經皮胸椎椎弓根通路技術計算機三維設計和增強現實研究

萬 磊 霍力為 曾湘駿 庾偉中 鄭泉鑫 潘 錳 黃崇博

（廣州市正骨醫院，廣東 廣州 510045）

經皮椎弓根穿刺技術需要精確掌握三維空間的進針/釘角度[1]，其安全性依賴術者對水平橫斷面置釘角（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]。然而術前通過CT或MRI測量的TSA角和SSA角與椎弓根解剖學真實的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，因此基于平面測量數據的微小誤差都可能導致穿刺針透入椎管或椎間孔的危險。如何在沒有購買實時術中導航設備的醫療條件下，進一步提升經皮椎弓根穿刺技術的安全性？本研究擬結合采用CT圖像、計算機三維重建和增強現實（augmented reality，AR）技術，對胸椎椎弓根的E角和F角進行測量，并使用3D打印胸椎個體化標本，在X線監測下根據計算機模擬的椎弓根進針點和進針角度，模擬進行椎弓根穿刺操作，記錄并分析X線圖像結果。本文將計算機AR仿真模擬技術應用于臨床手術模擬研究，為經皮椎弓根穿刺技術提供新的定量化和可視化方法。報道如下。

1 材料與方法

1.1 CT數據的處理三維AR重建 選擇胸椎CT平掃的DICOM數據，層距2 mm。在MyAR交互式MR醫學影像系統（廣州市萬雄科技有限公司提供）中對胸椎建立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角以及相關數據的測量 加載MyAR交互模塊，新建E角和F角的三維測量Analysis。取椎弓根入椎體截面中心點為P1點，椎弓根中心軸在椎板上的自然延長線交點（上關節突或乳狀突外側面與橫突內側面之間的切跡處）為P2點，兩點連線即是椎弓根中心軸線。該線與椎體正中矢狀面（軟件預設）的夾角為E角；在椎體上緣前、左、右三側各取一點：H1、H2、H3，三點構成椎體上終板平面，測量椎弓根中心線與椎體上水平面的夾角為F角。

1.3 經皮椎弓根穿刺術解剖入路計算機三維設計 在胸椎三維重建模型上進行三維空間取點取線操作，采用MyAR模塊Draw Point和Draw Line功能。取椎弓根中心軸點P1、P2點為空間測量點，在椎弓后緣取參考點P3，使三點在空間上成一直線，讀取P3點坐標，此點為按椎弓根中心軸三維空間自然延長線得到的穿刺最佳椎弓進針定位點。

1.4 胸椎的快速成型與個體化經皮穿刺椎體成形手術設計 椎體的STL文件格式采用AFS激光3D打印機（廣州市陽銘有限公司提供）快速地制作出胸椎個體化標本。在X線監測下根據模型進行模擬手術設計，選擇合適的進釘點及進釘角度等，模擬進行鉆孔操作，記錄并分析X線圖像結果。

1.5 觀察指標 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皮椎弓根穿刺術定位。

2 結果

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P1坐標（125.732，-104.543，72.346），椎弓根中心軸在椎板上的自然延長線交點P2坐標（129.163，-113.594，65.554），P1與P2構成椎弓根中心軸線L1。分別取P1、P2兩點在正中矢狀面的投影點p1（136.609，-109.613，57.506）、p2（131.294，-113.543，56.538），兩點構成參考線L2。線L1與線L2兩線夾角值即為E角，計算機測量為32.18°。

在胸椎平掃數據面上測量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）為測量平面，取椎弓根中心軸線在測量平面的投影線為測量線，該線與正中矢狀線夾角為E角平面線線夾角，即TSA角，計算機測量為33.05°。E角與TSA角差值為0.87°。

在椎體上緣前、左、右三側各取一點：H1（163.751，-109.482，49.208）、H2（143.106，-185.534，62.385）、H3（139.417，-157.284，56.943），三點構成椎體上終板平面。與E角測量相同，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°。

在胸椎平掃數據重建矢狀面上測量F角平面線線夾角（或X平片側位片），取正中矢狀面（X軸128.00平面）為測量平面，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量線，兩線夾角為F角平面線線夾角，即SSA角，計算機測量為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皮椎弓根穿刺術定位分析 采用3D打印制作出胸椎個體化標本，根據上述實驗設計，在直視下進行模擬上胸椎椎弓根穿刺術，快速自動成型標本硬度較為理想，接近骨質，需要用電鉆輔助穿刺。直視下能控制進針角度和深度。穿刺后將模型按俯臥位放置于G臂機（圖2），獲取X線圖像并比較分析。

圖2 3D打印模型

按進針深度分別獲取穿刺針達到椎體進針點（圖3）、達到椎體后緣（圖4）、達到最佳深度（圖5）的X線圖像。見表1。根據以上X線定位分析結果，可為經皮胸椎椎弓根穿刺提供參考。

圖3 椎體進針點

圖4 達到椎體后緣

圖5 達到最佳深度

表1 T1椎弓根穿刺針深度與X線位置

3 討 論

經皮椎弓根通路技術常應用于經皮椎弓根螺釘內固定、經皮椎體成形術、經皮椎體后凸成形術、經皮椎體活檢等手術[3-7]。胸椎椎弓根的松質骨通道在空間結構上是一狹長的不規則的三維通道，通道周圍有重要解剖結構。經皮胸椎椎弓根通路技術需要安全置入導針或螺釘，避免傷及椎弓根內側的硬脊膜、脊髓、下側的神經根以及椎管四周的靜脈叢。目前醫學界的研究重點是提升椎弓根進針點以及進針角度的個體化精確性，避免穿破椎弓根皮質，出現并發癥[8-9]。

同直視下行椎弓根手術相比，經皮椎弓根穿刺技術入路無法依賴橫突與上關節突相對位置嚴格確定進釘入口，現有的影像測量常規技術對于E角、F角這一類空間線面夾角無法直接測量。在CT或者MRI橫斷面上進行TSA角和SSA角測量成為一種臨床近似方案，然而存在誤差。因為術前通過CT或MRI片測量病錐的TSA角和SSA角與病錐解剖學椎弓根真實的E角和F角并不完全一致，因此基于平面測量數據的任何微小誤差都可能導致穿刺針透入錐管或椎間孔的危險。穿刺進針的安全性依賴術者的臨床經驗，在術中對TSA和SSA角度進行調整。而術中G臂機、CT、計算機導航監測下穿刺進針過程中需要反復掃描定位，即浪費了醫療時間成本，也增加了患者的痛苦。

自2016年開始，本課題組陸續在國內率先開展了增強與混合現實創新醫療技術研究[10]。增強與混合現實技術的優勢是可以進行個體化設計的經皮椎弓根通路手術入路計算機輔助設計，以及為手術提供這些設計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、計算機三維重建、3D快速打印以及三維AR等數字醫學技術，對胸椎椎弓根的E角和F角進行三維測量，并測算出椎弓根進針點以及進針角度。本研究從以下方面提高了經椎弓根入路技術的安全性，并為經皮椎弓根穿刺技術提供新技術方案下的定量化和可視化方法：首先，在計算機三維模型上測量了E角、F角、TSA角和SSA角的準確數值，結果顯示E角與TSA角差值為0.87°，F角與SSA角差值為1.20°。明確了這幾個角度測量數據之間存在誤差，提高了術者對于椎弓根入路技術副損傷的警覺性。其次，在3D打印和術中即時影像系統的支持下，對E角和F角角度進行的個體化入路進行了三維模擬手術和監測，按進針深度分別獲取穿刺針達到椎體進針點、達到椎體后緣、達到最佳深度的X線圖像進行了個體化取樣，為術者精準實施個體化的經皮胸椎椎弓根穿刺手術提供了參考，提高了手術的安全性。最后，在沒有實時術中導航設備的醫療條件下，精準的經皮胸椎椎弓根穿刺手術需要改變手術者依賴二維平面數據（CT或MRI片）測量TSA角和SSA角度的習慣，并在各類醫療三維建模與設計軟件系統中進行三維測量，獲取椎弓根解剖學真實的E角和F角數據，從而進一步提升經皮椎弓根穿刺技術的安全性。

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，計算機手術輔助設計及AR技術輔助胸椎經皮椎弓根穿刺技術更為精準。