虛擬仿真手術(shù)在腰椎轉(zhuǎn)移性腫瘤中的應(yīng)用

賀小兵，劉登均，王明貴，殷　浩，王　海，李爭艷，李　旭　(.重慶市涪陵中心醫(yī)院骨科,重慶 408000;.重慶市涪陵中心醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,重慶 408000;.重慶涪陵李志滄骨科醫(yī)院,重慶 408000)

?

虛擬仿真手術(shù)在腰椎轉(zhuǎn)移性腫瘤中的應(yīng)用

賀小兵1，劉登均1，王明貴1，殷浩1，王海1，李爭艷2，李旭3(1.重慶市涪陵中心醫(yī)院骨科,重慶 408000;2.重慶市涪陵中心醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,重慶 408000;3.重慶涪陵李志滄骨科醫(yī)院,重慶 408000)

[摘要]目的通過探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)來尋找一種施行經(jīng)前后路聯(lián)合治療腰椎轉(zhuǎn)移性腫瘤的途徑。方法基于腰椎64排螺旋CT連續(xù)薄層二維圖像,Mimics軟件分別重建正常腰椎、破壞病椎、腹主動脈及雙側(cè)腎臟的三維可視化結(jié)構(gòu)，在三維模型擬行經(jīng)過前路病灶清除、鈦網(wǎng)骨水泥支撐和后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)。結(jié)果基于Dicom格式數(shù)據(jù)進行三維重建圖像結(jié)構(gòu)清晰,可真實再現(xiàn)病椎和鄰近臟器的結(jié)構(gòu),整個虛擬仿真手術(shù)真實直觀。結(jié)論虛擬仿真手術(shù)可準確重建腰椎惡性腫瘤及鄰近結(jié)構(gòu)的三維立體結(jié)構(gòu)，明確病椎清除范圍，經(jīng)后路重建脊柱序列，能為患者個體化治療方案提供客觀依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實；仿真手術(shù)；腰椎惡性腫瘤

脊柱惡性腫瘤常發(fā)于胸腰椎。由于腫瘤細胞破壞椎體及附件，因此對脊柱的承重、運動、神經(jīng)保護功能都會造成很大的破壞[1-2]。目前以早期發(fā)現(xiàn)并徹底切除病灶、脊柱序列的穩(wěn)定及重建、術(shù)后放化療等作為脊柱腫瘤主要的手術(shù)方式[3]。由于脊柱腫瘤病變位置較深，囊性腫瘤組織可與椎管后方硬膜囊、側(cè)方神經(jīng)根、前方大血管等廣泛粘連，如何徹底而安全地清除病灶、維持脊柱序列的穩(wěn)定性，是當前實現(xiàn)脊柱惡性腫瘤患者個體化治療的基本任務(wù)。我們前期工作通過Mimics軟件已經(jīng)實現(xiàn)了腰椎轉(zhuǎn)移性腫瘤術(shù)前數(shù)字化評估[4]。本研究擬通過虛擬仿真手術(shù)來實施經(jīng)前后路聯(lián)合治療腰椎轉(zhuǎn)移性腫瘤，為臨床確立治療方案、手術(shù)切除方式、切除范圍及重建脊柱的穩(wěn)定性提供重要指導(dǎo)作用。

1材料與方法

1.1材料

實驗對象及材料：CT、Dicom格式數(shù)據(jù)來源于我科腰椎惡性腫瘤患者(L4椎體)。相關(guān)儀器及軟件：①計算機工作站有Intel(R) Xeon (TM) CPU 3 G,雙核四節(jié)點(8cpu),內(nèi)存有8 G,硬盤:320 G(DELL Inc.USA)；②交互式的醫(yī)學(xué)影像控制軟件系統(tǒng)(Mimics 10.01)。

1.2方法

1.2.1原始數(shù)據(jù)的采集選取我科住院治療的1名自愿患者(男，年齡58歲，經(jīng)過CT定位下穿刺活檢示L4椎體轉(zhuǎn)移性低分化腺癌),利用Philip 64排螺旋CT進行掃描,層距:0.5 mm,像素矩陣:1 024×1 024,得到相關(guān)圖像共374張，原始數(shù)據(jù)保留成Dicom格式，并且由DVD刻錄保存。

1.2.2脊柱骨性結(jié)構(gòu)及鄰近臟器三維模型的建立Mimics 10.01軟件讀入Dicom格式的CT原始數(shù)據(jù),圖像經(jīng)閾值劃分、蒙罩面編輯、補洞處理,去除無關(guān)邊緣雜點和冗余數(shù)據(jù),經(jīng)區(qū)域增長3D計算及光滑處理后建立脊柱骨性結(jié)構(gòu)的3D幾何模型。在原始蒙罩的基礎(chǔ)上，通過區(qū)域增長功能，分割出腹主動脈，雙側(cè)腎臟的蒙罩。再以病椎為中心做三維圖像邊緣分割,去除冗余數(shù)據(jù),每層圖像都進行編輯、補洞處理。經(jīng)3D計算和光滑處理后，得到病椎鄰近臟器的立體模型。

1.2.3在可視化模型上進行三維測量Mimics 10.01軟件中應(yīng)用三維測量功能明確植入鈦網(wǎng)直徑及長度、測量L3和L5椎弓根橫徑及矢狀徑，定位椎弓根螺釘進針點，量化椎弓根內(nèi)傾角及水平角的大小。

1.2.4進行虛擬現(xiàn)實仿真手術(shù)應(yīng)用Mimics 10.01軟件的蒙罩編輯功能，模擬經(jīng)過前路徹底清除L4椎體。在MedCAD菜單中模擬前路鈦網(wǎng)骨水泥支撐，后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)。

2結(jié)果

L4椎體三維結(jié)構(gòu)：整個腰椎序列清晰、直觀，通過旋轉(zhuǎn)和平移功能，可以清楚看見椎間隙的變化，L4椎體破壞范圍及椎體前中柱塌陷范圍。L4椎體鄰近臟器的三維結(jié)構(gòu)：通過腹主動脈與L4椎體的分布關(guān)系發(fā)現(xiàn)，腹主動脈分支處(雙側(cè)髂總動脈)正好正對L4椎體下緣。破壞的病灶波及腹主動脈，腹主動脈與L4椎體前壁的垂直距離明顯加大，初步考慮為病灶對動脈的壓迫，通過三維測量距離為21.87 mm。經(jīng)過右側(cè)面觀及對腹主動脈的透明化處理，可以更加清晰地顯示二者的三維立體位置關(guān)系。本例還可以清楚地顯示雙側(cè)腎臟的分布，術(shù)中具體所見與術(shù)前影像學(xué)資料(CT)完全吻合。

虛擬手術(shù)模擬經(jīng)過前路徹底清除L4椎體，保留雙側(cè)關(guān)節(jié)突及橫突。經(jīng)前路正中用模擬前路鈦網(wǎng)骨水泥支撐于L3～L5椎體之間。后路椎弓根螺釘固定L3和L5椎體、雙側(cè)連接棒、中間橫聯(lián)接固定良好，經(jīng)過透明化處理后觀察，4個椎弓根螺釘位置滿意，未見穿破椎弓根皮質(zhì)及椎體，未傷及內(nèi)側(cè)的脊髓和下方的神經(jīng)根。術(shù)后脊柱序列完整，腰椎生理前凸存在。

a:CT平掃截圖;b:脊柱三維結(jié)構(gòu);c:腹主動脈與L4椎體(正面);d:腹主動脈與L4椎體(側(cè)面);e:L4椎體徹底清除(側(cè)面);f:前路植入鈦籠骨水泥(前面);g:模擬術(shù)后(正面觀);h:模擬術(shù)后(后面觀);i:模擬術(shù)后(斜面);j:模擬術(shù)后(側(cè)面)

圖1虛擬手術(shù)截圖

3討論

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality，VR)在醫(yī)學(xué)上發(fā)揮著不可取代的作用。在臨床上，為了避免直接使用人為制定的治療方案進行手術(shù)所帶來的巨大風險，目前采取的最好解決方法就是應(yīng)用患者相關(guān)影像學(xué)資料建立虛擬仿真模型。虛擬仿真模型是三維醫(yī)療可視化的結(jié)構(gòu)，可以利用計算機對其進行模擬手術(shù)和仿真操作，這是虛擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的進一步拓展?；谌S重建的仿真模型，通過人機交互，資源共享，醫(yī)務(wù)工作者可以方便地對重建的圖像進行諸如旋轉(zhuǎn)、平移、剖分、開窗、組合、固定等操作，進而仿真手術(shù)，建立相關(guān)參數(shù)[5-6]。可以幫助醫(yī)務(wù)工作者做出準確的診斷和制定正確的手術(shù)方案，從而提高診療的準確性與科學(xué)性，減少醫(yī)源性醫(yī)療過失，緩解醫(yī)患矛盾。而且可以術(shù)前在計算機屏幕上與患者本人及家屬進行醫(yī)患溝通，讓患方消除顧慮，緩解術(shù)前的緊張情緒。

脊柱是最常見的腫瘤骨轉(zhuǎn)移部位，據(jù)相關(guān)的研究資料表明5%～10%的癌癥患者在他們的患病過程中會發(fā)生脊柱轉(zhuǎn)移[7-8]。當前對轉(zhuǎn)移性腰椎腫瘤的診斷主要通過反復(fù)追問病史、體格檢查、影像學(xué)資料、核醫(yī)學(xué)(ECT)、CT下定位穿刺活檢所得，因癥狀及臨床表現(xiàn)不典型，常容易被誤診為脊柱結(jié)核。磁共振對脊柱轉(zhuǎn)移癌的診斷敏感性明顯高于X線、CT,部分病例證實,甚至高于核素骨顯像[9-10]。磁共振在矢狀位掃描時可同時觀察多個椎體,因而易發(fā)現(xiàn)脊柱多椎體轉(zhuǎn)移灶,特別是信號的改變，同時磁共振更易發(fā)現(xiàn)椎體附件破壞、椎旁軟組織腫塊及椎間盤有否受侵犯,這對脊柱轉(zhuǎn)移癌的診斷與鑒別診斷有重要意義。本例患者因反復(fù)下腰部疼痛2個月余，加重2 d入院，疼痛呈進行性加重，以夜間痛為甚，長期口服鎮(zhèn)痛藥物。發(fā)病期間出現(xiàn)低熱、盜汗、消瘦體質(zhì),反復(fù)口服止痛藥物無明顯效果，需要肌注杜冷丁才能緩解疼痛。外院X線片上均可見出現(xiàn)L3/L4椎間隙稍變窄,椎旁軟組織陰影明顯，予以抗癆治療無好轉(zhuǎn)。本院門診行磁共振發(fā)現(xiàn)L4椎體破壞病灶，破壞范圍為椎體的前中1/3左右，椎體附件尚完整無侵犯，椎間盤未破壞,可見右側(cè)椎旁大片軟組織腫塊，不排除與腹腔大血管粘連的可能。入院后進一步行CT下定位穿刺活檢，病理結(jié)果示：低分化腺癌，仍未發(fā)現(xiàn)原發(fā)病灶。經(jīng)過Mimics重建后的結(jié)果表明，L4椎體前中柱塌陷，右側(cè)椎旁軟組織突出擠壓腹腔大血管，在側(cè)位片可以發(fā)現(xiàn)腹主動脈分支處(雙側(cè)髂總動脈)正好正對L4椎體處，并且腹主動脈與L4椎體前壁的垂直距離明顯加大，通過三維測量為21.87 mm。我們通過前方正中手術(shù)入路，在分離血管時發(fā)現(xiàn)，腹主動脈被病椎前方的軟組織壓迫形成一切跡，部分粘連，通過結(jié)扎節(jié)段血管，減少了術(shù)中出血量，提高了手術(shù)的安全性。

隨著腫瘤綜合治療技術(shù)的不斷進步，腫瘤患者生存期不斷延長，為提高患者生存質(zhì)量，對脊柱轉(zhuǎn)移瘤進行積極手術(shù)干預(yù)是發(fā)展的趨勢。手術(shù)治療脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤的目的是盡可能切除病灶；維持脊柱穩(wěn)定性；恢復(fù)或充分保留神經(jīng)功能，解除脊髓受壓；緩解疼痛[11-13]。本例患者以劇烈下腰疼痛為首要臨床癥狀，查體無神經(jīng)功能受損的體征，因此手術(shù)既要徹底切除腫瘤侵蝕的病椎，還要恢復(fù)脊柱的穩(wěn)定性，防止椎體塌陷及遲發(fā)性不穩(wěn)誘發(fā)的神經(jīng)功能障礙。因此，清除病灶后需要脊柱穩(wěn)定性的重建。前路手術(shù)穩(wěn)定性的重建包括堅強內(nèi)固定、局部植骨、骨水泥填塞、鈦網(wǎng)植骨。后路手術(shù)主要是經(jīng)椎弓根脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)。本例患者我們采用骨水泥鈦網(wǎng)充填充加后路椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)，主要是考慮到術(shù)后骨水泥不被惡性腫瘤侵犯破壞，即有利于隔絕可能復(fù)發(fā)的腫瘤組織。此外，骨水泥固化過程中的聚合放熱也能殺死部分腫瘤細胞[14-16]，還可以破壞部分神經(jīng)末梢，所以術(shù)后止痛效果明顯。

傳統(tǒng)的脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤影像學(xué)檢查為常規(guī)拍攝腰椎正位片、CT或MRI平掃，主要從二維平面評估椎體破壞情況，但二維結(jié)構(gòu)很難完全反映病變的真實形態(tài)，特別是椎體侵蝕范圍、椎體塌陷情況，病灶與鄰近大血管的關(guān)系未能全方位顯示。本例患者通過Mimics軟件三維重建技術(shù)、三維測量功能為最后手術(shù)入路的選擇、脊柱的穩(wěn)定性重建、手術(shù)方案的制定提供了客觀而科學(xué)的評估方法。在三維重建的可視化3D模型進行虛擬仿真手術(shù)操作，為最后植入合適的鈦網(wǎng)、準確的椎弓根螺釘固定、后路腰椎序列穩(wěn)定的重建提供了有效的數(shù)字化準備。

[參考文獻]

[1] 王劍龍,詹瑞森.腰椎腫瘤的外科治療19例分析[J].腫瘤防治研究,2006,33(4):265-267.

[2] 李鋒,方忠,熊偉,等.一期后路全脊椎整塊切除術(shù)治療胸椎腫瘤[J].中華骨科雜志,2009,29(8):705-710.

[3] 莊平,韓玲.胸腰椎腫瘤全脊椎切除及脊柱重建術(shù)的研究進展[J].醫(yī)學(xué)綜述,2009,15(9):1350-1351.

[4] 劉登均,賀小兵,王明貴,等.Mimics軟件在腰椎轉(zhuǎn)移性腫瘤術(shù)前評估中的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2011,6(1):102-105.

[5] Chen G,Yang SZ,Wu GQ,et al.Development and clinical application of 3D operative planning system of live in virtual reality environments[J].Zhonghua Wai Ke Za Zhi,2009,47(21):1620-1623.

[6] 劉登均,李奇,李鑒軼,等.可視化虛擬手術(shù)在全髖關(guān)節(jié)表面置換中的應(yīng)用[J].重慶醫(yī)學(xué),2010,39(7):787-788.

[7] Lutz S, Berk L, Chang E, et al. Palliative radiotherapy for bone metastases: an ASTRO evidence-based guideline[J].Int J Rad Oncol Biol Phys，2011，79(4):965-976.

[8] Chow E, Nguyen J, Zhang L, et al.International field testing of the reliability and validity of the EORTC QLQ-BM22 module to assess health-related quality of life in patients with bone metastases[J].Cancer，2012，118(5):1457-1465.

[9] Doh JW,Halliday AL,Baldwin NG,et al.Spinal stabilization by using crossed-screw anterior-posterior fixation after multisegmental total spondylectomy for thoracic chondrosarcoma:case report[J].J Neurosurg,2001,94(2 Suppl):279-283.

[10] Rief H, Muley T, Bruckner T, et al.Survival and prognostic factors in non-small cell lung cancer patients with spinal bone metastases: a retrospective analysis of 303 patients[J].Strahlenther Onkol,2014，190(1):59-63.

[11] Abe E,Kobayashi T,Murai H,et al.Total spondylectomy for primary malignant, aggressive benign, and solitary metastatic bone tumor of the thoracolumbar spine[J].J Spinal Disord,2001,14(3):237-246.

[12] Bohinski RJ,Rhines LD.Principles and techniques of en bloc vertebrectomy for bone tumors of the thoracolumbar spine:an overview[J].Neurosurg Focus,2003,15(5):E7.

[13] 鄭燕平,劉新字,李慧武.后路全脊椎切除治療單節(jié)段原發(fā)胸椎腫瘤及脊柱穩(wěn)定性重建[J].中國脊柱脊髓雜志,2002,12(3):234-235.

[14] Deramond H,Wright NT,Belkoff SM.Temperature elevation caused by bone cement polymerization during vertebroplasty[J].Bone,1999,25(Suppl 2):17-21.

[15] Taniwaki Y,Takemasa R,Tani T,et al.Enhancement of pedicle screw stability using calcium phosphate cement in osteoporoticvertebrae:in vivo biomechanical study[J].J Orthop Sci,2003,8(3):408-414.

[16] Renner SM,Lim TH,Kim WJ,et al.Augmentation of pedicle screw fixation strength using an injectable calcium phosphate cement as a function of injection timing and method[J].Spine,2004,29(11):212-216.

(編輯：魏源)

Application of virtual simulation surgery in lumbar spinal metastases

HE Xiao-bing1,LIU Deng-jun1,WANG Ming-gui1,YIN-hao1,WANG Hai1,LI Zheng-yan2,LI Xu3(1.Department of Orthopedics,Chongqing Fuling Central Hospital，Chongqing 408000，China;2.Intensive Care Unit,Fuling District Central Hospital,Chongqing 408000,China;3.Lizhicang Orthopaedic Hospital of Fuling District,Chongqing 408000,China)

Abstract:ObjectiveThrough the exploration of virtual simulation surgery to find a way to treat lumbar spinal metastases. MethodsBased on 64 row spiral CT continuous 2-dimensional images of lumbar segments, normal lumbar vertebral, destruction of disease, abdominal aorta and kidneys were reconstructed by the Mimics software. 3D visualization structure was contemplated by anterior lesions clear, titanium mesh of bone cement support, and posterior pedicle screw fixation.ResultsThe three-dimensional reconstruction distinctly displayed the structures of lumbar and its adjacent organs, and the entire virtual simulation surgery was intuitive.ConclusionThe application of virtual simulation surgery ensures more accurate 3D model of lumbar establishment and its adjacent organs, and it provides an objective basis for individualized treatment programs.

Keywords:virtual reality;simulation surgery; lumbar spinal metastases

[收稿日期]2014-07-12[修回日期] 2014-08-17

doi:10.11659/jjssx.06E014003

[中圖分類號]R683.2；R814.42

[文獻標識碼]A

[文章編號]1672-5042(2015)01-0023-04