(jié)突骨性結(jié)構(gòu)，置入雙側(cè)腰椎椎弓根螺釘。

1.3 置釘準(zhǔn)確性評價

手術(shù)完成后所有標(biāo)本進行CT掃描，掃描結(jié)果由3名影像科醫(yī)師獨立評價。參考既往相關(guān)解剖與臨床研究［8-10］，將螺釘位置分為4級：Ⅰ級，螺釘完全位于椎弓根內(nèi)；Ⅱ級，螺釘穿破椎弓根壁≤2 mm；Ⅲ級，螺釘穿破椎弓根壁＞ 2 mm且≤4 mm；Ⅳ級，螺釘穿破椎弓根壁＞ 4 mm。有研究表明，螺釘位于椎弓根內(nèi)側(cè)＞ 2 mm即可能對脊髓神經(jīng)造成損傷［11］，因此，本研究組將Ⅲ級螺釘（穿破椎弓根上、下、內(nèi)側(cè)壁）及Ⅳ級螺釘劃分為不可接受螺釘，其余為可接受螺釘。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析。組間螺釘準(zhǔn)確率和可接受率的比較采用χ2檢驗，螺釘穿破距離的比較采用獨立樣本t檢驗。以P ＜ 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2組分別置入椎弓根螺釘40枚。A組螺釘Ⅰ級35枚，Ⅱ級5枚；螺釘穿破距離為（1.37±0.62）mm；螺釘可接受率為100%。B組螺釘Ⅰ級25枚，Ⅱ級螺釘9枚，Ⅲ級4枚（1枚穿破上壁，1枚穿破下壁，2枚穿破內(nèi)壁），Ⅳ級2枚；螺釘穿破距離為（2.42±0.51）mm；6枚（4枚Ⅲ級和2枚Ⅳ級）螺釘?shù)奈恢貌豢山邮?，螺釘可接受率?5%。A組和B組螺釘穿破率（Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級）分別為12.5%和37.5%。螺釘穿破率 A組低于B組，螺釘可接受率A組高于B組，螺釘穿破距離A組小于B組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P ＜ 0.05）。

3 討 論

目前，椎弓根置釘技術(shù)在脊柱外科應(yīng)用最為廣泛，螺釘位置的好壞直接關(guān)系手術(shù)的成?。?］。Gonzalvo等［9］發(fā)現(xiàn)椎弓根置釘技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線陡峭，初學(xué)者需要＞ 80個椎弓根置釘經(jīng)驗才可能明顯降低螺釘穿破皮質(zhì)的發(fā)生率。

為了有效降低椎弓根螺釘置釘并發(fā)癥的發(fā)生，先后有多種導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于臨床以提高置釘準(zhǔn)確率［10，12-14］，包括術(shù)中透視和CT引導(dǎo)下計算機輔助系統(tǒng)（CAS）。術(shù)中透視的主要優(yōu)點是適用范圍較廣，缺點是在某些脊柱節(jié)段（上胸椎）圖像質(zhì)量較差［15］。CAS圖像精確度較高，尤其適用于頸椎及上胸椎，同時應(yīng)用CAS還可以進行手術(shù)方案的制定。這兩種技術(shù)的應(yīng)用均顯著提高了椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確率。CAS的主要缺點是術(shù)中患者解剖學(xué)位置的改變并不能反映到其術(shù)前的掃描圖像中，這種差異可能引起導(dǎo)航偏差進而降低椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確率，引起嚴(yán)重的神經(jīng)、血管損傷［16］。此外，應(yīng)用CAS還存在患者輻射暴露時間較長、術(shù)前準(zhǔn)備時間增加、視野局限、操作復(fù)雜及設(shè)備昂貴等問題［16］。

隨著計算機及圖像處理相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在過去10年中逐漸應(yīng)用于骨科臨床并取得了理想的效果。虛擬手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于脊柱外科醫(yī)師的培訓(xùn)將有利于以往復(fù)雜且高風(fēng)險手術(shù)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，減少相關(guān)手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生，降低醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線，減少相應(yīng)的醫(yī)療支出［17］。Majdouline等［18］應(yīng)用脊柱手術(shù)模擬程序S3系統(tǒng)，于計算機上模擬并選擇最佳的內(nèi)固定策略來治療成人特發(fā)性脊柱側(cè)凸，在1例脊柱側(cè)凸患者數(shù)據(jù)模型上模擬進行了702種手術(shù)策略，證實S3系統(tǒng)在優(yōu)化成人特發(fā)性脊柱側(cè)凸手術(shù)內(nèi)固定計劃中的可行性及潛在優(yōu)勢。Aurouer等［19］采用Spine View軟件對11例患者進行術(shù)前手術(shù)計劃的制定，對不同手術(shù)方法進行評估并選擇最佳的手術(shù)策略，其中8例患者術(shù)后療效與術(shù)前模擬評估結(jié)果一致。Klein等［20］開發(fā)了專為椎弓根置釘培訓(xùn)的模擬軟件，該軟件應(yīng)用患者CT掃描數(shù)據(jù)進行三維重建，并在重建模型上進行訓(xùn)練，使醫(yī)師能夠掌握置釘?shù)幕炯夹g(shù)并對復(fù)雜病例的椎弓根置釘進行反復(fù)訓(xùn)練，有效避免了手術(shù)意外的發(fā)生，提高了手術(shù)的安全性。Bichlmeier等［21］報道了由頭戴顯示器、兩套動作捕捉系統(tǒng)及一個裝有傳感器的器械構(gòu)建的用于虛擬腰椎椎弓根置釘?shù)奶摂M現(xiàn)實手術(shù)平臺。術(shù)者在一個裝有硅膠模型的盒子中進行操作，通過頭戴顯示器可看到三維重建后虛擬模型成像。何建榮等［22］通過BioMxsf虛擬手術(shù)系統(tǒng)，將64排CT掃描的8具上頸椎標(biāo)本數(shù)據(jù)進行重建，測量入釘位置并確定內(nèi)斜角置釘，術(shù)后8例標(biāo)本MSCT掃描示置入螺釘均完全位于側(cè)塊內(nèi)，未傷及毗鄰組織。

上述研究已初步證實了虛擬現(xiàn)實技術(shù)改善椎弓根螺釘置釘技術(shù)臨床效果的有效性。但這些研究中的虛擬手術(shù)系統(tǒng)主要是視覺仿真，并不具備力反饋功能，操作者在進行手術(shù)預(yù)演和培訓(xùn)時無法感知手術(shù)場景中的力學(xué)信息，手術(shù)的沉浸感和真實性受到影響。醫(yī)師在這種環(huán)境中進行手術(shù)培訓(xùn)可能會得到錯誤的經(jīng)驗而產(chǎn)生誤操作，與真實的手術(shù)環(huán)境有較大差距。因此本研究組研發(fā)了基于力反饋的VSTS，應(yīng)用于醫(yī)師的臨床教學(xué)，受試者在系統(tǒng)上反復(fù)模擬椎弓根置釘后進行尸體標(biāo)本的實際操作，結(jié)果證實該系統(tǒng)可提高醫(yī)師椎弓根螺釘置釘?shù)臏?zhǔn)確率，VSTS訓(xùn)練組的螺釘穿破率低于傳統(tǒng)教學(xué)組，螺釘可接受率高于傳統(tǒng)教學(xué)組，螺釘穿破距離小于傳統(tǒng)教學(xué)組。

綜上所述，通過在VSTS上反復(fù)練習(xí)，操作者能夠熟悉掌握椎弓根螺釘?shù)倪M釘點及相關(guān)解剖標(biāo)志，同時力反饋功能使操作者在鉆孔過程中獲得與真實手術(shù)中相似的觸覺體驗。VSTS訓(xùn)練能使醫(yī)師在短時間內(nèi)掌握椎弓根置釘技術(shù)，提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率，應(yīng)用前景理想。