混合現實技術引導的經皮內窺鏡下腰椎椎間盤切除術的初步探索與應用

周建偉，李 矛，遲 成，虞攀峰，王 飛，唐家廣

首都醫(yī)科大學附屬北京同仁醫(yī)院脊柱外科，北京 100730

經皮內窺鏡下腰椎椎間盤切除術（PELD）已經成為治療腰椎椎間盤突出癥（LDH）的首選方法［1-3］。腰椎椎間盤突出類型多樣化，術前須精確定位突出椎間盤的“靶點”位置，確定進針點、深度和角度等相關參數，以便術中可按照術前設計快速準確地穿刺和置入工作通道，這是靶向穿刺技術的核心，也是盡可能減少不必要創(chuàng)傷并發(fā)癥的基礎［4］。常規(guī)手術通道的建立，需要根據椎間盤突出的不同病理類型并結合臨床實踐確定，且術中需要C形臂X線機透視輔助，存在學習曲線陡峭、輻射量大、手術風險高等問題［5-6］?；旌犀F實（MR）技術是近年發(fā)展起來的一門新興技術，其將虛擬現實（VR）技術與增強現實（AR）技術相結合，操作者可從MR技術呈現的全息影像中獲取相關信息，從而實現虛擬和真實的交互［7-8］。目前，MR技術在復雜的腦外科手術、髖關節(jié)手術中已有應用，并獲得良好的臨床療效［9-11］，但尚無其應用于PELD的報道。本研究組在MR技術引導下，對1例LDH患者行PELD，取得了良好的臨床療效，現報告如下。

1 資料和方法

1.1 病例資料

患者，女，37歲，2020年1月1日因“腰痛伴左下肢疼痛、麻木1年，加重3 d”入院。體格檢查：輪椅推入病房，左小腿后側和足底感覺減退，叩擊腰骶部疼痛加劇，并可誘發(fā)左側臀部及大小腿后側放射痛；雙下肢肌力5級，左下肢直腿抬高試驗陽性（30°），加強試驗陽性；腰痛視覺模擬量表（VAS）評分4分，左下肢痛VAS評分7分。既往無外傷、手術史。

1.2 術前三維模型重建

術前患者取俯臥位，完善腰椎正側位、過伸過屈位X線檢查及L1～ S3CT、MRI檢查（圖1）。將CT數據以dicom格式導入Materialise Mimics三維重構軟件系統(tǒng)（21.0版，北京仁馨醫(yī)療科技有限公司），對目標區(qū)域內的骨骼、硬膜囊、椎間盤、神經和皮膚等組織采用不同的顏色進行區(qū)分，使用多個不同分割算法進行可視化邊緣檢測、分割提取，測量、計算生成三維重建模型（圖2）。不同的軟組織采用圖像分割多閾值分割算法計算，通過在同一窗口顯示多幅分割效果圖、或將多幅效果圖合并成一幅偽彩色圖像，利用像素值提取“感興趣部位”，比較不同閾值的效果，從而確定合適的閾值［12］。將通過三維精準超渲染可視化技術得到的三維重建模型用特殊軟件與算法進行定位、渲染、物理參數調整及模型功能設定，進行高維態(tài)顯示處理，再把模型載入全息影像眼鏡中。術者觀察MR技術所呈現的全息影像，可立體、空間、直觀及多角度觀察，也可進行放大、縮小、旋轉及拖動等有利于觀察的操作。臨床醫(yī)師與患者通過該技術可進行多平面切換觀察，加深對二維影像平面結構的空間理解，術前可標記和模擬術中穿刺的安全路徑。

圖1 術前影像學資料

圖2 三維模型重建

1.3 手術方式及術后處理

手術采用局部麻醉，患者取俯臥位，胸部和髖部墊高，腹部懸空，常規(guī)消毒、鋪巾?；颊唧w位固定后，通過光學視覺系統(tǒng)把三維重建模型與患者脊柱進行匹配，并賦予坐標空間，形成MR的空間效果，然后在MR技術引導下行PELD（圖3）。術中依據定位將三維影像數據投射到L5/S1周圍，術者佩戴全息影像眼鏡（Hololens2，Microsoft公司），參考虛擬影像位置進行穿刺。全息影像眼鏡具有4部光學攝像機和2部紅外攝像機，可以實時多方位采集影像，反饋給處理系統(tǒng)，處理器采用高通驍龍850計算平臺，能實時生成2K高清圖像，保證術者在虛擬模型和真實世界無縫對接。此外，全息影像眼鏡實現了手動追蹤、眼動追蹤及語音控制，能自動和術者手眼對接，術者適應后可輕松操作，保證了術者意圖實施的準確性。

本例術中將穿刺針尖和皮膚穿刺點相吻合，沿預設路徑穿刺。穿刺過程中，術者通過全息影像眼鏡將虛擬和現實合為一體，無需透視引導（圖3a ～ c）。穿刺至L5/S1椎板間隙黃韌帶表面后，C形臂X線機透視驗證確保MR技術和真實場景模擬準確，穿刺位置準確（圖3d），之后在皮膚上做約1 cm長的切口，軟組織擴張后放入外工作套管連接內窺鏡（直徑4.3 mm，Wolf，德國），全程內窺鏡下直視操作，用槍鉗和咬斷鉗將黃韌帶切開3 ～ 5 mm，在椎管內神經外側隱窩方向用高速磨鉆將椎板間隙擴大，槍鉗和咬斷鉗去除間隙內的黃韌帶，找到突出的髓核組織并摘除，用射頻將纖維環(huán)成形，最后探查確認患者神經根活動良好、無活動性出血后，撤出工作管道和內窺鏡系統(tǒng)，縫合傷口。

術后患者平臥2 h，在軟腰圍保護下逐漸下床活動，術后第2天出院，出院后口服非甾體類抗炎藥物3 d。術后2周門診隨訪，去除腰圍，同時指導患者開始行腰背部肌肉力量鍛煉。

圖3 MR技術引導下PELD

2 結 果

手術順利完成，手術時間約30 min，術中出血量≤10 mL。患者術后腰痛伴左下肢疼痛較術前明顯改善，術后腰痛VAS評分2分，左下肢痛VAS評分1分，左小腿后側和足底麻木較術前改善。臥床休息3 h后佩戴腰圍下床活動，腰痛及左下肢痛無明顯加重。出院后定期隨訪。

3 討 論

隨著信息技術在醫(yī)療領域的深入研究和廣泛應用，新的信息技術，如MR技術，在外科手術中的應用迅速發(fā)展［13］。MR技術在手術中的應用關鍵是將術中的真實組織和術前圖像數據進行相互匹配與融合，實現實時三維視覺定位和手術導航［14-16］。MR技術具有實時交互性和精確匹配性等優(yōu)點，已成為信息技術在醫(yī)療領域的發(fā)展前沿。復雜的人工全髖關節(jié)置換術及骨盆/髖臼骨折，可利用MR技術進行個體化手術設計，術中與患者實際情況進行重疊交互，在直視下手術，大大提高了手術成功率［11，17］。此外，神經外科手術對精準程度要求高，MR技術能夠較好地重建三維圖像，與現實環(huán)境深度整合，能顯著縮短手術時間、提高定位準確性和手術安全性［9，18-19］。陸續(xù)有文獻報道MR技術應用于經皮腎鏡手術、胸腔鏡手術中［20-22］，均獲得了較好的早期臨床療效。隨著脊柱內窺鏡技術的進步，PELD已經成為治療LDH的首選方案［1-3，5］，與此同時，相關并發(fā)癥的報道也越來越多，特別是神經損傷等嚴重并發(fā)癥［4］。術前通過影像學資料確定病變“靶點”位置，設計手術路徑，確保術中按照設計方案實施手術，做到“個性化”和“精準”，是脊柱內窺鏡手術成功的關鍵［5］。

傳統(tǒng)PELD術中采用C形臂X線機透視定位穿刺，依據透視結果或醫(yī)師個人經驗，逐步調整穿刺針位置直至目標靶點。術中調整過程需要反復多次透視、穿刺。由于患者個體差異及病變“靶點”位置不同、病變類型多樣，對術者的空間思維能力和手術經驗提出了較高的要求。因此，PELD的學習曲線較為陡峭，初學者往往因缺乏良好的空間想象能力、臨床穿刺操作經驗，以及對脊柱解剖結構的不熟悉、對體表標志的觸覺反饋不敏感，導致定位穿刺困難。初學者手術操作時間延長、反復多次透視和穿刺增加患者痛苦及醫(yī)患雙方的輻射暴露，增加硬膜囊及神經根損傷風險［23-24］。MR技術通過術前收集患者影像學資料，利用信息技術重建脊柱、椎間盤、神經等重要組織結構并以三維虛擬模型的形式呈現出來，術者佩戴全息影像眼鏡可通過光學視覺系統(tǒng)將三維模型與現實相結合，并賦予坐標空間，形成MR的空間效果。在MR技術引導下進行手術操作，可保證對病變“靶點”部位進行精準處理，還可從不同角度對突出的椎間盤組織、神經、硬膜囊及周圍骨性組織的位置關系進行觀察，從而提高操作的準確率，降低手術風險。由于是基于MR技術引導的穿刺，術中僅需要在置管完成后采用C形臂X線機透視驗證1次，減少了患者的痛苦和醫(yī)患雙方的輻射暴露劑量，也縮短了手術時間。

三維虛擬模型與術前、術中真實空間的匹配精確度提升是MR技術在脊柱內窺鏡手術應用進一步發(fā)展的重點和難點。匹配精準度的影響因素：①術前CT數據采集體位和術中體位不同引起的誤差。不同體位下，神經根、硬膜囊、髓核的位置可能會有變化，采集CT數據時患者應盡可能保持俯臥位（擬采用椎板間入路手術的患者）或側臥位（擬采用側方入路手術的患者），減少體位對三維重建模型的影響。②工程師將虛擬數據和真實數據整合時人為操作引起的誤差。目前整合數據仍需要人為操作，可能引起一定范圍的誤差；可在患者體表設定標志點（至少3個），工程師采用計算機軟件結合標志點進行虛擬數據和真實數據的整合，以減少人為操作誤差。③術者實際操作和虛擬路徑之間的誤差。術者操作過程中可能不能完全吻合術前擬定的路徑，從而引起誤差，可考慮采用配備具有力反饋功能的操作桿，當術者操作偏離虛擬路徑時可實時提醒術者進行調整。

MR技術還可用于術前醫(yī)師與患者溝通，幫助患者更加形象地了解手術過程，消除患者及家屬的焦慮和疑惑，減少醫(yī)患矛盾和醫(yī)療糾紛發(fā)生的可能。目前，本研究組僅對MR技術在PELD中的應用進行了初步探索和嘗試，認為MR技術輔助PELD具有個體化設計和精準手術的優(yōu)點，安全、有效，在脊柱微創(chuàng)技術的個性化治療中具有良好的發(fā)展?jié)摿Γ磥磉€須增加樣本量和進一步隨訪來驗證和推廣。