數(shù)字化設(shè)計(jì)/顯示技術(shù)輔助經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)的應(yīng)用研究

(1.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬淮安醫(yī)院骨科，江蘇 淮安 223002；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院骨科，江蘇 南京 210006；3.南京醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所，江蘇 南京 210006)

骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(osteoporosis vertebral compression fracture,OVCF)已成為嚴(yán)重威脅高齡人群身體健康的主要疾病之一。由于經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(percutaneous kyphoplasty，PKP)需要在俯臥、側(cè)臥體位下多次調(diào)整C型臂X射線的角度才能夠完成手術(shù)定位[1]，但老年患者往往伴有脊柱側(cè)彎、滑脫、責(zé)任椎體壓縮等病理改變，難以耐受長時間的俯臥、側(cè)臥體位，且局部麻醉下的PKP仍存在一定的疼痛刺激，加之手術(shù)帶來的緊張等因素，更讓老年患者難以承受。故提高患者對手術(shù)的耐受性、盡快完成手術(shù)操作、迅速減輕胸腰背疼痛、恢復(fù)生理功能、避免長時間臥床、防止并發(fā)癥的發(fā)生被認(rèn)為是治療老年OVCF的關(guān)鍵。

作為低侵襲性手術(shù)，PKP能夠在局部麻醉下實(shí)施，還可以通過骨水泥快速強(qiáng)化骨折椎體，緩解疼痛，恢復(fù)脊柱功能，使OVCF患者獲得比保守治療及開放手術(shù)更好的治療效果[2-6]。近年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)的各項(xiàng)技術(shù)在臨床廣泛應(yīng)用。理論上，通過針對高精度三維CT掃描解剖數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)解剖參數(shù)的精確測量[7-8]。混合現(xiàn)實(shí)能夠?qū)?shù)字化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)通過全息投影與實(shí)際視野相融合，可幫助外科醫(yī)生實(shí)時全面觀察手術(shù)前設(shè)計(jì)與測量結(jié)果，并與手術(shù)實(shí)際情況進(jìn)行比對，從而提高手術(shù)精確度[9-10]。因此，綜合運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)/顯示技術(shù)輔助經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(digital design/display technology assisted percutaneous kyphoplasty, D-PKP)理論上將更有利于OVCF的臨床診療。本研究嘗試采用D-PKP技術(shù)治療OVCF，取得了良好的臨床療效，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取2019年1月至2019年5月徐州醫(yī)科大學(xué)附屬淮安醫(yī)院收治的25例采用PKP治療的高齡單節(jié)點(diǎn)胸腰椎OVCF患者為研究對象，其中男8例，女17例，年齡63～95歲，平均(76.2±10.3)歲。采用電腦隨機(jī)抽樣法分為數(shù)字化設(shè)計(jì)/顯示技術(shù)輔助經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)組(D-PKP組)13例和常規(guī)經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)組(T-PKP組)12例。所有患者均自愿參與試驗(yàn)并簽署知情同意書。本研究2組患者臨床資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表1。

表1 患者臨床資料比較

納入標(biāo)準(zhǔn)：①胸腰段單節(jié)點(diǎn)新鮮OVCF(T10～L5)；②單純壓縮性骨折，無椎體后壁骨折；③無神經(jīng)損傷；④年齡63～95歲；④骨密度OD值小于-2.5。排除標(biāo)準(zhǔn)：①椎體壓縮超過75%；②爆裂性骨折或脊髓、神經(jīng)根受壓；③凝血功能障礙或手術(shù)部位皮膚有感染；④伴有嚴(yán)重心血管疾病等其他基礎(chǔ)疾病不能耐受手術(shù)；⑤不能耐受較長時間俯臥位。

1.2 術(shù)前準(zhǔn)備

所有患者術(shù)前均行X射線平片、CT和MRI檢查。手術(shù)前設(shè)計(jì)與混合現(xiàn)實(shí)調(diào)試由南京醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所完成。D-PKP組患者術(shù)前行以責(zé)任椎體為中心的多排CT容積掃描，掃描層厚0.75 mm，掃面矩陣512 cm×512 cm，掃描后骨床重建層厚1.0 mm。將獲得的數(shù)據(jù)輸入到3D數(shù)字醫(yī)學(xué)軟件中，利用其閾值分割和區(qū)域增長等功能得到三維模型(圖1)，設(shè)計(jì)并測量椎弓根進(jìn)針位置及方向，構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)三維虛擬數(shù)字圖像，并將CAD圖像導(dǎo)入混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(圖2)。

1.3 方法

手術(shù)由同一組外科醫(yī)生施行。所有患者均采用局部麻醉(1%利多卡因)于俯臥位經(jīng)雙側(cè)椎弓根穿刺入路實(shí)施PKP。

D-PKP組：術(shù)前醫(yī)生佩戴好AR眼鏡，調(diào)試混合現(xiàn)實(shí)圖像；消毒鋪設(shè)無菌手術(shù)巾單后結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)全息圖像與術(shù)中C型臂X射線透視圖像，行責(zé)任椎體的椎弓根定位穿刺，依次經(jīng)皮打入導(dǎo)針、套筒，在C型臂透視引導(dǎo)下行球囊擴(kuò)張以抬高終板，并部分恢復(fù)椎體的高度，最后將骨水泥注射到椎體破裂(intravertebral cleft,IVC)區(qū)，使骨水泥完全填充責(zé)任椎體內(nèi)裂隙，并與松質(zhì)骨充分結(jié)合(圖3)。

T-PKP組：患者取俯臥位，于C型臂透視引導(dǎo)下進(jìn)行雙側(cè)椎弓根穿刺，并依次經(jīng)皮打入導(dǎo)針、工作套筒，于球囊擴(kuò)張后注入骨水泥。

1.4 觀察指標(biāo)

影像學(xué)評估：測量并比較2組患者手術(shù)前后的矢狀位責(zé)任椎體后凸角(kyphotic angle,KA)，骨水泥與上/下終板最大接觸比，骨水泥滲漏率等影像學(xué)參數(shù)[11-13]。手術(shù)效果評估：記錄并比較2組患者的手術(shù)時間、骨水泥灌注量、術(shù)中X射線透視次數(shù)、住院時間與術(shù)后12 h、1 d、1周、1個月VAS和ODI。

a:矢狀位圖;b:冠狀位圖;c:橫斷面圖;d:三維重建圖

a:三維模擬穿刺正視圖；b:三維模擬穿刺側(cè)視圖(站立位)；c:三維模擬穿刺側(cè)視圖(平臥位);d:帶皮膚模型三維模擬穿刺圖

a:術(shù)中混合現(xiàn)實(shí)全息投影與實(shí)際視野相融合；b:通過混合現(xiàn)實(shí)全息投影進(jìn)行椎弓根穿刺；c:骨水泥灌注后X射線透視正位片；d:骨水泥灌注后X射線透視側(cè)位片

圖3 混合現(xiàn)象技術(shù)輔助PKP手術(shù)及術(shù)中骨水泥灌注

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 患者手術(shù)情況比較

D-PKP組患者術(shù)中X射線透視次數(shù)少于T-PKP組，手術(shù)時間、住院時間短于T-PKP組，術(shù)后12 h、1 d的VAS和ODI優(yōu)于T-PKP組，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；2組患者術(shù)后1周、1個月的VAS及ODI比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表2。術(shù)后2組患者均未發(fā)生骨水泥反應(yīng)、神經(jīng)損傷、肺栓塞等并發(fā)癥。

2.2 患者影像學(xué)評價

D-PKP組患者術(shù)后矢狀位責(zé)任椎體后凸角、骨水泥滲漏率小于T-PKP組，骨水泥與上/下終板最大接觸比在X射線前后位視角均大于T-PKP組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見圖4、5；2組患者骨水泥灌注量比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表3。

表2 患者手術(shù)情況比較

a:術(shù)前；b：術(shù)后

a：術(shù)后骨水泥在椎體內(nèi)分布大體觀;b:術(shù)后椎體雙側(cè)骨水泥的分布情況及與上下終板的接觸情況，其中(B1+B2)/A為骨水泥與上終板接觸比；(C1+C2)/D為骨水泥與下終板接觸比，接觸比越大說明骨水泥在椎體內(nèi)的彌散情況越好，術(shù)后椎體更加穩(wěn)固

圖5 術(shù)后X射線評估骨水泥-終板接觸比

表3 患者影像學(xué)評價

3 討論

由于骨量降低，骨質(zhì)疏松癥極易導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降、骨脆性增加，日常活動中輕微損傷即可造成OVCF。OVCF多發(fā)于老年、絕經(jīng)后婦女，由于骨質(zhì)疏松、骨愈合過程減緩，該病自愈的可能性極低，且再次發(fā)生骨折的風(fēng)險大[14]。因此，OVCF嚴(yán)重影響著患者的健康，致殘、致死率較高。近年來PKP的廣泛開展為患者減輕疼痛、恢復(fù)和維持壓縮椎體高度提供了一種有效途徑。PKP的手術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于壓縮椎體的精確穿刺，傳統(tǒng)手術(shù)一般是憑借術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)和術(shù)中不斷透視來完成，然而由于患者脊柱多伴有滑脫、側(cè)凸、后凸等畸形，且骨質(zhì)疏松在術(shù)中X射線透視的顯影易受到偽影影響而難以清晰觀察PKP工作通道，所以傳統(tǒng)PKP手術(shù)存在較大的難度和危險性[15-16]。同時，老年患者易伴有其他系統(tǒng)機(jī)能減退，存在較多內(nèi)科疾病，對手術(shù)創(chuàng)傷的應(yīng)激反應(yīng)較大，因此如何在手術(shù)中進(jìn)行精確定位、減少穿刺及透視次數(shù)、縮短手術(shù)時間、提高骨水泥注入效果，對降低患者手術(shù)風(fēng)險及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率具有重要的意義。

有研究者通過自制的輔助裝置提高穿刺的精準(zhǔn)度、控制骨水泥的彌散方向。周曉吉等[17]回顧性分析了211例應(yīng)用定向骨水泥導(dǎo)向器行單側(cè)PKP治療的OVCF患者，結(jié)果顯示，觀察組在Ⅰ度骨水泥分布率方面明顯優(yōu)于常規(guī)組，提示定向骨水泥導(dǎo)向器能有效控制骨水泥彌散方向，但2組患者在手術(shù)時間、骨水泥量、VAS、ODI、Cobb角改善率方面比較無明顯差異，且缺少雙側(cè)椎體骨水泥成形術(shù)作為對照。熊偉等[18]利用自制組合裝置輔助PKP穿刺定位，相比常規(guī)組能顯著提高首次穿刺成功率，減少了術(shù)中透視次數(shù)及手術(shù)時間，但該套件只能確定穿刺點(diǎn)，穿刺方向不易精確定位，若首次穿刺失敗，再次精確穿刺難度加大。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，通過3D打印個性化導(dǎo)板輔助經(jīng)皮椎體成形手術(shù)可提高穿刺的精準(zhǔn)性。Li等[19]利用患者患椎CT資料進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬穿刺，3D打印出個性化的皮膚面接觸導(dǎo)板，顯著提高了經(jīng)皮椎體成形手術(shù)的穿刺精準(zhǔn)度，術(shù)中能明顯減少穿刺的次數(shù)，縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中醫(yī)患輻射劑量，但由于皮膚等軟組織的移動性及伸縮性，在穿刺過程中易出現(xiàn)穿刺位置及方向的改變，產(chǎn)生穿刺誤差。張佳園等[20]利用3D打印點(diǎn)接觸導(dǎo)板對40例擬行PKP治療的單節(jié)段OVCF患者進(jìn)行前瞻性研究，結(jié)果顯示，術(shù)中試驗(yàn)組在獲得理想穿刺位置前的透視次數(shù)及時間、術(shù)中透視總次數(shù)、手術(shù)時間均顯著少于對照組，表明3D打印點(diǎn)接觸導(dǎo)板在PKP術(shù)中有利于穿刺針精準(zhǔn)置入，可減少穿刺次數(shù)及手術(shù)時間。雖然相比面接觸導(dǎo)板，點(diǎn)接觸導(dǎo)板與皮膚接觸面積大大縮小，降低了軟組織移動帶來的誤差，但由于導(dǎo)板的觸點(diǎn)仍然依賴于皮膚的定位，所以在穿刺過程中皮膚等軟組織移動帶來的誤差仍然不可避免，且由于導(dǎo)航管角度固定，在首次穿刺失敗后導(dǎo)板不易進(jìn)行角度調(diào)整。

數(shù)字化設(shè)計(jì)/顯示技術(shù)通過術(shù)前對高精度三維CT數(shù)據(jù)的數(shù)字化分析從而實(shí)現(xiàn)對患者受傷椎體部位解剖參數(shù)的精確測量和三維模型的建立[21]。術(shù)中通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)圖像通過全息投影與實(shí)際視野相融合，相當(dāng)于給術(shù)者戴了一副透視眼鏡，術(shù)者可在直觀下進(jìn)行相關(guān)椎體的穿刺和骨水泥的灌注。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，術(shù)者能直觀地確定穿刺的位置，把握穿刺的方向，大大提高了穿刺及骨水泥灌注的精準(zhǔn)性，縮短了手術(shù)時間，降低了手術(shù)風(fēng)險。

本研究中，D-PKP組的手術(shù)時間、術(shù)中透視次數(shù)、住院時間均明顯少于T-PKP組，表明D-PKP在提高手術(shù)精確度、縮短手術(shù)時間、加速患者康復(fù)方面具有顯著的優(yōu)勢。D-PKP組患者在術(shù)后12 h及1 d的VAS、ODI均優(yōu)于T-PKP組，這表明D-PKP在緩解患者短期疼痛方面具有一定的優(yōu)勢，這可能與精準(zhǔn)穿刺減輕了對椎體及軟組織的損傷有關(guān)。術(shù)后攝片示D-PKP組在后凸角恢復(fù)、骨水泥滲漏率及骨水泥與上/下終板接觸比方面均明顯優(yōu)于T-PKP組，原因可能是D-PKP能將骨水泥準(zhǔn)確有效地注入到IVC區(qū)域，實(shí)施OVCF責(zé)任節(jié)段的椎體強(qiáng)化，使其在降低骨水泥滲漏、恢復(fù)及維持椎體高度方面具有明顯優(yōu)勢。本研究結(jié)果顯示，D-PKP的手術(shù)時間短于T-PKP,這與術(shù)前基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的充分醫(yī)患溝通、提升患者手術(shù)配合度、輔助手術(shù)定位等也具有一定的相關(guān)性。

雖然本研究采用D-PKP技術(shù)取得了較為明顯的效果，但仍存在一定的不足之處，包括：①基于微軟第一代Hololens的混合現(xiàn)實(shí)眼鏡反應(yīng)速度、視野與亮度易受手術(shù)背景燈光的影響；②目前的雙人共享視野的穩(wěn)定性不足，使用中醫(yī)護(hù)配合需要醫(yī)師提前的口頭交流；③專用軟硬件尚需要進(jìn)一步優(yōu)化；④樣本量較少、術(shù)后隨訪時間較短，需要多中心、大樣本的前瞻性研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證D-PKP手術(shù)的效果。

綜上所述，與傳統(tǒng)的PKP術(shù)式相比，數(shù)字化設(shè)計(jì)/顯示技術(shù)有利于PKP手術(shù)的精確實(shí)施，降低手術(shù)風(fēng)險，使患者獲得更好的早期康復(fù)，但D-PKP技術(shù)的遠(yuǎn)期效果仍需進(jìn)一步的臨床應(yīng)用研究。