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摘要：髋关节及周围的软组织结构复杂，传统髋关节手术难度大、风险高。增强/混合现实技术可以将虚拟的髋关节信息投影到现实世界，成为外科医生的得力助手。本文对增强/混合现实技术在髋关节手术教学及培训、术前规划、术中可视化及导航、术后康复及远程会诊手术等方面的应用现状进行综述，为进一步的研究提供参考。
关键词：增强现实；混合现实；髋关节；可视化
本文引用格式：王雪彦,王兆杰.增强/混合现实技术在髋关节手术的应用现状[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(74):37-40.
Current Application Status of Augmented/Mixed Reality Technology in Hip Surgery
WANG Xue-yan1,WANG Zhao-jie2*
(1.Bone and Joint surgery,Yantai Affiliated Hospital of Binzhou Medical University,Yantai,Shandong,264100;2.The 12th People’s Hospital of Guangzhou City,Guangzhou,Guangdong,510000)
ABSTRACT：The complex structure of hip joint and surrounding soft tissue makes traditional hip surgery difficult and risky.The augmented/mixed reality technology can be used to project virtual hip data into the real world,which has become a surgeon’s right hand.The application status of augmented/mixed reality technology in hip surgery teaching and training,preoperative planning,intraoperative visualization and navigation,postoperative rehabilitation,remote consultation surgery and other aspects are reviewed in this paper to provide reference for further study.
KEY WORDS：Augmented reality(AR);Mixed reality;Hip joint;Visualization
0引言
随着计算机技术的进步，“数字医学”也在此基础上迅速发展，继医学图像3D可视化技术、3D打印技术及虚拟现实技术（VR）取得满意的临床效果后，增强/混合现实技术（AR/MR）因其具有强化辨识内在结构、实时动态可视化等优点逐渐进入大家视野，并逐渐应用于许多医学领域，近年来，国内外在髋关节手术培训、术前规划、术中导航、术后康复等方面应用此技术取得较满意临床效果。
1增强/混合现实技术
增强现实技术（AR）是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的3D新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等）通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人的感官所感知，从而达到超越现实的感官体验[1]。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。
混合现实技术（MR）则是在增强现实技术的基础上发展而来，将虚拟信息和真实信息融合，利用全息影像、实时交互等技术对现实世界进行重塑，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感 。可以认为是对增强现实技术的改进。虚拟现实技术（VR）是利用电脑模拟产生一个三维立体逼真的虚拟环境，其中的一切事物都是虚拟的，而增强现实和混合现实技术则是虚拟世界和现实世界的叠加，实现虚实结合，许多文献中也没有把两种现实技术给予明确区分，所以我们以“增强/混合现实技术”为题区别于虚拟现实技术。
2增强/混合现实技术在髋关节手术的应用
2.1在髋关节手术教学及培训中的应用。众所周知，80%的手术失误是人为因素引起的，可见手术训练的意义极其重要。年轻的手术医生在真正走向手术台前，均需进行大量精细的训练[4]。而髋关节及周围的软组织解剖结构复杂，年轻手术医生想要熟练掌握髋关节手术，需要花费大量的精力及漫长的学习曲线。增强/混合现实技术恰恰可以提供理想的培训平台，通过虚拟的髋部三维影像和现实世界的结合，可以使受训的医生仿佛在完成一台真实的髋关节手术。增强/混合现实技术有效增加了青年骨科医师动手操作、训练的机会，极大地缓和了有限的医疗资源和实践手术操作需求[5]。同时，髋关节手术一般操作复杂，步骤繁琐。增强/混合现实设备上的高清摄像头可以提供手术医生视角，并通过系统三维立体的呈现在年轻医生面前，年轻医生可以通过增强/混合现实设备与手术医生进行实时沟通、学习、交流[6]。可以使年轻医生直观的感受手术操作的步骤，操作时的注意事项，加快手术信息的获取速度，提高髋关节手术学习效率。Johns等[7]介绍了一种基于增强/混合现实技术，针对髋部骨折的透视辅助导航训练模拟器，该系统通过钻头运动与模拟器上虚拟图像的同步显示，使操作者可以通过屏幕上的实时透视图像对操作进行矫正，适用于骨科医师髋部骨折手术的培训。Condino等[8]介绍了一种基于混合现实技术的骨科模拟器，以人工髋关节置换为基准，结合拉触觉、视觉和音频技术创造出一个浸润模拟真实的训练环境，研究结果显示模拟器整体工作负荷较低，受试者自我评估表现令人满意。视听感知、手势和语音交互得到了积极的反馈，姿势不适和视觉疲劳在40分钟的模拟过程中得到了非负评价。增强/混合现实技术在髋关节手术培训中体现出蓬勃的生命力，相信不久的将来，随着髋关节手术训练模拟器的普及和应用，将有越来越多的年轻手术医生将因此受益，有效缩短髋关节手术的学习曲线，为更早的独立完场髋关节手术打下坚实的基础。
2.2在髋关节手术术前规划的应用。由于髋关节及其周围软组织解剖结构复杂、手术暴露困难等因素的影响，复杂的人工全髋关节置换术及骨盆/髋臼骨折一直以来是髋关节手术医生的难题，增强/混合现实技术可以将CT、MRI等影响学资料汇入增强/混合现实系统，经过复杂的处理、分析、整合，利用增强/混合现实设备使髋关节解剖结构三维立体的呈现在手术医生面前，手术医生可以直观的感受髋关节疾患的类型，骨折的形态及缺损的大小，通过反复的交流，探讨，制定最佳手术入路，最完美截骨计划及最适合的髋关节假体或钢板。而对于翻修手术和肿瘤型置换手术，增强/混合现实技术同样可精确显示切除范围和假体大小。使手术医生在真正手术时更加从容、自信，从而缩短手术时间，减少手术失败的发生率，操作复杂的髋关节手术的基线进一步降低，有利于提升髋关节手术医生队伍的整体素养。Shen等[9]通过增强/混合现实技术开发了一套用于单侧骨盆及髋臼骨折术前个体化钢板设计、制定手术入路的系统，通过三维重建复位后的骨折模型，设计个体化虚拟钢板并与真实环境融合，直视下实现钢板预弯，并规划出钢板放置的方向，实现了缩短手术时间、减少手术侵袭、降低手术复杂性及减少术后并发症的目的，获得了满意的复位和固定。Ogawa等[10]基于增强/混合现实技术开发了一种AR-HIP系统，使用此系统可以在行全髋关节置换术前提供比传统技术更精确的术中髋臼杯放置角度。经过增强/混合现实技术引导下的术前规划，可使复杂的髋关节手术趋于简单，实现满意手术效果。
2.3在髋关节手术术中可视化及导航的应用。增强/混合现实系统可以将合成的髋关节虚拟场景与真实的手术场景进行叠加，可以对髋关节的创伤、畸形等进行精确定位，辅以术前规划的手术切口、截骨计划、关节假体及钢板等，实现精准手术治疗方案，有利于提高内置物的使用寿命。髋关节周围重要的神经、血管、脏器等运用不同的颜色进行标识，可以大大减少损伤的发生率，避免术者因为害怕损伤重要解剖结构而畏首畏尾，最终导致手术时间的延长甚至手术的失败。髋关节肿瘤切除由于解剖结构复杂，肿瘤体积大，重要器官邻近，具有一定的挑战性[11]。增强/混合现实技术对于髋关节肿瘤的切除却体现出了独特的优势，肿瘤切除需要肿瘤、正常组织和邻近关节之间的纵向关系，传统髋部肿瘤边界的确定主要是通过术者对于影像数据的分析和术中自己多年的临床经验，而增强/混合现实技术可以使三维虚拟影像与患者进行精确重叠，通过不同的颜色标识直观的显示髋部肿瘤位置及大小，避开周围血管、神经，实时显示切除边缘，最大限度地提高手术切除的准确性，保护邻近的髋关节。
Lee等[12]提出了一种基于实时模型跟踪的图像引导干预增强/混合现实支持系统，用于术中引导骨盆/髋臼骨折螺钉置入微创手术治疗。传统的螺钉置入手术需要大量的术中透视，通过不断的尝试找到正确的螺钉置入方向。该系统可同时描绘出髋部解剖图像数据、手术部位、计划的轨迹和跟踪的手术工具，有助于术者直观地感知目标深度、方向及其与手术工具的关系。在手术中，手术医生可以在复杂的解剖结构中清楚地看到钻孔路径。达到了缩短手术时间、减轻手术任务负荷和减少手术辐射的目的。Liu等[13]介绍了一种基于深度传感技术和增强/混合现实技术用于髋关节表面置换中股骨侧中心定位钻孔的导航系统，通过虚拟信息与现实环境的叠加，医生通过一些简单的语音或手势与增强/混合现实设备交互，提高了钻孔的效率和精度，在一定程度上减少了手术的时间。Fotouhi等[14]提出了一种基于两个C臂X射线图像的术中组件规划系统，结合三维增强/混合现实可视化，用于指导全髋关节置换术中髋臼杯的放置。该系统考虑到骨盆仰卧在不同的平面上倾斜角度，实时精确的导航髋臼杯的放置，有助于减少术中辐射、手术时间和挫折感，并可提高放置髋臼组件的效率和准确性,并且证实可能有助于降低髋关节病变患者进行翻修手术的风险。Cho等[15]提出了一个基于增强/混合现实技术用于评估股骨侧肿瘤切除准确性的手术导航系统，通过对手术边缘和计划手术边缘进行的对比研究，证明了在增强/混合现实导航系统的帮助下，股骨肿瘤切除的准确性令人满意，该系统提高了经验丰富和经验不足的手术医生手术边缘的准确性。通过提供关于肿瘤位置的附加信息，可以在手术时帮助指导外科医生。Choi等[16]介绍了一种基于增强/混合现实技术用于指导髋关节骨肿瘤手术切除平面的术者导航系统，该系统通过对肿瘤切除边缘的实时可视化，并且显示一个虚拟切除平面来指导锯的方向，虚拟切除平面相对于髋部肿瘤的位置和方向实时更新变化，避免术中由于各种因素而造成的边缘安全问题，通过对使用该系统进行手术切除和传统技术进行手术切除的研究，结果表明该系统可以提示肿瘤准确的切除边缘和锯入角度，切除精度明显高于传统手工方法，具有良好的实用性。增强/混合现实技术引导下的髋关节手术应用刚刚起步，但其手术具有直观的识别和详细的影像信息，较少的精神工作量和时间，操作简单，手术风险低等优点，已经表现出了诱人的前景。
2.4在髋关节手术术后康复的应用。随着经济社会的快速发展，行髋关节手术的患者对于术后功能的要求越来越高，良好的髋关节术后康复不仅可以改善髋关节的功能，还可以减少术后并发症。然而目前的康复训练过于单调，不能引起患者的兴趣，康复效果并不理想[17]。在髋关节术后的康复治疗中，增强/混合现实技术可以创造出各种各样的虚拟环境，并将虚拟内容和现实叠加后呈现在患者的面前，虚拟增强环境还可以通过选择性地激活大脑的运动区域来专门针对运动学习。有效唤醒神经元的残余功能,实现功能重塑从而改善下肢运动能力和不适症状[18]。既可满足物理康复训练要求，又可让康复训练过程充满趣味性和目标性，达到更好的康复效果。Im等[19]为改善术后老年人下肢功能和平衡，基于增强/混合现实技术研制了一种新型的三维交互式增强现实系统（3D-ARS），该系统可以让受试者与显示在他们面前的虚拟物体实时互动，并可实时查看受试者的状态，经过四周为期10个疗程（每次30 min）的3D-ARS培训，结果显示可以改善髋关节术后老年人下肢的平衡性和活动性，且康复锻炼的积极性较前明显提高。Ku等[20]评估了3D-ARS系统对老年人平衡和运动康复的临床疗效，通过对常规体能训练组患者和3D-ARS训练组患者的对照，研究表明两组患者的稳定性指数、体重分布指数、跌倒风险指数和姿势学的Fourier变换指数总体上均有改善。然而，3D-ARS组的评分变化明显更大。说明3D-ARS系统可以更有效地改善髋关节术后老年人的平衡。随着当今社会对精神生活要求的日益提升，枯燥的康复锻炼模式已经越来越无法满足患者的需要，基于增强/混合现实技术的髋关节术后康复模式因其良好的趣味性及更佳的康复效果，必将引导未来术后康复发展的方向。
2.5远程会诊手术指导。远程指导是指在涉及实时双向视听通信的操作或程序中，对缺乏经验的个人进行远程指导。远程手术指导可以创建易于访问的术中咨询，允许外科医生克服诸如距离和时间安排等障碍，实现通过数字展示再现面对面的交流，降低正式指导成本[21]。髋关节是连接躯干与下肢的重要关节，在人们的日常工作和生活中起着十分重要的作用，髋关节病变会给患者带来慢性疼痛及下肢功能受限，而长期的慢性疼痛患者会采用消极的认知态度对生活事件进行处理且会形成不同程度的消极认知[22]。在偏远地区的患者，由于交通不便或当地医疗条件无法实施手术时，增强/混合现实技术可以很好的解决患者这一系列的就医问题。通过增强/混合现实系统、增强/混合现实设备及手术室高清摄像头，将远程环境的第一人称视图呈现给远程位置的专家，使他们能够更好地了解关键情况，并在关键时刻提供更好的指导和精确的引导，协助医生实施手术。Hashimoto等[21]在2014年对谷歌眼镜用于开放性手术远程会诊的视频质量进行评估，得出结论该设备目前不足以获得安全可靠地进行远程指导所需的视频质量，并提出希望外科医生和工程师一起合作，设计一种符合手术室和外科医生需求、易于使用的头戴式远程指导设备。微软Hololens全息眼镜在功能及运算能力上较谷歌眼镜有明显提升。Wang等[23]使用微软Hololens开发了第一个远程医疗指导系统，并证明了该系统在远程医疗中的可行性，并在实际应用中有一定的适用性。但至今为止，关于增强/混合现实技术在远程医疗指导的文献仍然较少，没有找到关于增强/混合现实技术在髋关节远程会诊手术的相关文献报道研究。但我国武汉协和医院骨科医院主任医师叶哲伟、吴星火、刘融手术团队在2018年1月8日成功实施全球首例基于混合现实技术的多地远程手术会诊。我国科研团队已经掌握了世界领先的增强/混合现实远程会诊手术技术，在不久的将来，将用此项技术造福越来越多因各种原因无法得到良好就医保障的人群。
3增强/混合现实技术在应用中亟待解决的问题
随着科技的进步，谷歌眼镜、微软Hololens眼镜等增强/混合智能穿戴设备在医学应用中应用越来越广泛[24]，增强/混合现实技术也逐渐进入了髋关节外科手术医生的视野，经过近几年的应用和发展，取得了良好的应用效果，但增强/混合现实及时要想大规模普及，仍然存在着几个难题[25-29]。
①设备GPU运行速度较慢，可能会使佩戴者产生眩晕感，而这恰恰是手术医生十分忌惮的事情。②设备与外科手术平台、医院住院系统等兼容的应用程序尚少，需要程序员和医学专家合作进一步开发和推广。③许多文献中容易找到佩戴智能穿戴设备不适和疼痛报告，不利于手术医生工作。④智能穿戴设备电池续航能力欠佳，进行手术操作时设备只能持续1-2 h，不能满足部分手术需要。⑤穿戴智能设备进行手术可能会分散手术医生注意力。⑥设备自带相机的摄像角度、范围及视频质量仍有所欠缺。⑦手术中较好的虚实场景的匹配仍有待改进，穿戴设备实际操作仍有困难。⑧由于有第三方介入，患者隐私保护也是亟待解决的问题。
4结论
虽然增强/混合现实技术在髋关节手术应用才刚刚起步，但是医疗行业中已经展现出了蓬勃的朝气，相信在不远的将来，随着增强现实设备的不断进步，术前手术教学、培训、术中导航、术后康复及远程会诊手术系统的日趋完善，增强/混合现实技术将会为我们培养更多优秀的髋关节外科医生，更多的髋关节手术难题也会迎刃而解，更多的偏远地区患者也能得到优质的医疗手术服务。增强/混合现实技术代表了髋关节外科乃至整个骨科的发展方向，是在精准医疗发展背景下的必然要求，展现出了十分广阔的发展前景。
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