增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在經(jīng)皮腰椎椎間孔鏡手術(shù)中的應(yīng)用

胡亞威 張昊 羅新樂 周建華 陳少初 龔銘 張望 郭增峰 鄧岳

腰椎間盤突出癥是引起腰腿痛最常見原因之一,常需外科手術(shù)干預(yù)。目前手術(shù)方式主要有傳統(tǒng)開發(fā)手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)2 種。經(jīng)皮內(nèi)鏡椎間孔下椎間盤切除術(shù)(percutaneous endoscopic lumbar discectomy,PELD)可減少對(duì)正常穩(wěn)定脊柱結(jié)構(gòu)的不必要損傷,已被證明是一種安全有效的方法［1］。然而,缺乏解剖學(xué)標(biāo)志、陡峭的學(xué)習(xí)曲線和輻射暴露是主要的問題,有時(shí)也是醫(yī)源性損傷的原因。然而,與開放手術(shù)相比,PELD 經(jīng)狹小的椎間孔進(jìn)入椎管或經(jīng)Kambin 三角進(jìn)入椎間盤內(nèi),操作常常受限且風(fēng)險(xiǎn)增加,尤其依賴于工作管道置入的準(zhǔn)確性,否則,可能導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥,如神經(jīng)和血管損傷［2,3］,另外學(xué)習(xí)曲線陡峭、輻射暴露也是影響該技術(shù)發(fā)展的主要原因［4,5］。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented Reality,AR)是在虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新型多媒體技術(shù),它集合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù),將計(jì)算機(jī)生成的模擬圖像融合到真實(shí)世界場(chǎng)景［6］。AR 技術(shù)在醫(yī)學(xué)手術(shù)中也越來越體現(xiàn)出其獨(dú)特的價(jià)值,在AR 環(huán)境下,醫(yī)生能模擬手術(shù)操作過程,明確術(shù)中的難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),有助于醫(yī)生更好的設(shè)計(jì)手術(shù)方案。目前,已逐步應(yīng)用于神經(jīng)外科、創(chuàng)傷外科、整形外科等領(lǐng)域,進(jìn)行手術(shù)的規(guī)劃和模擬［7-9］。針對(duì)AR 技術(shù)應(yīng)用到經(jīng)皮腰椎椎間孔鏡手術(shù)個(gè)體化術(shù)前規(guī)劃的研究在國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少。本研究通過AR 技術(shù)實(shí)行個(gè)體化術(shù)前規(guī)劃,探討了AR 技術(shù)在皮腰椎椎間孔鏡手術(shù)中的應(yīng)用。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2019 年12 月～2020 年12 月本院收治的80 例需行椎間孔鏡手術(shù)的腰椎間盤突出癥患者,采用隨機(jī)數(shù)字表法分為觀察組與對(duì)照組,各40 例。納入標(biāo)準(zhǔn)：椎間盤突出較大、鈣化明顯、髂棘較高等較復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較高腰椎間盤突出癥椎間孔鏡手術(shù)患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：伴有腰椎滑脫、腰椎不穩(wěn)、椎間盤源性腰痛、腰椎管狹窄等疾患或患有無心臟、神經(jīng)、肝腎功能障礙等嚴(yán)重的系統(tǒng)性疾患不適宜手術(shù)者不予入選。所有擬手術(shù)患者均簽署手術(shù)知情同意書及知情同意書。兩組的性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)、術(shù)前VAS 評(píng)分比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05),具有可比性。見表1。

表1 兩組患者一般資料比較(n,)

表1 兩組患者一般資料比較(n,)

注：兩組比較,P＞0.05

1.2 方法

1.2.1 術(shù)前準(zhǔn)備 觀察組術(shù)前使用AR 技術(shù)生成個(gè)體化術(shù)前規(guī)劃報(bào)告。模型重建：將患者腰椎CT、磁共振(MRI)等影像學(xué)資料導(dǎo)入AR 醫(yī)學(xué)影像平臺(tái)進(jìn)行CT 及MRI 的3D 結(jié)合模型重建。全方面反映出突出髓核大小、位置、周圍骨性組織及軟組織、血管、神經(jīng)走向。定位：根據(jù)椎間盤突出位置,選擇合適靶點(diǎn)進(jìn)行定位。轉(zhuǎn)針：調(diào)整進(jìn)針方向,選擇最佳穿刺入路。測(cè)量：測(cè)量距離中線距離、上緣面距離、入陣深度、C 臂及傾斜角度等相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行模擬置管。然后在進(jìn)行模擬C 臂機(jī)透視、佩戴AR 設(shè)備,進(jìn)行AR 模擬手術(shù)操作,明確術(shù)中難點(diǎn),規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),生成個(gè)體化術(shù)前規(guī)劃報(bào)告。隨后進(jìn)行現(xiàn)實(shí)手術(shù)。對(duì)照組術(shù)前閱片制定手術(shù)計(jì)劃。

1.2.2 手術(shù)方法 患者俯臥位,C 臂機(jī)透視,選擇后正中線、患側(cè)髂嵴投影線,在髂嵴上選擇合適進(jìn)針點(diǎn)位置,0.5%利多卡因局部麻醉,經(jīng)皮穿刺后使用導(dǎo)針進(jìn)行定位,腰椎X 片正位顯示導(dǎo)針針尖位于L4、L5上下椎弓根連線中點(diǎn),側(cè)位提示導(dǎo)針針尖位于椎體后院,C 臂機(jī)透視定位準(zhǔn)確后,取出針心,注入造影劑行椎間盤造影,在穿刺針處皮膚切一個(gè)約8 mm 切口,置入導(dǎo)絲及導(dǎo)引桿、逐級(jí)擴(kuò)張管道,使用擴(kuò)鉆孔行椎間孔成形,置入工作套管,放置內(nèi)窺鏡。在鏡下用髓核鉗將染色突出的髓核組織取出,射頻電極封堵破損纖維環(huán)、止血。退出工作套管及內(nèi)窺鏡,皮內(nèi)縫合傷口,敷料包扎手術(shù)切口,手術(shù)結(jié)束。

1.3 觀察指標(biāo)及判定標(biāo)準(zhǔn) 比較兩組手術(shù)透視次數(shù)、穿刺定位時(shí)間、手術(shù)時(shí)間、VAS 評(píng)分及住院時(shí)間。①手 術(shù)時(shí)間：從穿刺定位到縫皮結(jié)束的時(shí)間。②VAS 評(píng)分：分別于術(shù)前和術(shù)后24、48、72 h 評(píng)估患者VAS 評(píng)分,0 分為完全無痛,1～3 分為有輕微疼痛能忍受,4～6 分為疼痛影響睡眠需要干預(yù),≥7 分為強(qiáng)烈疼痛,10 分為劇烈疼痛無法忍受［10,11］。③住院時(shí)間：為避免術(shù)前因各種原因?qū)е率中g(shù)延遲而造成統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差,選取手術(shù)日期至出院日期天數(shù)為住院時(shí)間。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,采用t 檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以率(%)表示,采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組手術(shù)透視次數(shù)、穿刺定位時(shí)間、手術(shù)時(shí)間比較 觀察組患者手術(shù)透視次數(shù)(13.89±3.07)次,少于對(duì)照組的(20.87±4.22)次,穿刺定位時(shí)間(18.54± 5.32)min、手術(shù)時(shí)間(77.02±13.01)min,短于對(duì)照組的(29.01±6.15)min、(88.91±14.93)min,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。見表2。

表2 兩組手術(shù)透視次數(shù)、穿刺定位時(shí)間、手術(shù)時(shí)間比較()

表2 兩組手術(shù)透視次數(shù)、穿刺定位時(shí)間、手術(shù)時(shí)間比較()

注：與對(duì)照組比較,aP＜0.05

2.2 兩組VAS 評(píng)分及住院時(shí)間比較 術(shù)后24、48、72 h,兩組患者的VAS 評(píng)分均低于術(shù)前,且觀察組患者的VAS 評(píng)分均低于對(duì)照組,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；觀察組患者的住院時(shí)間(5.09±1.02)d 短于對(duì)照組的(6.13±0.99)d,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。見表3。

表3 兩組VAS 評(píng)分及住院時(shí)間比較()

表3 兩組VAS 評(píng)分及住院時(shí)間比較()

注：與本組術(shù)前比較,aP＜0.05；與對(duì)照組比較,bP＜0.05

3 討論

腰椎間盤突出癥是引起腰腿痛的常見原因,發(fā)病率可高達(dá)40%［12］。椎間盤突出較大、癥狀嚴(yán)重、影響正常生活工作的患者往往需要手術(shù)治療。傳統(tǒng)開放式手術(shù),需采用5～6 cm 的較大切口,剝離椎旁肌肉,切除部分椎板和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的骨質(zhì),雖然能達(dá)到解除神經(jīng)根壓迫,緩解疼痛的目的,但創(chuàng)傷較大、出血多、恢復(fù)時(shí)間慢,同時(shí)有可能帶來脊柱穩(wěn)定性的破壞等問題［13,14］。隨著科技的發(fā)展和設(shè)備的進(jìn)步,手術(shù)越來越微創(chuàng)化、精細(xì)化。其中經(jīng)皮椎間孔鏡技術(shù)因其局麻下操作、切口小、出血少、不破壞脊柱穩(wěn)定性、療效確切、恢復(fù)快等一系列優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用［15,16］。其中有代表性的就是楊內(nèi)窺鏡脊柱手術(shù)(YESS)或經(jīng)口內(nèi)窺鏡脊柱系統(tǒng)(TESSYS)技術(shù)［17,18］。

這兩種手術(shù)技術(shù)的操作難點(diǎn)與關(guān)鍵步驟就在于如何精準(zhǔn)的定位,手術(shù)初學(xué)者往往因?yàn)椴僮鞑皇炀殹⒖臻g想象力不夠等因素?zé)o法準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)位置,使輻射曝光增加、手術(shù)操作難度增加,并容易產(chǎn)生神經(jīng)根損傷、硬膜囊撕裂、血腫、感染等并發(fā)癥,無法到達(dá)滿意的治療效果［19-21］。

為此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)如何提高穿刺精準(zhǔn)度進(jìn)行了研究。曾月東等［22］設(shè)計(jì)制作了椎間孔鏡穿刺輔助定位器,運(yùn)用輔助定位器以能提高穿刺成功率,減少術(shù)者及患者攝片定位次數(shù),目前臨床應(yīng)用時(shí)間較短,穿刺病例數(shù)量有限。Abdullah 等［23］報(bào)道了三維X 線機(jī)在手術(shù)中的應(yīng)用,其主要不足在于輻射暴露量及手術(shù)費(fèi)用增加等問題,很難進(jìn)行普遍推廣。范國(guó)鑫等［24］發(fā)明了同心圓椎間孔鏡定位器,并對(duì)其小樣本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了回顧性研究,該定位器科研減少35.56%的透視次數(shù),但對(duì)于L5/S1高髂嵴或者橫突肥大的病例,較難一次達(dá)到理想位置。同時(shí),以上技術(shù)均著重于穿刺點(diǎn)的研究,在術(shù)中進(jìn)行臨時(shí)操作,無法在術(shù)前對(duì)手術(shù)中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)及難度做出預(yù)判,制定出個(gè)體化的手術(shù)方案。

國(guó)內(nèi)與醫(yī)療領(lǐng)域結(jié)合的相關(guān)研究工作雖然較國(guó)外起步晚,但也已取得了一定成果。虛擬現(xiàn)實(shí)及AR 技術(shù)通過整合CT、MRI、數(shù)字減影血管造影(DSA)等檢查結(jié)果,重建3D 模型,有助于外科醫(yī)生進(jìn)行教學(xué)模擬、術(shù)前計(jì)劃及術(shù)中導(dǎo)航,從而提高手術(shù)安全性,降低術(shù)后并發(fā)癥,為精細(xì)的個(gè)體化手術(shù)開辟了新的天地。基于虛擬現(xiàn)實(shí)及AR 技術(shù)的多模態(tài)功能神經(jīng)導(dǎo)航計(jì)劃平臺(tái),已經(jīng)逐步在神經(jīng)外科術(shù)前規(guī)劃、教學(xué)中的展開應(yīng)用［25,26］。

本實(shí)驗(yàn)采用的AR 技術(shù)平臺(tái),能夠兼容DICOM 格式圖片,而且可以將CR 與MRI 圖像三維重建后進(jìn)行融合,重建后的MRI 可以反映突出的髓核及其周圍軟組織的情況,另外一方面CT 圖像則可以較清晰的反映髓核周圍骨性結(jié)構(gòu)的情況,在處理關(guān)節(jié)突增生或鈣化方面對(duì)術(shù)者有較大的幫助。圖像重建后,醫(yī)生佩戴AR眼鏡,可以在眼前出現(xiàn)一個(gè)三維立體的模型,并且該模型可以在冠狀面、矢狀面、橫斷面均可以360°旋轉(zhuǎn),幫助醫(yī)生在三維立體層面全方位理解髓核突出具體形態(tài)及周圍解剖結(jié)構(gòu)。

本次實(shí)驗(yàn)中,觀察組通過AR 技術(shù)平臺(tái),規(guī)劃好穿刺進(jìn)針點(diǎn)及穿刺角度、深度等各種參數(shù),制定個(gè)性化的手術(shù)方案,并在虛擬的“真實(shí)場(chǎng)景”中不斷的模擬手術(shù),了解手術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。在實(shí)際手術(shù)過程中,通過事先的預(yù)演,可以更準(zhǔn)確的達(dá)到靶點(diǎn),減少透視次數(shù),避免重復(fù)操作,降低了醫(yī)源性的損傷。觀察組患者手術(shù)透視次數(shù)(13.89±3.07)次、穿刺定位時(shí)間(18.54± 5.32)min、手術(shù)時(shí)間(77.02±13.01)min 均少于對(duì)照組的(20.87±4.22)次、(29.01±6.15)min、(88.91±14.93)min,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。說明通過AR 技術(shù)平臺(tái)術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù),能夠有效的減少X 線的曝光次數(shù),減少患者和醫(yī)務(wù)人員的輻射損傷。術(shù)后24、48、72 h,兩組患者的VAS 評(píng)分均低于術(shù)前,且觀察組患者的VAS 評(píng)分均低于對(duì)照組,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；觀察組患者的住院時(shí)間(5.09±1.02)d 短于對(duì)照組的(6.13±0.99)d,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。說明術(shù)前采用AR 技術(shù)平臺(tái)術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù),能提供更好的手術(shù)效果,縮短住院時(shí)間,提高患者滿意度。

綜上所述,AR 技術(shù)通過靶點(diǎn)定位、選擇進(jìn)針方向、角度,測(cè)量置管深度,進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)操作,明確術(shù)中難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn),制定個(gè)體化術(shù)前規(guī)劃,能夠提供精確的術(shù)前規(guī)劃并進(jìn)行術(shù)前模擬操作,可顯著提高PELD 的穿刺精度,減少透視和定位時(shí)間,提高手術(shù)定位精度、減少并發(fā)癥的發(fā)生、降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn),提高手術(shù)安全性,減少患者與醫(yī)生的X 線暴露、縮短住院時(shí)間,在臨床工作中有較大的應(yīng)用價(jià)值。