作者：中国人民解放军总医院第四医学中心骨科医学部      张里程

近年来,随着科学技术的不断进步,创伤骨科导航技术与装备也实现了长足发展。然而,人体骨骼解剖结构复杂,往往毗邻着重要的神经、血管及器官,这就使得在创伤骨折复位和固定过程中,常存在提高手术精度与导致医源性损伤的矛盾。目前,骨科导航技术及装备在关节外科、脊柱外科等手术领域已得到广泛的应用,但在创伤骨科这一领域,由于患者骨折类型差异大、病情相对复杂且手术方案更加多变,其应用仍较有限。智能增强现实(AR)导航装备的发展,为解决上述难题提供了新思路。智能AR导航装备是一种结合了AR技术和导航功能的设备,通过将虚拟信息(如文字、图像、方向指引等)叠加到现实世界的视图中,帮助用户在现实环境中快速获取多种形式的相关信息,并提供精准、实时的导航指引。在创伤骨科临床应用中,智能AR导航装备能够将创伤处的骨与软组织解剖信息进行叠加呈现,从而显著提升医师对损伤程度、骨折分型等方面的精准诊断能力。在手术过程中,该装备可将患者的三维解剖结构、术中规划通道等关键信息实时呈现在外科医师眼前,不仅有助于提高手术的精度,还能增强手术的安全性。此外,智能AR导航装备还为教学领域带来了更多维度的素材,丰富了教学内容,提升教学效果。本文旨在深入探讨智能AR导航装备在创伤骨科领域的应用现状与最新进展,并对其未来应用前景进行前瞻性展望,为创伤骨科领域的智能AR导航装备研究与实践提供有价值的参考与启示。

国内外AR导航产品进展

目前,国际上许多发达国家开展了AR导航设备装备及技术的研究,并取得了显著进展。2022年1月,美国公司Surgalign的HOLOPortal手术导航系统已获得美国食品药品监督管理局(FDA)510(k)许可应用于腰椎手术,该手术系统是目前世界上最早应用人工智能驱动的骨科手术AR导航系统之一,其具有术中自主解剖分割、自动规划手术计划的能力,同时通过AR交互显示屏在术区显示手术计划与解剖结构,提升手术效果。2022年6月,美国Novarad公司的VisAR增强现实手术引导系统也获得了FDA的脊柱手术应用许可,该系统可将成像数据转换为3D全息图,并可以高精度投射到患者身体,帮助外科医师更专注于手术、缩短手术时间的同时,实现更精准的手术效果。2023年3月,以色列公司Augmedics宣布其XvisionSpineSystem获得FDA批准,该系统可实时、准确定位手术工具的位置,并将其叠加在患者的计算机断层扫描数据上。手术时,XvisionSpineSystem会将3D图像以及轴向和矢状平面投影同时呈现到外科医师眼前,外科医师可以看到术区被遮挡手术工具的实时位置和轨迹,方便进行术中导航,从而使手术操作清晰、简洁、安全、高效。与国外相比,国内产品较少,2024年4月,上海霖晏医疗科技有限公司研发的AR导航系统HolonaviS成功通过国家药品监督管理局批准,并在临床上应用于脊柱手术中。在一项临床研究中发现,使用传统CT引导下放置椎弓根螺钉所需平均时间为(30.32±10.40)min,放置准确率为91.7%,而在AR导航系统HolonaviS辅助下放置椎弓根螺钉所需平均时间仅为(16.33±9.93)min,放置准确率为98.0%,在术中出血、并发症等方面两组无明显差异,这就表明在脊柱外科手术中AR导航系统HolonaviS辅助下放置椎弓根螺钉所需时间更少,准确率更高。由此可见,国内在智能化AR导航设备领域已取得实质性突破,未来有望进一步缩小与国外的差距,为创伤骨科医师提供更有力的支持,推动创伤骨科诊疗向精准化、高效化的方向进一步发展。

智能AR导航装备在术前规划中的进展

创伤骨科中骨折状态具有高度个体差异性,传统X线和CT检查各存局限,导致临床精准诊断及分型面临重大挑战。其中,X线检查为二维图像,不仅分辨率有限,不同空间位置骨块的成像结果叠加后还互相干扰,缺乏深度信息；CT检查虽然提供了更清晰的细节信息,但断层信息可能导致细节信息丢失,且对医师空间想象力要求较高,辐射剂量大,缺少软组织损伤信息。智能AR导航系统能够将多源影像数据实时融合,提供多视角、全方位的创伤骨科诊断信息,医师可通过头戴式显示器实时查看创伤区域的三维立体图像,精确分析骨折的类型、形态和分布,观察骨折断端与周围组织的关系,明确骨折的复杂程度,并评估潜在的并发症。这种实时数据融合能够帮助医师更好地理解骨骼与软组织的关系,从而做出更为精准的诊断决策。智能AR导航设备能够辅助医师提高对骨折精准诊断分型能力,为进一步开展术前手术路径规划奠定了基础。传统创伤骨科术前规划主要依赖术前静态影像数据,难以精准规划；而AR导航设备能将多维度、动态的影像信息直观立体呈现,帮助医师全方位、立体化审视骨折部位的细微结构与复杂形态,避免遗漏骨折特征。在此基础上,医师可将设计的手术路径、内固定器材等同步呈现于骨折图像,甚至模拟手术,从而为个性化、精准化的手术规划方案提供科学依据。

智能AR导航装备在创伤骨科手术中的进展分析

随着三维建模和智能AR技术的不断进步,智能AR辅助手术导航已成为创伤骨科手术领域的研究热点。传统的手术可视化系统通常依赖X线、CT、MRI等影像学资料提供参考信息。然而,外科医师需要将二维图像与三维空间信息结合使用,这种需求导致术前图像与术中信息可能存在不匹配的情况,术者依靠术前影像资料进行手术可能导致误判与误操作,造成不必要的损伤,因此在创伤骨科中发展智能AR导航装备能够在一定程度上解决创伤骨科所面临的难题。

提升手术精度     三维可视化手术导航设备利用患者原有的X线、CT等影像数据,结合三维可视化技术,使医师术前能够模拟关键操作步骤,并借助光学定位仪实时跟踪手术器械与手术操作部位之间的位置关系,从而辅助医师进行精确的手术操作。大量临床研究表明,三维可视化导航技术能够显著提高骨折复位率、减少手术并发症、降低病死率,且临床疗效优于传统手术。凭借精准的图像融合技术以及智能AR导航设备,医师能够获得高精度的虚拟解剖引导,手术误差大大减低。

提高手术效率     与骨科其他亚专科相比,创伤骨科手术的可视化领域需求更大。尽管三维可视化手术导航技术能显著提高治疗效果,医师在手术过程中仍然需要频繁地在手术现场与辅助显示器之间切换视线,导致手术时间的延长。手术目标和器械往往会被其他解剖结构遮挡,增加了操作的复杂性。为了解决这一问题,三维可视化数据逐渐同步到AR头戴设备上,结合AR设备的光学追踪与配准技术,形成了AR头戴式导航装置。该装置将虚拟图像与手术区域的实际解剖结构叠加,为医师提供更准确、实时的导航信息,且整个手术团队可以共享视觉信息,减少团队成员之间沟通的复杂性,提高团队协作效率。智能AR导航装备能够打破术中频繁查阅影像、反复核对手术位置的繁琐流程,减少麻醉和手术的综合风险,最终加快患者的术后康复进程。这使得在提高手术安全性的同时缩短手术时间,降低并发症的发生风险。

提升手术安全性     AR技术可以将手术计划和患者解剖结构的3D模型直接叠加在患者身上,传统的手术导航通常需要依赖X线、CT扫描等影像技术,这些影像在实时操作中常会带来辐射暴露。而AR导航装备通过集成患者的三维影像数据和实时定位技术,可以有效减少对传统影像设备的依赖,从而降低医师和患者的辐射暴露。Klopfer等的团队采用了术中动态实时跟踪和成像系统,无需在术中使用X线便完成了胫骨髓内钉的植入。智能AR导航装备有助于减轻医师的认知负担和辐射暴露,医师通过清晰直观的虚拟图像进行操作,减少了多次辐射检查的需要,从而降低了辐射暴露和认知负担,提高了患者的安全性,缩短术后康复时间。

智能AR导航装备在教学中的进展分析

近年来,智能AR导航装备在医学领域,特别是创伤骨科教学中的应用,得到了迅速发展。随着技术的成熟,智能AR导航装备不仅在手术导航中展现了巨大潜力,也为医学教育和技能培训提供了全新的视角和工具。研究表明,智能AR导航装备在骨科手术中的应用不仅能提高手术精度、减少手术时间和降低辐射暴露,还具有显著的教育意义。对于实习与规培医师来说,智能AR导航装备有助于他们更好地理解骨科手术中的复杂解剖结构和操作步骤。

国内外多所医学机构和高校已开始将AR技术应用于创伤骨科手术教学中。使用AR技术创建虚拟的骨骼和骨折模型,学生可以通过AR设备观看骨折的三维重建图像,并进行手术操作的模拟。智能AR导航装备能够为学生提供实时的手术步骤指导,创伤骨科手术中许多操作难度较大,尤其是一些复杂的骨盆骨折、肱骨近端骨折、肩胛骨骨折等,往往需要高精度的技术支持。AR设备通过精准的图像匹配和虚拟现实技术,将难度较大的手术步骤虚拟化,帮助学生通过模拟操作、复盘手术步骤等方式加深对手术技巧的理解和掌握。与此同时,AR技术能够及时识别学生的操作错误并提供反馈,帮助学生纠正不当动作。智能AR导航装备通过可视化的方式直观呈现复杂骨折和深部关节病变,帮助年轻医师快速掌握手术要点,资深医师应对疑难杂症时更加得心应手,从而提升了诊疗信心和质量。

智能AR导航装备目前存在的问题

尽管智能AR技术在创伤骨科领域已显示出极大应用前景,但具体到临床应用仍受到一些限制。与传统手术相比,智能AR导航设备辅助手术的临床效果仍然有待进一步研究验证。

智能AR导航设备存在技术瓶颈     一方面,术中人体微动、局部组织变形等,易引发图像信息的配准偏差,目前的算法仍难以做到实时精确校准；另一方面,投射偏差难以消除。当前,头戴式AR装备显示的虚拟图像与实际视野不完全匹配,这种偏差导致医师无法正确地将虚拟信息与现实操作同步,从而影响手术的精确性和安全性,严重限制了头戴式智能AR导航装备在临床中的应用。此外,手术室内强光和电磁干扰也可能影响AR设备的稳定性,导致画面抖动和失真等,反而干扰医师的术中判断。

智能AR导航设备性能的不足     (1)术中导航需要实时获取大量的位置信息和图像数据,如果数据传输延迟,虚拟信息与现实场景不匹配,将严重误导术者判断。(2)电池续航不足也限制了设备性能,表现在供能时间短、充电方式不便等。(3)现有的设备体积巨大,简便性不足,操作复杂,降低了术者的使用意愿和现实体验。(4)设备的交互效率较低,语音识别和人体动作识别的精度和实用性仍有很大的提高空间。(5)智能AR导航设备缺乏统一的技术标准和操作规范,使得各型设备之间的互联互通和数据共享受到限制,影响了技术的推广和应用。(6)智能AR导航装备相关的法律法规还不够健全,存在一些潜在的法律风险和责任界定不清的问题。如果出现医疗事故,外科医师、AR导航设备公司等相关人员的责任划分不明确。尽管智能AR导航设备在创伤骨科手术中具有巨大的应用潜力,但目前在国内的研究和应用较国外相比还存在诸多不足和挑战。未来,仍需通过不断的技术创新和应用拓展开发精度更高、稳定性更好的新设备,为创伤骨科手术效果的提升提供新技术。

总结与展望

在当前科技飞速发展的背景下,智能AR导航装备为创伤骨科领域带来了诸多变革与进展。目前,国外多家公司的智能AR导航产品已获许可并应用于骨科手术；与之相比,我国虽然产品数量较少且存在技术差距,但近年来的快速发展已大幅缩小这一差距。针对创伤骨科治疗中精度高、损伤小的需求,智能AR导航装备可融合多源影像数据,辅助医师精准诊断分型,为个性化、精准化的术前手术规划提供科学依据。手术过程中,智能AR导航设备从精准化、高效化、安全化三方面促进了创伤骨科手术的发展,减少手术中的组织创伤,缩短患者的康复时间,降低并发症的发生率,提高了手术治疗效果。在教学领域,其为学生提供了虚拟模型与实时指导,有助于提升学生对复杂手术技巧的掌握。在教学方面,帮助学生全方位探明骨折区疾病特点、模拟手术过程、锻炼手术技巧,从而提升教学效果。同时,智能AR导航装备在临床应用中仍面临诸多需要解决的问题。技术层面存在图像配准偏差、投射偏差以及受强光和电磁干扰等问题；性能方面,数据传输延迟、电池续航不足、设备体积大且操作复杂、交互效率低、缺乏统一标准与规范以及法律法规不健全等,都需要在技术发展过程中着力解决。

展望未来,随着技术的持续创新与突破,智能AR导航装备有望逐步克服当前面临的技术与临床应用难题。在技术上,优化算法可解决图像配准和投射偏差问题,提高设备在复杂手术环境下的稳定性。在性能提升方面,有望实现数据的高速稳定传输,增强电池续航能力,缩小设备体积并简化操作流程,提升交互效率。在临床应用方面,有助于进一步优化其在手术中的应用流程和参数设置；国内的智能AR导航设备新产品也有助于推动国内创伤骨科行业向智能化、精准化、安全化方向迈进,为患者带来更好的医疗效果。

来源：创伤外科杂志2025年第27卷第5期