劉書中，王以朋，周 熹，劉 勇*，張海龍

(1.中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 北京協(xié)和醫(yī)院骨科,北京100730；2.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院，吉林 長春100033)

混合現(xiàn)實(Mixed Reality,MR)技術是由專用的硬件和軟件組成的新型數(shù)字化全息影像技術，用于實時向外界提供計算機處理得出的成像數(shù)據(jù)，從而將真實物體與計算機生成的圖像有機結合起來[1-3]。近年來，MR技術在骨科臨床實踐中越來越受到骨科醫(yī)師的重視，多項臨床前研究表明MR技術有望成為術前決策和術中導航的有效工具。研究證實MR技術可廣泛應用于各種骨科手術，如脊柱外科椎弓根螺釘置入、脊柱穿刺定位、骨腫瘤切除、骨折固定、關節(jié)鏡檢查和全關節(jié)置換術等。

與此同時，骨科手術技術也不斷更新發(fā)展，但由于骨骼解剖結構和生理功能的復雜性，骨科手術風險和難度依然客觀存在，尤其是在脊柱外科、骨腫瘤、微創(chuàng)骨關節(jié)外科的手術操作過程中，由于解剖結構難以辨認，常易造成相關副損傷發(fā)生。MR技術的發(fā)展與成熟，為制定骨科手術規(guī)劃、模擬手術入路、縮短手術時間、降低圍手術期風險、培訓青年骨科醫(yī)師實踐操作技能等諸多方面提供了更好的機會。本文旨在總結MR技術在骨科領域手術規(guī)劃及教學培訓中的應用現(xiàn)狀，為MR技術在骨科領域的進一步應用提供方向和前景。

1 MR技術及其在醫(yī)學領域的應用概述

近20年來，計算機輔助骨科手術已獲得越來越多的臨床應用，目前已被廣泛用于骨科手術規(guī)劃，術前模擬和術中導航等關鍵步驟。導航是計算機輔助骨科手術系統(tǒng)的核心部分，骨科醫(yī)生能夠?qū)崟r準確地跟蹤、明確手術器械與解剖結構的關系、有的放矢地實施既定手術方案對手術的成功與否至關重要。人機交互界面是圖像引導骨科導航系統(tǒng)的重要組成部分，它提供了一個人機交互平臺，可以將不同模式和三維模型的術前和術中圖像合并起來，以便于手術規(guī)劃和術中導航的實施[1,4-8]。MR系統(tǒng)包括專用硬件和軟件，用于實時向外科醫(yī)師提供計算機處理完成的成像數(shù)據(jù)，具體來說，計算機生成的圖像被疊加到現(xiàn)實世界的圖像上，并通過視頻投影儀、計算機或平板電腦予以呈現(xiàn)。其結構包括三個基本元件：位置跟蹤系統(tǒng)、顯示裝置和系統(tǒng)控制軟件[7]。位置跟蹤系統(tǒng)監(jiān)測術中解剖位置和方向。醫(yī)學成像技術，如透視圖像，被用作跟蹤系統(tǒng)的一部分。標記物，如通過成像方式可見的金屬球，附著在患者或手術工具上，有助于確定術野中解剖結構的位置。系統(tǒng)控制軟件利用來自跟蹤系統(tǒng)的信息，將輸入轉換成圖像，然后發(fā)送到顯示系統(tǒng)，并與真實場景的視圖進行組合[9-10]。因此，術前把患者的X線、CT、MRI、SPECT/CT、PET-CT、PET-MRI等影像資料和數(shù)據(jù)輸入MR系統(tǒng)，手術前外科醫(yī)生即可在現(xiàn)實環(huán)境中對虛擬進行的手術進行模擬操作、溝通、講解，制定切實可行、安全有效、合理優(yōu)化的手術方案，手術過程中術者可根據(jù)MR系統(tǒng)提示的個體化圖像信息施行進一步的操作，以有效降低不必要損傷的發(fā)生風險[11-12]。

2 MR技術在骨科手術規(guī)劃中的應用

隨著MR技術的發(fā)展，其在骨科手術規(guī)劃及操作模擬中展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展空間及應用前景。目前，MR技術不僅可以向體驗者展示一臺完整的手術過程，并且還可以用輔助設備或增加解說及熱點等模塊告知體驗者如何在手術中和助手進行溝通、配合。Halic等[11]利用自制的MR技術仿真操作系統(tǒng)完成了5名骨科醫(yī)師人工頸椎間盤置換手術的操作培訓，研究結果表明MR技術可有效提高手術操作培訓質(zhì)量，幫助體驗者掌握高難度手術操作的要點及難點。Van den Berg等[13]研究表明基于SPECT/CT影像數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)輸入MR操作系統(tǒng)處理后，可有效協(xié)助外科醫(yī)師完成淋巴結病變的術中定位，但術中目標淋巴結的移動及患者的體位改變可對定位的精準度產(chǎn)生一定的影響。Colomer等[14]研究顯示MR技術可應用于腦卒中患者的康復訓練中，其具有價格低、便于攜帶、操作系統(tǒng)簡便、康復訓練效果好等諸多優(yōu)點，并有望應用于骨科臨床實踐當中。Sauer等[12]進一步應用MR技術實現(xiàn)了手術過程中的立體超聲定位，操作省時簡便，超聲圖像顯示清晰。Sauer等[12]利用HoloLens MR頭載式顯示器在真實腹腔手術中實現(xiàn)了腹腔內(nèi)臟器解剖結構、內(nèi)部血管的清晰顯示，使術者在手術過程中更為準確的辨別組織結構、緊鄰臟器，最大限度地提高了手術操作的精確度和安全性，同時降低了手術副損傷的發(fā)生風險，并可在手術操作過程中實現(xiàn)遠程會診，針對高難度的手術與經(jīng)驗豐富的專家共同制定更為優(yōu)化的手術方案。該項研究成果對于骨科脊柱前路手術及骨與軟組織肉瘤手術具有較高的指導意義。至今，國內(nèi)外多位骨科專家已開展并成功完成混合現(xiàn)實技術引導下的關節(jié)外科、脊柱外科手術，手術效果均較為理想。此外，MR技術為醫(yī)學生或青年醫(yī)師的學習、模擬、操作提供了更為真實的場景和操作機會,充分提升了醫(yī)學生和青年醫(yī)師的主觀能動性和實踐操作能力。

3 MR技術在骨科教學培訓中的應用

借助MR技術，青年骨科醫(yī)師、研究生可在規(guī)定時間內(nèi)學習骨科解剖、手術設計、手術操作技巧、生理、病理、影像等知識，獲得與實際操作近乎一樣的培訓效果，并能更透徹、深刻地理解骨科理論知識與臨床實踐技巧[11]。利用MR技術可以進行MR遠程手術操作演示、講解或深度模擬骨科專家的手術技術，體驗者可在現(xiàn)實環(huán)境中體驗并記錄包括手術入路選擇、切皮、逐層分離、電燒電凝、瘤體切除、椎弓根螺釘置入、神經(jīng)根阻滯、髓內(nèi)釘置入、關節(jié)假體置入、剝離、血管夾閉、縫合、打結等在內(nèi)的完整操作過程[3-8]。上級醫(yī)師也可以將操作中的常見問題反饋給學生，提高每位培訓人員對特定具體手術操作的熟練程度及認知程度。因此，MR技術有效增加了青年醫(yī)師操作、訓練的機會，極大地緩和了有限的醫(yī)療資源和實踐手術操作的需求。此外，MR技術可用于醫(yī)學院校組織的臨床操作考核等場景，MR系統(tǒng)不但可以替代培訓者對被培訓者成績進行評分，還可以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出被培訓者失誤率、失誤具體行為、與標準操作對比差距等等數(shù)據(jù)，使應用者更好地掌握體驗者學習與實踐過程中的問題所在及學習曲線。

研究表明與傳統(tǒng)骨科手術相比，使用MR技術可以在不降低手術安全性的前提下，改善手術的成功率。Léger等認為由于三維全息圖所示的關鍵器官(骨性結構、神經(jīng)、動脈、靜脈等)均向骨科醫(yī)師實時顯示。這在程序中保障了操作準確性和手術安全性的提升，以節(jié)省手術操作時間并正確定位植入物[15]。Lee等提出了一個結合多模態(tài)數(shù)據(jù)融合和基于模型的手術工具跟蹤混合現(xiàn)實支持系統(tǒng)，以創(chuàng)建一個支持骨科手術螺釘放置的混合現(xiàn)實操作環(huán)境[16]。研究證實該交互式三維混合現(xiàn)實環(huán)境提供給了操作者對手術部位及位置的直觀理解，并支持骨科醫(yī)師在螺釘置入過程中快速定位置入點和定位手術工具，并通過測量目標的配準誤差驗證了該方法的有效性，并對部分遮擋情況下的跟蹤精度進行了準確評估[16]。Frank等[17]應用MR技術與仿生學技術相結合，成功完成了經(jīng)皮脊柱解剖定位、脊柱內(nèi)固定及腦室切開術等操作，從而為MR技術應用于骨科青年醫(yī)師的臨床教學培訓提供了支持。將MR技術應用于骨科的教學培訓中可以將基礎科學理論與實際臨床病例、手術操作等有機結合。

4 MR技術在骨科臨床及教學培訓應用中有待解決的問題

近年來，MR技術在骨科臨床及青年醫(yī)師培訓中的諸多優(yōu)勢得到了多項研究的證實，但距離MR技術廣泛應用于臨床實踐中的目標仍存在一些亟待解決的關鍵問題[3-8,18]，例如：(1)針對不同目的建立統(tǒng)一、規(guī)范化的MR操作系統(tǒng)；(2)顯示精準度的校對；(3)在青年醫(yī)師培訓過程中，培訓機構需進一步完善培訓模式及評價體系；(4)MR技術研究投入高，普及難度大；(5)尚需積累更多的研發(fā)經(jīng)驗；(6)臨床應用的合法化。