應(yīng)用3D打印腰神經(jīng)根變異模型測(cè)量Kambin三角面積變化的臨床價(jià)值研究

張其標(biāo)， 江建中， 羅 翔， 黃國(guó)秀， 謝兆林

腰神經(jīng)根變異(lumbar nerve root anomalies,LNRA)是指其起始點(diǎn)、形態(tài)輪廓、走向巡行及數(shù)量等異常，常經(jīng)X線脊髓造影、MRI、手術(shù)及尸檢發(fā)現(xiàn)[1-2]。研究[3]表明，LNRA與脊柱外科手術(shù)的安全和療效密切相關(guān)。由于腰神經(jīng)根的解剖變異改變了神經(jīng)根的大小、形態(tài)及走行，影響了手術(shù)操作區(qū)域的解剖空間關(guān)系，進(jìn)一步影響脊柱手術(shù)的安全性和療效。腰神經(jīng)根是Kambin三角區(qū)域的重要邊界，兩者關(guān)系密切，椎間孔鏡手術(shù)具有損傷神經(jīng)根的風(fēng)險(xiǎn)，特別是當(dāng)神經(jīng)根發(fā)生變異但在術(shù)前未被診斷時(shí)，這將會(huì)降低手術(shù)成功率，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。目前，研究椎間孔鏡Kambin安全三角的傳統(tǒng)方法主要是通過(guò)尸檢、二維影像檢查及術(shù)中測(cè)繪，但研究也常局限于腰神經(jīng)根正常結(jié)構(gòu)下的Kambin三角區(qū)，對(duì)于LNRA的Kambin三角區(qū)變化的研究則較少見(jiàn)。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)與增材制造工藝的發(fā)展，3D打印技術(shù)廣泛運(yùn)用于骨科基礎(chǔ)、臨床及教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[6-7]，包括模型構(gòu)建、手術(shù)規(guī)劃、導(dǎo)航導(dǎo)板及內(nèi)植入物的打印[8-9]，具有個(gè)性化、立體化、可視化、可反復(fù)操作、廉價(jià)、精準(zhǔn)化等特點(diǎn)。本研究將3D打印技術(shù)應(yīng)用于LNRA的Kambin三角區(qū)域，還原患者LNRA解剖結(jié)構(gòu)，以提高脊柱外科醫(yī)師對(duì)該立體三角空間區(qū)域進(jìn)行直觀、全面的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行術(shù)前診斷，降低椎間孔鏡手術(shù)局部腰神經(jīng)根損傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高療效。現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象 選擇2018年7月至2020年6月貴港市人民醫(yī)院收治的LNRA患者4例，年齡44～65歲，男性2例，女性2例。變異類型：根聯(lián)合型3例，尾側(cè)起源型1例。均無(wú)明顯外傷病史、脊柱手術(shù)史和藥物過(guò)敏史。

1.2數(shù)據(jù)獲取 應(yīng)用西門(mén)子3.0 T核磁共振掃描儀采集患者腰部三維MRI數(shù)據(jù)。掃描范圍：由L1椎體上終板至骶1椎體下緣平面。掃描參數(shù)：MRI脈沖重復(fù)時(shí)間230 ms，回波時(shí)間225 ms，獲取SPCE及STR序列，翻轉(zhuǎn)時(shí)間220 ms，視野大小350 mm，矩陣320×320，層厚0.9 mm。將數(shù)據(jù)以“Dicom”格式導(dǎo)出備用。

1.3數(shù)字化LNRA模型的構(gòu)建及解剖參數(shù)測(cè)量

1.3.1 數(shù)字化模型的構(gòu)建 將三維MRI數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics10.01軟件中，設(shè)置圖像明亮度與對(duì)比度，再根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)(腰1～骶1水平)分別對(duì)腰椎、髂骨、椎間盤(pán)、脊髓腰叢神經(jīng)根進(jìn)行辨認(rèn)，點(diǎn)擊“Thresholding”，統(tǒng)一調(diào)整適當(dāng)閾值，得出所需組織的“Mask”，再應(yīng)用軟件的“Erase”“Draw”功能精準(zhǔn)修正“Mask”邊界，經(jīng)“Region Growing”與“Calculate 3D”功能得到1∶1的骨骼、椎間盤(pán)及脊髓腰叢神經(jīng)根模型(見(jiàn)圖1)，以“STL”格式輸出。

圖1 Mimics10.01軟件構(gòu)建骨骼、椎間盤(pán)及脊髓腰叢神經(jīng)根模型圖

1.3.2 Kambin三角區(qū)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量 Kambin三角為一個(gè)由四條邊界線圍成的類三角形立體結(jié)構(gòu)，其下邊界為下位椎體的上終板，內(nèi)側(cè)界為硬膜囊，后側(cè)界為關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，外上界為出行神經(jīng)根。該立體結(jié)構(gòu)在矢狀位、冠狀位平面上分別體現(xiàn)為2個(gè)三角形[10]。在1.3.1中構(gòu)建的數(shù)字化模型上進(jìn)行Kambin三角安全區(qū)域相關(guān)參數(shù)的測(cè)量(見(jiàn)圖2)。(1)椎間孔三角：①上關(guān)節(jié)突高度(H1)，下位椎體上終板平面與上關(guān)節(jié)突的交點(diǎn)至上關(guān)節(jié)突頂端的長(zhǎng)度(當(dāng)神經(jīng)根走行低于關(guān)節(jié)突時(shí)，則測(cè)量出行根至上述交點(diǎn)的垂直距離)；②基底部長(zhǎng)度(D1)，以下位椎體上終板為基準(zhǔn)面，出行神經(jīng)根交基準(zhǔn)面一點(diǎn)，該點(diǎn)至H1的垂直距離。(2)椎管內(nèi)三角：①硬脊膜高度(H2)，以下位椎體上終板為基準(zhǔn)面，從神經(jīng)根起源點(diǎn)到基底面相交點(diǎn)的長(zhǎng)度；②基底部長(zhǎng)度(D2)，出行神經(jīng)根交基準(zhǔn)面一點(diǎn)，該點(diǎn)至硬脊膜的垂直距離；③根囊角，起源處神經(jīng)根與硬脊膜之間的夾角。最后，按“面積=0.5×(D×H)”分別計(jì)算兩個(gè)安全三角的面積。

圖2 Kambin三角安全區(qū)域相關(guān)參數(shù)測(cè)量示意圖

1.43D打印LNRA模型及Kambin三角區(qū)手術(shù)操作安全性模擬

1.4.1 快速成型技術(shù)制作LNRA 3D模型 將組合體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將其以“STL”格式導(dǎo)入3D打印機(jī)器，施行個(gè)性化LNRA 3D模型的快速成型。見(jiàn)圖3。

圖3 3D打印技術(shù)制作的LNRA模型圖

1.4.2 Kambin三角區(qū)手術(shù)操作安全性模擬 按后外側(cè)入路的路徑，利用LNRA 3D模型在直視下置入細(xì)導(dǎo)針到達(dá)靶點(diǎn)，通過(guò)C型臂X線機(jī)正側(cè)位透視確認(rèn)穿刺位置，應(yīng)用一級(jí)、二級(jí)導(dǎo)桿、導(dǎo)管、環(huán)鋸等逐級(jí)擴(kuò)管，擴(kuò)大神經(jīng)孔，最后置入合適直徑的工作套管，完成C型臂透視下實(shí)施LNRA 3D模型的椎間孔置管模擬操作。用數(shù)學(xué)化方法計(jì)算出內(nèi)接圓，其代表了Kambin三角區(qū)中允許的最大套管直徑，探索不同變異情況下Kambin三角區(qū)可容納套管的最大直徑。見(jiàn)圖4。

圖4 利用LNRA 3D模型實(shí)施椎間孔置管模擬操作圖

2 結(jié)果

通過(guò)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)LNRA 3D模型的構(gòu)建，并成功應(yīng)用3D打印技術(shù)制作1∶1的骨骼、椎間盤(pán)及脊髓腰叢神經(jīng)變異個(gè)性化實(shí)物模型。4例患者Kambin三角區(qū)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，2。

表1 椎間孔Kambin三角區(qū)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表2 椎管內(nèi)Kambin三角區(qū)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

3 討論

3.1LNRA對(duì)脊柱手術(shù)安全性與療效的影響 LNRA過(guò)去多在術(shù)中或尸檢中偶然發(fā)現(xiàn)，隨著影像學(xué)技術(shù)，特別是MRI技術(shù)的進(jìn)步，T2加權(quán)冠狀位MRI成為術(shù)前識(shí)別異常神經(jīng)根的最佳方法和金標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。但研究[13-15]表明，大多數(shù)LNRA患者在臨床上仍被診斷為脊柱退行性病變，使LNRA成為脊柱手術(shù)失敗和術(shù)中神經(jīng)損傷常見(jiàn)的原因之一。對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)正常的患者，在Kambin三角區(qū)內(nèi)進(jìn)行椎間盤(pán)切除和植骨可最大程度上降低LNRA對(duì)硬膜囊或神經(jīng)根的損傷風(fēng)險(xiǎn)，但如果Kambin三角區(qū)存在未預(yù)知的異常神經(jīng)根，則會(huì)明顯改變Kambin三角區(qū)的可操作范圍，影響手術(shù)安全性，增加神經(jīng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也可能因?yàn)閱渭冏甸g盤(pán)切除術(shù)而沒(méi)有充分減壓，導(dǎo)致手術(shù)失敗。由此可見(jiàn)，術(shù)前未被診斷的LNRA可能會(huì)使脊柱手術(shù)更加復(fù)雜化，包括不明確的神經(jīng)根活動(dòng)、椎間盤(pán)入路和解剖定位[16]。神經(jīng)根異常所帶來(lái)的獨(dú)特挑戰(zhàn)也會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)的手術(shù)變得更加復(fù)雜，增加醫(yī)源性損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，術(shù)前進(jìn)行準(zhǔn)確的LNRA診斷，掌握其形態(tài)、走行，評(píng)估操作安全區(qū)域變化以實(shí)施術(shù)前模擬，這將有助于外科醫(yī)師制定安全的手術(shù)方案，對(duì)保證手術(shù)安全、提高療效具有重要意義。

3.2LNRA與Kambin三角區(qū)的面積變化相關(guān) 由于脊柱的先天性、退行性變以及結(jié)構(gòu)病理等改變，Kambin三角區(qū)的大小和形態(tài)也相應(yīng)發(fā)生變化，LNRA是導(dǎo)致Kambin三角區(qū)發(fā)生變化的重要因素之一。本研究發(fā)現(xiàn)，LNRA患者的Kambin三角區(qū)發(fā)生明顯減小，甚至消失，工作通道若強(qiáng)行進(jìn)入椎間孔會(huì)損傷神經(jīng)根。本研究中，L3/4聯(lián)合神經(jīng)根型變異的起點(diǎn)在L3/4椎間盤(pán)后方偏下，離開(kāi)硬膜囊后翻折向上，沿著L4椎弓根內(nèi)上緣出孔；與正常一側(cè)相比，異常根的出行明顯偏離正常軌跡(L3椎弓根內(nèi)下緣)向下移動(dòng)至L4椎弓根內(nèi)上緣，使得Kambin三角區(qū)斜邊(出行神經(jīng)根長(zhǎng)度)和高度(上關(guān)節(jié)突高度)明顯丟失，椎間孔三角面積和椎管內(nèi)三角面積明顯縮小，導(dǎo)致手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)增加。而對(duì)于L4/5聯(lián)合神經(jīng)根型變異，神經(jīng)根離開(kāi)硬膜囊后，走行于椎間盤(pán)正后方，完全遮擋L4/5椎間盤(pán)，上關(guān)節(jié)突和硬脊膜高度分別較正常一側(cè)減少3.69 mm和14.39 mm，相應(yīng)的區(qū)域面積減少了10.71 mm2和92.88 mm2。根據(jù)Kambin三角區(qū)的三維測(cè)量，可用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出內(nèi)接圓，其代表了Kambin三角區(qū)中允許的最大套管直徑[17]。本研究中該病例節(jié)段正常情況下可容納椎管內(nèi)三角最大的套管直徑為8.85 mm，LNRA后縮小至3.29 mm，增加置管時(shí)神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，以致不適合行椎間孔鏡手術(shù)而需改變術(shù)式。因此，LNRA與Kambin三角區(qū)面積變化具有顯著關(guān)聯(lián)。對(duì)于LNRA的其他類型，如囊外分支型，在同一椎間孔內(nèi)出現(xiàn)兩條出行神經(jīng)根，增加了椎間孔內(nèi)容物，致使Kambin三角區(qū)的有效安全面積減小，縮減了可操作區(qū)域，增加了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，影響手術(shù)療效。本研究發(fā)現(xiàn)，在Kambin三角區(qū)的基礎(chǔ)上由于神經(jīng)根變異引起出行神經(jīng)根走行下移或椎間孔內(nèi)容物增加會(huì)使得Kambin三角區(qū)減小，故術(shù)前有必要對(duì)LNRA進(jìn)行診斷，評(píng)估神經(jīng)走行及Kambin三角區(qū)的大小變化，以設(shè)計(jì)合適的手術(shù)方案，提高手術(shù)療效。

3.33D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)Kambin三角區(qū)立體可視 內(nèi)窺鏡手術(shù)是一種適用于腰椎間盤(pán)突出癥治療的微創(chuàng)手術(shù)，由Kambin和Hijikata于20世紀(jì)70年代提出。為此，Kambin描述了一個(gè)稱為Kambin三角區(qū)的安全區(qū)域，該區(qū)域也被認(rèn)為是進(jìn)入椎間盤(pán)間隙的安全區(qū)。因此，對(duì)于Kambin三角區(qū)的大小進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估將有利于脊柱外科醫(yī)師開(kāi)展脊柱微創(chuàng)手術(shù)。Hoshide等[18]通過(guò)尸檢，測(cè)量了16個(gè)Kambin三角區(qū)面積，首次對(duì)Kambin三角區(qū)的尺寸進(jìn)行了描述。Pairaiturkar等[17]利用三維MRI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Kambin三角的描繪，并在測(cè)量出經(jīng)皮內(nèi)鏡腰椎間盤(pán)切除術(shù)所允許的最大插管直徑，為臨床提供了有價(jià)值的參考。根據(jù)對(duì)Kambin三角區(qū)的測(cè)量，脊柱外科醫(yī)師得以自信地進(jìn)行腰椎間盤(pán)間隙的微創(chuàng)手術(shù)，但是臨床上仍會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)根損傷的情況。損傷的原因可能是入路問(wèn)題、插管直徑、內(nèi)鏡檢查操作或Kambin三角區(qū)改變。Ozer等[19]通過(guò)尸檢研究發(fā)現(xiàn)，Kambin三角區(qū)的解剖變異可能是內(nèi)窺鏡腰椎間盤(pán)手術(shù)中神經(jīng)根損傷的主要原因。因此，對(duì)這個(gè)安全三角區(qū)開(kāi)展研究可為椎間盤(pán)切除術(shù)提供安全保障。本研究通過(guò)患者的三維MRI數(shù)據(jù)建立等比例的LNRA數(shù)字化模型，并實(shí)施3D打印，對(duì)變異后的Kambin三角區(qū)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行安全性模擬操作。王敏等[20]的研究結(jié)果顯示，Kambin三角區(qū)的3D模型測(cè)量參數(shù)與尸體測(cè)量結(jié)果具有高度一致性，提示3D模型可以真實(shí)、有效地反映實(shí)際的解剖結(jié)構(gòu)。于鵬輝等[21]利用腰部CT數(shù)據(jù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)建模后實(shí)現(xiàn)了對(duì)腰神經(jīng)根、腰椎間盤(pán)及其主要毗鄰結(jié)構(gòu)三維測(cè)量，成功為經(jīng)皮穿刺腰椎間盤(pán)術(shù)提供解剖學(xué)依據(jù)。通過(guò)3D打印技術(shù)制作LNRA 3D模型不存在數(shù)量、價(jià)格、保存等方面的局限性問(wèn)題[22-23]。而且，LNRA 3D模型的參數(shù)數(shù)據(jù)源自患者的CT和MRI個(gè)性化數(shù)據(jù)，經(jīng)醫(yī)學(xué)三維重建和測(cè)繪，具有精準(zhǔn)化、個(gè)性化、立體化的優(yōu)點(diǎn)，真實(shí)還原人體腰椎、神經(jīng)根的空間解剖結(jié)構(gòu)，有利于LNRA及其類型的術(shù)前精準(zhǔn)判斷[24]。另外，數(shù)字化模型還可進(jìn)行虛化透明，觀察重疊組織的結(jié)構(gòu)；也可以實(shí)現(xiàn)360°全方位的平移、縮放，實(shí)現(xiàn)對(duì)Kambin三角區(qū)的測(cè)量，彌補(bǔ)了影像學(xué)平面測(cè)量的不足。此外，LNRA 3D模型還可用于術(shù)前模擬，提高術(shù)中定位、穿刺、置管的精準(zhǔn)程度，實(shí)現(xiàn)直觀、精準(zhǔn)、個(gè)性化的術(shù)前評(píng)估。

3.4局限性 LNRA有較多不同的類型[25-26]，由于本研究病例數(shù)少，只能納入其中2種進(jìn)行研究，對(duì)于其他變異類型的研究仍需進(jìn)一步納入更多病例開(kāi)展。另外，對(duì)于LNRA 3D模型的制作，在數(shù)據(jù)采集、三維重建及模擬測(cè)算方面對(duì)臨床醫(yī)師均有較高要求，需要熟練的醫(yī)學(xué)重建技能、脊柱解剖識(shí)別能力和脊柱手術(shù)專業(yè)知識(shí)，否則可能會(huì)對(duì)研究結(jié)果造成一定偏倚。

綜上所述，LNRA顯著影響脊柱外科手術(shù)，特別是脊柱微創(chuàng)內(nèi)鏡下技術(shù)的安全性，且與術(shù)后療效密切相關(guān)。3D打印技術(shù)可讓臨床醫(yī)師立體觀測(cè)LNRA區(qū)域的變化特點(diǎn)，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高療效。