作者：中日友好医院骨科 任鹏鹏
虚拟现实（VR），简称虚拟技术，也称虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维立体逼真的虚拟环境，给用户提供视觉、听觉、
虚拟现实
虚拟现实是由JaronLanier在1986年提出的以下设备集合体：一个能够进行交互式三维（3D）可视化的计算机，一个头装显示器（HMD），一个配有一个或多个位置跟踪器的控制器。虚拟现实在医疗保健中的第一次应用发生在20世纪90年代早期，现在应用越来越广泛。VR有两个主要技术特征，即交互性和沉浸性。
虚拟现实在骨科的应用
骨科教学 传统上，外科教学采用1:1学徒制模式，包括直接在手术室、在高级外科医生的监督下获得临床技能等，现在因为成本高、工作时间限制和道德问题，临床医学教学受到限制。基于虚拟现实技术的虚拟解剖学可以清晰显示骨、关节及周围结构的三维立体空间关系，包括重要神经、血管结构与走形，肌肉、肌腱及韧带在骨及关节起止点，相应解剖结构的体表标志和生物力学特性等。虚拟解剖学只是对人体解剖结构静态的学习，虚拟交互肌肉骨骼系统（VIMS）更重视对人类运动时骨骼肌肉功能的学习，它将生理学、工程分析与计算机科学相结合创造了“虚拟人”。虚拟交互肌肉骨骼系统（VIMS）利用生物力学分析和图形建模的专业知识，在结构层面研究关节和结缔组织力学，包括置入的假体和
手术培训 在外科发展历史中，尸体和动物因为在了解临床解剖和手术入路方面具有高仿真性，所以长期用来进行手术培训。由于应用尸体和动物进行手术培训费用增加、感染传染病风险增加，其应用受到限制。综合比较用于骨科培训的尸体、动物、人造骨、认知模拟器及虚拟现实模拟器，虚拟现实模拟器具有明显的优势，能够进行三维定位和手术模拟。现在应用最多的培训平台是VR关节镜模拟器，Rebolledo等研究表明，接受手术模拟训练的外科住院医师与没有接受相同模拟训练的住院医师相比，在肩关节镜尸体测试中表现较好，手术技能较高、时间缩短、组织损伤减少等。Hou等研究表明虚拟手术培训系统（VSTS）应用于椎弓根螺钉内固定手术训练，模拟仿真性更高，优于传统的培训方法，可以作为手术培训的一种选择。Peders⁃en和Akhtaar等两个团队对一种新型虚拟现实创伤模拟器用于股骨粗隆间骨折动力髋螺钉（DHS）内固定及
术前计划 利用虚拟现实技术，术前可告知患者手术过程，缓解患者焦虑；可进行复杂手术模拟，寻找最佳手术方式。Bekelis等在一项随机对照试验中证明，接受术前沉浸式VR（IVR）的患者较非VR组在围手术期压力减小、焦虑减轻、满意度增加、恢复较好。医院可以创造一个沉浸式的虚拟环境，最大限度地缓解患者围手术期压力，提高围手术期管理水平。Chan等评价了沉浸式虚拟现实疗法在局部麻醉下进行关节置换术的可行性和潜在的镇静效果。9例患者接受了IVR、局部麻醉和镇静治疗，10例患者接受常规护理，IVR组异丙酚平均用量为63±21mg/h，常规护理组为（155±45）mg/h，（P=0.088），术后满意度无显着性差异。本试验说明，在手术室环境下提供IVR是可行的，其有镇静作用，可减少麻醉药用量，不影响手术疗效。CT或MRI扫描得到的图像被保留成Dicom格式，Amira软件或Mimics软件读入Dicom格式的图片并处理可得到3D模型，利用MedCAD软件可在3D模型上进行手术模拟。对于腰椎转移性肿瘤，贺小兵等利用Mimics软件三维重建，三维测量功能为选择手术入路、重建脊柱稳定性、制定手术方案提供了有效的评估方法。骨科医生在可视化3D模型上进行虚拟仿真手术操作，为术中精确的脊柱椎弓根螺钉固定、置入合适的钛网、后路重建腰椎序列稳定提供了客观而科学的术前准备。显微内窥镜经椎弓根椎体切除术的主要障碍是神经根损伤、硬膜外出血、邻近结构引起椎体置换空间不足等，Archavlis等证明了一种基于虚拟三维规划的改良显微内窥镜经椎弓根椎体切除术，对置入物的定位有很大帮助。虚拟三维规划能清晰显示解剖结构的形态、空间方位和毗邻关系，从而便于术前规划、选择手术入路和手术模拟操作，减少术中损伤及术后并发症。Kosterhon等研究发现术前
术中导航 在传统的骨科手术中，骨科医生的手术视野往往会被血液或软组织所阻碍，手术是否成功主要取决于骨科医生的技术和感觉。计算机辅助导航系统除了需要计算机平台、跟踪系统（通常是光学摄像机）和一组红外标记（在术前将红外标记定位到特定的解剖骨性标志上）外，还需要依靠虚拟现实与增强现实技术。Elmi-Terander等研究两位外科医生在4具尸体的胸椎上放置94枚椎弓根螺钉，其中一侧应用导航穿刺技术（47枚螺钉），对侧采用徒手穿刺技术，两种方法均不使用X线透视。实验的最后结果是：导航穿刺技术在总准确度（85%vs.64%，P<0.05）方面优于徒手穿刺技术，尤其是螺钉放置在理想位置（51%vs.30%，P<0.05）和4mm以上骨折减少（2%vs.25%，P<0.05）。基于虚拟现实与增强现实的应用，Fritz等在尸体上研究叠加技术在髋及肩关节造影中的应用，a有10年工作经验，b有15年工作经验，a.进行了12次肩关节注射和12次髋关节注射，b.进行了11次肩关节注射和10次髋关节注射。髋关节及肩关节穿刺过程中，造影针的调整率（a：4.2%，b：23.8%；P=0.08）、靶误差（标准偏差：3.1mm±1.2mm，a：2.9mm±1.4mm，b：3.5mm±0.9mm；P=0.07）、关节内注射成功率（均为100%，P>0.99）和关节造影时间（平均时间为14min，范围为6~27min；a为12min，范围为6~25min；b为16min，范围为6~27min；P=0.22）。结果显示两个操作人员在叠加技术下进行关节穿刺差异无统计学意义，该研究说明图像叠加技术为人体尸体肩关节及髋关节造影提供了准确而有效的指导。Lee等介绍了一个混合现实支持系统，它结合了多模态成像、基于模型的跟踪和混合现实可视化等技术，用于创建一个支持骨科手术中脊柱椎弓根螺钉置入的混合现实环境。它具有一种基于三维模型的自动工具分割跟踪算法，对于被手遮挡的外科工具也可以进行跟踪，该交互式三维混合现实环境为骨科医生提供了直观的手术位置，并支持骨科医生在螺钉置入过程中快速定位手术位点和手术工具。在骨科手术中应用导航可减少失误、并发症、术中透视、手术时间，缩短手术学习曲线等。
术后康复训练 康复训练是通过物理疗法、体育锻炼、技能训练和心理治疗等多种手段，使伤残者、老年人和手术后患者机体功能得到恢复，达到生活自理、劳动和工作能力恢复的目的。目前的康复训练过于单调、乏味、枯燥，不能引起患者的兴趣，康复效果不理想。Im等开发了一个三维交互式虚拟现实系统（3DARS），在增强肌力、增加关节活动度、训练下肢平衡及深感觉等方面效果较好，可改善老年人及下肢手术后（如髋膝关节置换术）患者的下肢功能。Gokel⁃er等研究结果表明，ACL重建术后患者在行人交通场景虚拟现实环境中进行跳台训练，膝关节功能得到较快较好恢复，与对照组健康人的运动模式接近，减少第二次ACL损伤。Eini等研究的摄像机跟踪项目控制装置是应用于腕关节主动屈伸评定的，项目任务是通过屈伸腕关节引导虚拟飞机通过虚拟环境中显示的不同高度的矩形框架，为了完成项目任务，需要较大关节活动度，可以应用于腕关节功能锻炼。
Lloréns等研究的虚拟康复跟踪系统可用于检测真实世界中的运动，并将其转移到虚拟环境中。该项目的目的是在一个限定的范围内，用最近的脚踩上升的物品，然后返回原位置，另一只脚在限定的范围内，可以用于踝关节功能评估和锻炼。具有游戏性质的虚拟场景让患者沉浸其中，较传统物理治疗可增加训练动机、提高积极性、增加疗效。应用虚拟现实技术的康复训练，可以实现游戏与治疗、心理引导与生理治疗的结合，不仅达到物理锻炼的目的，还引起患者的兴趣，刺激大脑的运动区，康复训练事半功倍。
虚拟现实技术在骨科的发展潜力
虚拟现实技术促进了骨科的发展与进步，应用越来越广泛，功能越来越强大，在骨科仍然有很大的发展潜力。谷歌眼镜是一款增强现实型穿戴式智能眼镜，可以应用于计算机辅助导航系统，把术前建立的3D虚拟模型重叠在患者身体上，可实现手术导航的精确性、实时性、可视化等。机器人的特点是操作精确、不知疲倦，可以利用虚拟现实技术将人类的经验、适应性、批判性分析等优点应用于机器人，能够降低成本、提高复杂手术的成功率，使患者获得更好效果。总之，虚拟现实技术在医学具有广阔的应用前景，将在培养优秀医生、解除患者病痛、发展国家医疗卫生事业做出巨大贡献。
来源：中国矫形外科杂志2018年11月第26卷第21期
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