虚拟现实模拟器在腰椎椎弓根螺钉置入训练中的优势：一项随机对照试验的学术报告

作者及机构
本研究由Intekhab Alam、Kanwaljeet Garg、Akshay Ganesh Kumar等来自印度全印医学科学研究所（All India Institute of Medical Sciences）神经外科团队，与美国埃默里大学医学院（Emory University School of Medicine）的Faiz U. Ahmad合作完成，通讯作者为Vivek Tandon。研究成果发表于2024年9月的《World Neurosurgery》期刊（卷189，页e61-e68）。

学术背景

研究领域与动机
腰椎椎弓根螺钉置入术（Lumbar Pedicle Screw Insertion, LPSI）是脊柱外科的核心技术，但传统培训依赖尸体模型（如saw bone模型）或术中指导，存在成本高、风险大、训练机会有限等问题。虚拟现实模拟器（Virtual Reality Simulators, VRS）因其可重复性、无风险性和三维可视化潜力，成为神经外科教育的研究热点。然而，VRS在LPSI训练中的有效性缺乏严格对照验证。本研究旨在通过随机对照试验，比较VRS与传统saw bone模型在LPSI训练中的效果差异。

科学问题与目标
核心问题：VRS能否显著提升学员的LPSI操作精度？研究假设为：VRS的沉浸式训练可通过增强空间认知和技术熟练度，减少螺钉置入误差。

研究设计与方法

试验流程与分组
本研究为单中心、随机对照实验室研究，纳入38名神经外科住院医师和研究员（Post Graduation Year, PGY 1-7），按奇偶编号随机分为两组：
- Group A（19人）：依次完成3项任务——首次saw bone模型LPSI、VRS模拟训练、二次saw bone模型LPSI。
- Group B（19人，对照组）：仅完成2次saw bone模型LPSI（间隔10-15分钟）。

关键实验方法
1. Saw Bone模型评估：
- 使用非对比CT（NCCT）扫描量化螺钉置入精度，评估指标包括：
- 入口点误差（Entry Point Error）：理想入口点（上关节突外侧缘与横突中点连线交点）与实际置入点的毫米级偏差。
- 螺钉长度（Purchase Length）：骨内螺钉长度（cm）。
- 皮质突破（Cortical Breach）：按Gertzbein-Robbins分级（A-E级，A为无突破）。
- 所有操作在无监督下完成，避免人为干扰。

1. VRS训练系统：

   • 采用ImmersiveSim™ VR平台（美国芝加哥），提供腰椎三维模型和实时力反馈（尽管触觉反馈弱于saw bone）。
     
   • 内置算法自动记录螺钉角度（轴状位/矢状位偏差）、路径误差等数据。
     

2. 数据分析：

   • 使用SPSS 26进行统计学分析，连续变量以均值±标准差表示，分类变量采用卡方检验或Fisher精确检验，正态分布数据使用t检验。
     

主要结果

1. Group A的显著提升：

   • 入口点误差：二次saw bone模型操作中，Group A的平均误差从0.84 mm降至0.11 mm（p=0.024）。
     
   • 螺钉长度：从4.15 cm增至4.66 cm（p=0.007），且无皮质突破（p=0.031）。
     
   • 分层分析：PGY 1-3学员提升最显著（入口点误差减少87%，螺钉长度增加18%），而高年资学员（PGY≥4）无显著差异，提示VRS对初学者效果更佳。
     

2. Group B的稳定性：

   • 两次saw bone操作的所有指标无统计学差异（如入口点误差0.84 mm vs. 0.63 mm，p=0.641），表明单纯重复练习未带来技术改进。
     

3. 学员反馈：

   • 73.7%参与者支持将VRS纳入住院医师培训，52.7%认为其显著提升手术技能理解（尽管87.5%认为触觉反馈逊于saw bone）。
     

结论与价值

科学意义
1. 技术验证：VRS作为LPSI训练工具，可显著降低初学者操作误差，尤其提升空间定位能力（如入口点选择）和螺钉路径规划。
2. 教育价值：VRS的“安全试错”特性弥补了传统培训的不足，可能缩短学习曲线，减少临床失误风险。

应用前景
- 成本效益：尽管VRS设备初期投入高，但长期可减少对尸体模型和动物实验的依赖，降低培训总成本。
- 扩展潜力：结合增强现实（AR）或患者特异性数据，VRS可进一步个性化术前规划训练。

研究亮点

1. 方法学创新：首次在LPSI训练中采用“VRS介入-再评估”的随机对照设计，严格控制混杂变量（如操作次数）。
   
2. 分层结论：明确VRS对低年资学员的针对性价值，为分层培训提供依据。
   
3. 多维度评估：综合影像学（NCCT）、操作参数（角度/长度）和主观反馈，增强结果可信度。
   

局限性
样本量较小（38人）、单中心设计及短期效果评估，未来需扩大样本并追踪长期技能转化效果。

总结
本研究通过严谨的对照试验，证实VRS在腰椎椎弓根螺钉置入训练中的优势，尤其对初级医师的技术提升具有显著意义，为神经外科模拟教育提供了高质量证据。