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

張其標， 江建中， 羅 翔， 黃國秀， 謝兆林

腰神經(jīng)根變異(lumbar nerve root anomalies,LNRA)是指其起始點、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)根的風險，特別是當神經(jīng)根發(fā)生變異但在術(shù)前未被診斷時，這將會降低手術(shù)成功率，增加手術(shù)風險[4-5]。目前，研究椎間孔鏡Kambin安全三角的傳統(tǒng)方法主要是通過尸檢、二維影像檢查及術(shù)中測繪，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)，對于LNRA的Kambin三角區(qū)變化的研究則較少見。隨著數(shù)字醫(yī)學與增材制造工藝的發(fā)展，3D打印技術(shù)廣泛運用于骨科基礎(chǔ)、臨床及教學等多個領(lǐng)域[6-7]，包括模型構(gòu)建、手術(shù)規(guī)劃、導航導板及內(nèi)植入物的打印[8-9]，具有個性化、立體化、可視化、可反復操作、廉價、精準化等特點。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)師對該立體三角空間區(qū)域進行直觀、全面的認識，并進行術(shù)前診斷，降低椎間孔鏡手術(shù)局部腰神經(jīng)根損傷的風險，提高療效?，F(xiàn)報道如下。

1 對象與方法

1.1研究對象 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。均無明顯外傷病史、脊柱手術(shù)史和藥物過敏史。

1.2數(shù)據(jù)獲取 應(yīng)用西門子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脈沖重復時間230 ms，回波時間225 ms，獲取SPCE及STR序列，翻轉(zhuǎn)時間220 ms，視野大小350 mm，矩陣320×320，層厚0.9 mm。將數(shù)據(jù)以“Dicom”格式導出備用。

1.3數(shù)字化LNRA模型的構(gòu)建及解剖參數(shù)測量

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

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

1.3.2 Kambin三角區(qū)的相關(guān)參數(shù)測量 Kambin三角為一個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個三角形[10]。在1.3.1中構(gòu)建的數(shù)字化模型上進行Kambin三角安全區(qū)域相關(guān)參數(shù)的測量(見圖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)突的交點至上關(guān)節(jié)突頂端的長度(當神經(jīng)根走行低于關(guān)節(jié)突時，則測量出行根至上述交點的垂直距離)；②基底部長度(D1)，以下位椎體上終板為基準面，出行神經(jīng)根交基準面一點，該點至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面，從神經(jīng)根起源點到基底面相交點的長度；②基底部長度(D2)，出行神經(jīng)根交基準面一點，該點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)”分別計算兩個安全三角的面積。

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

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)導出，將其以“STL”格式導入3D打印機器，施行個性化LNRA 3D模型的快速成型。見圖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導針到達靶點，通過C型臂X線機正側(cè)位透視確認穿刺位置，應(yīng)用一級、二級導桿、導管、環(huán)鋸等逐級擴管，擴大神經(jīng)孔，最后置入合適直徑的工作套管，完成C型臂透視下實施LNRA 3D模型的椎間孔置管模擬操作。用數(shù)學化方法計算出內(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。見圖4。

圖4 利用LNRA 3D模型實施椎間孔置管模擬操作圖

2 結(jié)果

通過數(shù)字化實現(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、椎間盤及脊髓腰叢神經(jīng)變異個性化實物模型。4例患者Kambin三角區(qū)的相關(guān)參數(shù)測量結(jié)果見表1，2。

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

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

3 討論

3.1LNRA對脊柱手術(shù)安全性與療效的影響 LNRA過去多在術(shù)中或尸檢中偶然發(fā)現(xiàn)，隨著影像學技術(shù)，特別是MRI技術(shù)的進步，T2加權(quán)冠狀位MRI成為術(shù)前識別異常神經(jīng)根的最佳方法和金標準[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)損傷常見的原因之一。對于解剖結(jié)構(gòu)正常的患者，在Kambin三角區(qū)內(nèi)進行椎間盤切除和植骨可最大程度上降低LNRA對硬膜囊或神經(jīng)根的損傷風險，但如果Kambin三角區(qū)存在未預知的異常神經(jīng)根，則會明顯改變Kambin三角區(qū)的可操作范圍，影響手術(shù)安全性，增加神經(jīng)損傷的風險；同時也可能因為單純椎間盤切除術(shù)而沒有充分減壓，導致手術(shù)失敗。由此可見，術(shù)前未被診斷的LNRA可能會使脊柱手術(shù)更加復雜化，包括不明確的神經(jīng)根活動、椎間盤入路和解剖定位[16]。神經(jīng)根異常所帶來的獨特挑戰(zhàn)也會使標準常規(guī)的手術(shù)變得更加復雜，增加醫(yī)源性損傷的風險。因此，術(shù)前進行準確的LNRA診斷，掌握其形態(tài)、走行，評估操作安全區(qū)域變化以實施術(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，工作通道若強行進入椎間孔會損傷神經(jīng)根。本研究中，L3/4聯(lián)合神經(jīng)根型變異的起點在L3/4椎間盤后方偏下，離開硬膜囊后翻折向上，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，導致手術(shù)風險增加。而對于L4/5聯(lián)合神經(jīng)根型變異，神經(jīng)根離開硬膜囊后，走行于椎間盤正后方，完全遮擋L4/5椎間盤，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)的三維測量，可用數(shù)學方法計算出內(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，增加置管時神經(jīng)損傷風險，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)風險，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)容物增加會使得Kambin三角區(qū)減小，故術(shù)前有必要對LNRA進行診斷，評估神經(jīng)走行及Kambin三角區(qū)的大小變化，以設(shè)計合適的手術(shù)方案，提高手術(shù)療效。

3.33D打印技術(shù)實現(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突出癥治療的微創(chuàng)手術(shù)，由Kambin和Hijikata于20世紀70年代提出。為此，Kambin描述了一個稱為Kambin三角區(qū)的安全區(qū)域，該區(qū)域也被認為是進入椎間盤間隙的安全區(qū)。因此，對于Kambin三角區(qū)的大小進行準確評估將有利于脊柱外科醫(yī)師開展脊柱微創(chuàng)手術(shù)。Hoshide等[18]通過尸檢，測量了16個Kambin三角區(qū)面積，首次對Kambin三角區(qū)的尺寸進行了描述。Pairaiturkar等[17]利用三維MRI技術(shù)實現(xiàn)了對Kambin三角的描繪，并在測量出經(jīng)皮內(nèi)鏡腰椎間盤切除術(shù)所允許的最大插管直徑，為臨床提供了有價值的參考。根據(jù)對Kambin三角區(qū)的測量，脊柱外科醫(yī)師得以自信地進行腰椎間盤間隙的微創(chuàng)手術(shù)，但是臨床上仍會出現(xiàn)神經(jīng)根損傷的情況。損傷的原因可能是入路問題、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)窺鏡腰椎間盤手術(shù)中神經(jīng)根損傷的主要原因。因此，對這個安全三角區(qū)開展研究可為椎間盤切除術(shù)提供安全保障。本研究通過患者的三維MRI數(shù)據(jù)建立等比例的LNRA數(shù)字化模型，并實施3D打印，對變異后的Kambin三角區(qū)進行測量，并進行安全性模擬操作。王敏等[20]的研究結(jié)果顯示，Kambin三角區(qū)的3D模型測量參數(shù)與尸體測量結(jié)果具有高度一致性，提示3D模型可以真實、有效地反映實際的解剖結(jié)構(gòu)。于鵬輝等[21]利用腰部CT數(shù)據(jù)進行醫(yī)學建模后實現(xiàn)了對腰神經(jīng)根、腰椎間盤及其主要毗鄰結(jié)構(gòu)三維測量，成功為經(jīng)皮穿刺腰椎間盤術(shù)提供解剖學依據(jù)。通過3D打印技術(shù)制作LNRA 3D模型不存在數(shù)量、價格、保存等方面的局限性問題[22-23]。而且，LNRA 3D模型的參數(shù)數(shù)據(jù)源自患者的CT和MRI個性化數(shù)據(jù)，經(jīng)醫(yī)學三維重建和測繪，具有精準化、個性化、立體化的優(yōu)點，真實還原人體腰椎、神經(jīng)根的空間解剖結(jié)構(gòu)，有利于LNRA及其類型的術(shù)前精準判斷[24]。另外，數(shù)字化模型還可進行虛化透明，觀察重疊組織的結(jié)構(gòu)；也可以實現(xiàn)360°全方位的平移、縮放，實現(xiàn)對Kambin三角區(qū)的測量，彌補了影像學平面測量的不足。此外，LNRA 3D模型還可用于術(shù)前模擬，提高術(shù)中定位、穿刺、置管的精準程度，實現(xiàn)直觀、精準、個性化的術(shù)前評估。

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種進行研究，對于其他變異類型的研究仍需進一步納入更多病例開展。另外，對于LNRA 3D模型的制作，在數(shù)據(jù)采集、三維重建及模擬測算方面對臨床醫(yī)師均有較高要求，需要熟練的醫(yī)學重建技能、脊柱解剖識別能力和脊柱手術(shù)專業(yè)知識，否則可能會對研究結(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LNRA區(qū)域的變化特點，降低手術(shù)風險，提高療效。