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医学工程学和物理学
摘要：本文综述了当前虚拟现实训练臀部、膝盖和其他模拟骨科手术,包括选择性和创伤手术。至今仍没有任何对髋关节和膝关节矫形模拟器的研究评论和关注。本文对现有的模拟器特性进行了比较，以确定缺少什么，以及在当前模拟器中需要改进什么。前后共分析了11例髋关节置换手术前的计划工具，以及9例髋部创伤骨折训练模拟器。另外9膝盖关节镜检查模拟器和8其他骨科模拟器包括了比较。研究结果,对骨科手术模拟器在一般情况下,有越来越多的使用特定的虚拟模型,降低学习曲线。造型也被用于特定的植入设计和制造。越来越多的模拟器在评估和培训中得到验证。在髋关节置换手术中，很少有训练模拟器可供使用，但更先进的虚拟现实技术正被用于其他手术，如髋关节创伤和钻孔。培训模拟器髋关节置换和骨科手术一般落后于其他手术,虚拟现实已经变得更加普遍。进一步的发展需要将髋关节置换训练模拟与其他程序进行更新。这表明有一个切入口在一个新的市场有一个关于高保真髋关节置换和重修的训练模拟器的切入口。
关键词:髋关节矫形、置换、重建模拟器，触觉建模
1. 介绍
本文综述当前虚拟现实(VR)基础训练模拟器髋关节置换和重修的,相比其他领域的骨科手术模拟。对模拟器特性进行了比较，以确定缺少什么，以及在当前模拟器中需要改进什么。
目前还没有任何关于髋关节手术训练模拟器的评论。很可能在不久的将来，髋关节手术模拟将成为新的发展的焦点领域，以赶上其他外科训练程序。
骨科手术的模拟器落后于另一个模拟器urgicaldisciplines[1]。在过去的二十年中很少有研究试图创建一个骨科手术模拟器,研究试图验证骨科模拟器的就更少了。需要在骨科做更多的模拟,学员越来越依赖于计算机和实验室培训[2]。脊髓模拟训练仍处于初级阶段。模拟器骨科手术提供一个重要的培训工具。目前培训模拟器只能选择一些学员注册课程和研讨会做模拟特定的程序。
可能是由于相对较长的过程大约60 - 90分钟才能完成的长度过程，导致一直以来缺乏培训模拟器全髋关节置换术。髋关节置换过程的关键步骤是髋臼的铰孔,固定髋臼杯,拉削股管和阀杆的位置。如议论和建议的仿真也是一个非常好的教关节镜技术的方法,这是一个与open orthopaedic surgery[3]不同的技能。A review[4]上确定现有19个关节镜模拟器( 9肩膀,9膝盖,1臀部)显示关节镜是一个关于进行仿真训练受欢迎的领域。
髋关节置换被认为是20世纪最成功、最有影响力的骨科手术。目前每年在英格兰和威尔士有超过66000全髋关节置换(THR) 由国民健康服务(NHS)执行,还包括在英联邦75000髋部骨折矫形 [5]。膝盖关节镜1996 - 2006年之间增加了49%,现在每年超过100万例。
由于人口老龄化，每年需要越来越多的骨科手术。据估计，美国每年出现247,000例髋部骨折，多数发生在45岁以上的人群[6]。髋部骨折发生率上升，部分原因是人口老龄化。这些骨折的成本预计也将从每年70亿美元上升至2040年的近60亿美元[7]。在手术后的第一年，每个髋骨骨折估计在39,555美元到40,600美元之间[8]。髋骨骨折手术后任何骨科手术费用最高，每年额外增加11,241美元的健康费用。由于预计寿命增加，到2050年全球范围内，预计每年将会发生626万例髋部骨折[9]。髋骨骨折手术是最常见的矫形手术之一，仅在膝关节镜下，肩关节镜检查，移除支撑植入物和全膝关节置换术。 85岁以上人口中约有一半患有髋部骨折。髋部骨折手术1年内死亡率为21.9％。
如果发生并发症，可以进行原发性全髋关节置换手术后的修复手术。经过二十年的努力，通常需要一个新的臀部。需要修复手术的原因可能是由于原手术中不正确的茎置入，这在某些情况下可能由于缺乏外科医生的经验而导致，这些模拟器可能有助于改善。修正后，脱位发生率在2％-6％之间，甚至更高[10]。其他研究报告高达8％的脱位[11]。最近髋关节修复手术的数量增加，与髋假体中的金属假体髋臼杯相关，每年可产生数十亿个亚微米磨损颗粒，可导致组织的骨质溶解和松动[12]。股骨植入物的颈部与髋臼部件的边缘之间的另一个并发症是冲击。冲击可能导致髋臼边缘的先进磨损，导致聚乙烯磨损碎片显示以加速植入物骨界面的松动。冲击和脱位的最常见原因是髋臼部件的错位，这可能是由于缺乏外科医生的经验。培训模拟器可以具体说明这一关键技能的实践。模拟这些关键手术可以提高新手髋关节外科医生的技能，降低患者的伤害风险。
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- 虚拟现实优于传统培训的优势
正在进行使用外科手术训练模拟的范例[13,14]。 “看一，做一，教一”的常规硕士学徒学习模式无效，无法保证组合。 由于整形外科技术技术水平很高，骨科VR模拟具有很大的潜力，对提高手术技巧造成了重大影响。 虚拟现实模拟的过渡仅在过去二十年才开始，而尸体训练已经是500多年的黄金标准。
使用VR进行培训对医疗居民尤其有用。 住院指的是研究生医疗训练阶段，对于接受“医师”称号的学员来说，通常是M.D.，D.O.或MBBS，MBChB，BMed。
受虚拟现实训练的居民能够快速地进行手术，而常规训练的居民较慢，更有可能造成伤害，损伤组织或进展手术无法进展，如前瞻性随机，盲法研究MIST-VR腹腔镜模拟器[15]。 腹腔镜手术[16]和肩关节镜模拟器[14]均证实了VR训练的类似益处。
可追溯到1986年的关于计算机辅助矫形外科手术的文章得出结论，“与此技术相关的成本来临之后，”实时演练排练，精确的手术计划和执行以及交互式教学计划将被广泛使用在临床和教学预算范围内“[17]。
模拟在手术领域特别有吸引力，因为它避免了使用患者进行技能练习，并确保受训者在治疗人类之前已经有了一些实践。此外，模拟避免了对目前最实际的训练方法的尸体或动物的需要。手术模拟将程序分解为任务，集中于行为链。手术模拟的目的是通过提供一个受控的，无风险的环境来改善对未来的外科医生的培训，在那里他们可以发展其手术和决策技能，而不会对患者造成任何潜在的伤害。这个想法是，在进入“现实生活”手术剧场之前，他们达到一定的技能水平。
虚拟现实提高了对复杂3D骨结构和仪器处理的了解[18]。触觉技术可以提供外科手术的触觉体验，并且可以与患者特定的MRI或CT数据结合使用，以便在视觉和触觉虚拟环境中使用自动分割[19]。
评分和评估可纳入具有重放或审查能力的VR模拟器中。这可以提供客观的公正评分。最近开发了一个骨科课程，包含4个骨骼训练模块来评估和跟踪骨科手术技能的进展[20]。模块包括（1）皮质钻孔，（2）钻孔轨迹，（3）摆动锯，以及（4）椎弓根探测。这些模块在15个矫形外科手术患者身上进行了测试，结果很有希望[20]。
外科手术要求操作者了解解剖结构，并开发出手术感。 VR训练模拟器通过在体内手术之前允许实践来协助开发视觉空间意识的解剖学和“感觉”手术。这将增加患者的安全性，除了创建一个安全和受控的环境中，以执行程序。模拟器评估技能水平或分析实践技能表现的能力已经通过几项研究得到证实，包括[21]。模拟正在越来越受欢迎，不仅是为了创造模拟场景，而且在学习心理运动技能[22]。
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- 文献检索方法
进行文献检索以找出现有的矫形训练模拟器。 Medline（Pubmed）数据库用于医学主题标题（MeSH）术语的搜索。 另外使用替代数据库进行关键词搜索，包括来自ACM数字图书馆，IEEE Xplore，ASME数字收藏，IEEE / IET Google学者和电子图书馆（IEL）的搜索，其中产生了更多的相关标题。 通过使用欧洲专利法（EPO），通过世界各地的专利数据库进行专利检索以确定现有的知识产权保护。 搜索相关的髋关节手术模拟器使用系统关键词组合列表A中的一个单词和列表B中的一个单词，如表1所示。
表1
在文学和全球专利检索中使用的关键词集的列表
图1.年检查结果（大多数计算机模拟和虚拟现实著作在1995年以后出版）
图1显示了PubMed虚拟现实模拟器的文献年度分布。 大多数文件在1995年以后出版，出版物几乎每年都有增加。
矫形训练模拟器
本节旨在概述和分类现有的矫形训练模拟器，其分为以下四类：（i）选择性髋关节手术模拟器，（ii）髋关节创伤和骨折固定模拟器，（iii）膝关节手术训练模拟器和（iv）其他骨科手术包括骨盆，脊柱和肩膀手术。
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- 选择性全髋关节置换和表面重建模拟器
本节涵盖选择性手术，这些手术是提前安排的，因为他们不涉及医疗紧急情况。全髋关节置换通常是选择性的，因为患者计划提前进行手术。事故后紧急完成的创伤手术在第2.2节中有介绍。
一组生物医学软件工具已经组合到Mimics创新套件1 [23]（Materialize，Leuven，Belgium），允许患者的医学图像数据转换为患者骨骼结构的3D模型（图2a）。然后可以将这些骨骼模型虚拟地操作，以通过切割骨骼，重新定位部件，放置植入物和骨板来模拟截骨术。在选择最佳方法之前，可以尝试各种手术方法。
现今有各种开源软件平台旨在将医疗图像转换成3D模型。 医学图像处理和可视化（MIPAV）[24]是一种在DICOM数据集上应用表面表示的开源工具。 医学成像交互工具包工具（MITK）[25]是DICOM导入，分割，网格生成和卷可视化的工具。 3DSlicer [26]也是将DICOM转换为STL的开源软件工具。 还有更专业的标准选项，包括Simpleware [27]和3D Doctor [28]。 一些专业的产品，如Osirix [29]提供免费版本的研究，但是在食品和药物管理局（FDA）批准的临床工作版本中支付。
图2（a-e）
（a）模拟创新套件[23]（物质化，比利时）
（b）Edheads髋关节置换和重修教育游戏[30,31]
（c）3D手术前髋关节植入计划工具Jun＆Park，2011 [33]
（d）Dick的3D手术前髋关节植入物计划模拟工具 et al。 [34]
（e）由Digioia等人在卡内基梅隆大学开发的HipNav。 [35]
Edheads 2,3设计了两个用于全髋关节置换和重修术的互动游戏，用于儿童教育（图2b）[30,31]。描述了髋关节手术，包括脱位，扩孔，髋臼杯放置，插入和完成。两种不同的患者包括各种年龄，体重和身高。可以学习髋关节手术的程序性步骤，并通过测验问题评估知识。用户不需要身体技能来完成游戏，所以这不允许学习手术的身体感觉。这项比赛于2007年由Edheads（一家非专业教育资源组织）制作[30,31]。该研究由美国威斯康星大学，麦迪逊分校在整形外科和康复系完成。该游戏针对7-12岁的儿童作为个人或小组工作的教育工具。游戏大约需要15分钟的时间才能完成，针对各种科技课程。这些游戏也可用作便携式设备的Android应用。
Sato等开发了THR手术前阶段的模拟。 [32]。该系统允许规划最佳选择参数，如杯尺寸，茎的位置和方向。这些通过包括运动范围（ROM）模拟和肢体长度调整的手术规划来确定。
Jun＆Park [33]的3D手术前髋关节植入物计划工具通过调查髋关节的3D解剖结构（图2c）来描述特定患者的患者特异性假体。髋关节手术的五个步骤被建模; （1）CT扫描对髋关节
- 实现模拟创新套件。 http://biomedical.materialise.com/mis
- EdHeads髋关节置换在线游戏（2007）。
http://www.edheads.org/activities/hip/
- 3 EdHeads Hip Resurfacing网络游戏（2007）。
http://www.edheads.org/activities/hip2/
的3D重建。 （2）个人髋关节假体的设计。 （3）虚拟股骨头切除和植入。 （4）假体评估。 （5）3D手术参数的产生。
Dick等人的基于计算机的3D手术前髋关节植入物计划模拟工具[34]基于患者特异性CT扫
描有限元素数据（图2d）。该系统旨在模拟患者特异性骨骼对施加到植入物的负载的机械响应，并确定哪种可用的植入物设计和尺寸导致最生理应力分布。
HipNav于1995年在卡内基梅隆大学开发[35,36]。七年后，在2002年HipNav仍然是最全面的全髋关节置换计划[37]。 3D患者解剖结构可以从CT或MRI扫描生成。手术前3D重建模拟软件允许外科医生根据手术CT图像来指定骨盆内髋臼部件的位置。 HipNav包括运动学髋关节模型和工具，用于预测股骨运动范围，骨运动和基于植入物放置的最佳对准（图2e）。模拟器提供的反馈可以帮助外科医生确定最佳的患者特异性髋臼植入物放置。为了在体内使用，将数据和术前计划转移到手术室中的计算机站以进行交互式体内手术导航。 HipNav是临床使用的第一个髋关节导航概念[38]。
Assassi等人的肌肉骨骼疾病
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