萬(wàn) 磊 霍力為 曾湘駿 庾偉中 鄭泉鑫 潘 錳 黃崇博

（廣州市正骨醫(yī)院，廣東 廣州 510045）

經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)需要精確掌握三維空間的進(jìn)針/釘角度[1]，其安全性依賴術(shù)者對(duì)水平橫斷面置釘角（transverse screw angle，TSA）角度和椎體正中矢狀面置釘角（sagital screw angle，SSA）角度的精確掌握[2]。然而術(shù)前通過(guò)CT或MRI測(cè)量的TSA角和SSA角與椎弓根解剖學(xué)真實(shí)的E角（椎弓根軸線與矢狀面的夾角）和F角（椎弓根軸線與椎體水平面或上終板平面的夾角）并不完全一致，因此基于平面測(cè)量數(shù)據(jù)的微小誤差都可能導(dǎo)致穿刺針透入椎管或椎間孔的危險(xiǎn)。如何在沒(méi)有購(gòu)買實(shí)時(shí)術(shù)中導(dǎo)航設(shè)備的醫(yī)療條件下，進(jìn)一步提升經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)的安全性？本研究擬結(jié)合采用CT圖像、計(jì)算機(jī)三維重建和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)，對(duì)胸椎椎弓根的E角和F角進(jìn)行測(cè)量，并使用3D打印胸椎個(gè)體化標(biāo)本，在X線監(jiān)測(cè)下根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的椎弓根進(jìn)針點(diǎn)和進(jìn)針角度，模擬進(jìn)行椎弓根穿刺操作，記錄并分析X線圖像結(jié)果。本文將計(jì)算機(jī)AR仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于臨床手術(shù)模擬研究，為經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)提供新的定量化和可視化方法。報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 CT數(shù)據(jù)的處理三維AR重建 選擇胸椎CT平掃的DICOM數(shù)據(jù)，層距2 mm。在MyAR交互式MR醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)（廣州市萬(wàn)雄科技有限公司提供）中對(duì)胸椎建立Mask像素集合并建立胸椎三維模型（圖1）。

圖1 上胸椎三維AR模型

1.2 E角和F角以及相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量 加載MyAR交互模塊，新建E角和F角的三維測(cè)量Analysis。取椎弓根入椎體截面中心點(diǎn)為P1點(diǎn)，椎弓根中心軸在椎板上的自然延長(zhǎng)線交點(diǎn)（上關(guān)節(jié)突或乳狀突外側(cè)面與橫突內(nèi)側(cè)面之間的切跡處）為P2點(diǎn)，兩點(diǎn)連線即是椎弓根中心軸線。該線與椎體正中矢狀面（軟件預(yù)設(shè)）的夾角為E角；在椎體上緣前、左、右三側(cè)各取一點(diǎn)：H1、H2、H3，三點(diǎn)構(gòu)成椎體上終板平面，測(cè)量椎弓根中心線與椎體上水平面的夾角為F角。

1.3 經(jīng)皮椎弓根穿刺術(shù)解剖入路計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì) 在胸椎三維重建模型上進(jìn)行三維空間取點(diǎn)取線操作，采用MyAR模塊Draw Point和Draw Line功能。取椎弓根中心軸點(diǎn)P1、P2點(diǎn)為空間測(cè)量點(diǎn)，在椎弓后緣取參考點(diǎn)P3，使三點(diǎn)在空間上成一直線，讀取P3點(diǎn)坐標(biāo)，此點(diǎn)為按椎弓根中心軸三維空間自然延長(zhǎng)線得到的穿刺最佳椎弓進(jìn)針定位點(diǎn)。

1.4 胸椎的快速成型與個(gè)體化經(jīng)皮穿刺椎體成形手術(shù)設(shè)計(jì) 椎體的STL文件格式采用AFS激光3D打印機(jī)（廣州市陽(yáng)銘有限公司提供）快速地制作出胸椎個(gè)體化標(biāo)本。在X線監(jiān)測(cè)下根據(jù)模型進(jìn)行模擬手術(shù)設(shè)計(jì)，選擇合適的進(jìn)釘點(diǎn)及進(jìn)釘角度等，模擬進(jìn)行鉆孔操作，記錄并分析X線圖像結(jié)果。

1.5 觀察指標(biāo) 比較E角和F角平面線線夾角和空間線面夾角，分析胸椎的快速成型與胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺術(shù)定位。

2 結(jié)果

2.1 E角和F角平面線線夾角和空間線面夾角的比較 椎弓根入椎體截面中心點(diǎn)P1坐標(biāo)（125.732，-104.543，72.346），椎弓根中心軸在椎板上的自然延長(zhǎng)線交點(diǎn)P2坐標(biāo)（129.163，-113.594，65.554），P1與P2構(gòu)成椎弓根中心軸線L1。分別取P1、P2兩點(diǎn)在正中矢狀面的投影點(diǎn)p1（136.609，-109.613，57.506）、p2（131.294，-113.543，56.538），兩點(diǎn)構(gòu)成參考線L2。線L1與線L2兩線夾角值即為E角，計(jì)算機(jī)測(cè)量為32.18°。

在胸椎平掃數(shù)據(jù)面上測(cè)量E角平面線線夾角，取椎弓根橫徑最大橫斷平掃面（Z軸47.00平面）為測(cè)量平面，取椎弓根中心軸線在測(cè)量平面的投影線為測(cè)量線，該線與正中矢狀線夾角為E角平面線線夾角，即TSA角，計(jì)算機(jī)測(cè)量為33.05°。E角與TSA角差值為0.87°。

在椎體上緣前、左、右三側(cè)各取一點(diǎn)：H1（163.751，-109.482，49.208）、H2（143.106，-185.534，62.385）、H3（139.417，-157.284，56.943），三點(diǎn)構(gòu)成椎體上終板平面。與E角測(cè)量相同，取椎弓根中心軸線L1在水平面的投影線為參考線，二者與水平面角度和即為F角空間線面夾角，值30.62°。

在胸椎平掃數(shù)據(jù)重建矢狀面上測(cè)量F角平面線線夾角（或X平片側(cè)位片），取正中矢狀面（X軸128.00平面）為測(cè)量平面，取椎弓根中心軸線在正中矢狀面的投影線與上終板平面在正中矢狀面的投影線為測(cè)量線，兩線夾角為F角平面線線夾角，即SSA角，計(jì)算機(jī)測(cè)量為31.82°。F角與SSA角差值為1.20°。

2.2 胸椎的快速成型與胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺術(shù)定位分析 采用3D打印制作出胸椎個(gè)體化標(biāo)本，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在直視下進(jìn)行模擬上胸椎椎弓根穿刺術(shù)，快速自動(dòng)成型標(biāo)本硬度較為理想，接近骨質(zhì)，需要用電鉆輔助穿刺。直視下能控制進(jìn)針角度和深度。穿刺后將模型按俯臥位放置于G臂機(jī)（圖2），獲取X線圖像并比較分析。

圖2 3D打印模型

按進(jìn)針深度分別獲取穿刺針達(dá)到椎體進(jìn)針點(diǎn)（圖3）、達(dá)到椎體后緣（圖4）、達(dá)到最佳深度（圖5）的X線圖像。見(jiàn)表1。根據(jù)以上X線定位分析結(jié)果，可為經(jīng)皮胸椎椎弓根穿刺提供參考。

圖3 椎體進(jìn)針點(diǎn)

圖4 達(dá)到椎體后緣

圖5 達(dá)到最佳深度

表1 T1椎弓根穿刺針深度與X線位置

3 討 論

經(jīng)皮椎弓根通路技術(shù)常應(yīng)用于經(jīng)皮椎弓根螺釘內(nèi)固定、經(jīng)皮椎體成形術(shù)、經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)、經(jīng)皮椎體活檢等手術(shù)[3-7]。胸椎椎弓根的松質(zhì)骨通道在空間結(jié)構(gòu)上是一狹長(zhǎng)的不規(guī)則的三維通道，通道周圍有重要解剖結(jié)構(gòu)。經(jīng)皮胸椎椎弓根通路技術(shù)需要安全置入導(dǎo)針或螺釘，避免傷及椎弓根內(nèi)側(cè)的硬脊膜、脊髓、下側(cè)的神經(jīng)根以及椎管四周的靜脈叢。目前醫(yī)學(xué)界的研究重點(diǎn)是提升椎弓根進(jìn)針點(diǎn)以及進(jìn)針角度的個(gè)體化精確性，避免穿破椎弓根皮質(zhì)，出現(xiàn)并發(fā)癥[8-9]。

同直視下行椎弓根手術(shù)相比，經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)入路無(wú)法依賴橫突與上關(guān)節(jié)突相對(duì)位置嚴(yán)格確定進(jìn)釘入口，現(xiàn)有的影像測(cè)量常規(guī)技術(shù)對(duì)于E角、F角這一類空間線面夾角無(wú)法直接測(cè)量。在CT或者M(jìn)RI橫斷面上進(jìn)行TSA角和SSA角測(cè)量成為一種臨床近似方案，然而存在誤差。因?yàn)樾g(shù)前通過(guò)CT或MRI片測(cè)量病錐的TSA角和SSA角與病錐解剖學(xué)椎弓根真實(shí)的E角和F角并不完全一致，因此基于平面測(cè)量數(shù)據(jù)的任何微小誤差都可能導(dǎo)致穿刺針透入錐管或椎間孔的危險(xiǎn)。穿刺進(jìn)針的安全性依賴術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)，在術(shù)中對(duì)TSA和SSA角度進(jìn)行調(diào)整。而術(shù)中G臂機(jī)、CT、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航監(jiān)測(cè)下穿刺進(jìn)針過(guò)程中需要反復(fù)掃描定位，即浪費(fèi)了醫(yī)療時(shí)間成本，也增加了患者的痛苦。

自2016年開(kāi)始，本課題組陸續(xù)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了增強(qiáng)與混合現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新醫(yī)療技術(shù)研究[10]。增強(qiáng)與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行個(gè)體化設(shè)計(jì)的經(jīng)皮椎弓根通路手術(shù)入路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以及為手術(shù)提供這些設(shè)計(jì)方案三維立體的參考解剖圖像。本研究中，綜合采用了CT圖像、計(jì)算機(jī)三維重建、3D快速打印以及三維AR等數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)，對(duì)胸椎椎弓根的E角和F角進(jìn)行三維測(cè)量，并測(cè)算出椎弓根進(jìn)針點(diǎn)以及進(jìn)針角度。本研究從以下方面提高了經(jīng)椎弓根入路技術(shù)的安全性，并為經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)提供新技術(shù)方案下的定量化和可視化方法：首先，在計(jì)算機(jī)三維模型上測(cè)量了E角、F角、TSA角和SSA角的準(zhǔn)確數(shù)值，結(jié)果顯示E角與TSA角差值為0.87°，F(xiàn)角與SSA角差值為1.20°。明確了這幾個(gè)角度測(cè)量數(shù)據(jù)之間存在誤差，提高了術(shù)者對(duì)于椎弓根入路技術(shù)副損傷的警覺(jué)性。其次，在3D打印和術(shù)中即時(shí)影像系統(tǒng)的支持下，對(duì)E角和F角角度進(jìn)行的個(gè)體化入路進(jìn)行了三維模擬手術(shù)和監(jiān)測(cè)，按進(jìn)針深度分別獲取穿刺針達(dá)到椎體進(jìn)針點(diǎn)、達(dá)到椎體后緣、達(dá)到最佳深度的X線圖像進(jìn)行了個(gè)體化取樣，為術(shù)者精準(zhǔn)實(shí)施個(gè)體化的經(jīng)皮胸椎椎弓根穿刺手術(shù)提供了參考，提高了手術(shù)的安全性。最后，在沒(méi)有實(shí)時(shí)術(shù)中導(dǎo)航設(shè)備的醫(yī)療條件下，精準(zhǔn)的經(jīng)皮胸椎椎弓根穿刺手術(shù)需要改變手術(shù)者依賴二維平面數(shù)據(jù)（CT或MRI片）測(cè)量TSA角和SSA角度的習(xí)慣，并在各類醫(yī)療三維建模與設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中進(jìn)行三維測(cè)量，獲取椎弓根解剖學(xué)真實(shí)的E角和F角數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提升經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)的安全性。

綜上所述，E角和F角的平面線線夾角與空間線面夾角存在差異，計(jì)算機(jī)手術(shù)輔助設(shè)計(jì)及AR技術(shù)輔助胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)更為精準(zhǔn)。