混合現實技術在老年骨質疏松性胸腰椎壓縮性骨折治療中的臨床應用

劉融 劉彬 高迪 余昊天

骨質疏松性椎體壓縮性骨折(osteoporotic vertebral compression fracture,OVCF) 是老年人的常見疾病，約占骨質疏松性骨折的45%[1]，且隨年齡增長發生率呈明顯上升趨勢[2]，是最常見的增加全身性疾病和死亡率的骨質疏松性骨折的類型之一。目前，經皮椎體后凸成形術(percutaneous kyphoplasty,PKP)是常用的手術方式[3]，但在治療過程中可能導致骨水泥滲漏、鄰近椎體再骨折、肺栓塞、感染等多種并發癥的發生[4]。混合現實(mixed reality,MR)技術是一種數字化全息影像學技術，它是在虛擬現實(virtual reality,VR)和增強現實(augmented,reality,AR)技術上的進一步發展[5]，它將虛擬物體直接放到真實世界中，通過MR設備，使虛擬世界、用戶、現實世界三者之間形成交互反饋，虛擬世界與現實世界在一個新的可視化環境中能夠實時互動。通過該技術，觀察者使用手勢操作可以從任意角度對三維模型進行觀察，便于醫患溝通、制定手術方案及術中導航。本文探討MR技術在老年骨質疏松性胸腰椎椎體壓縮性骨折治療中的應用價值。

對象與方法

一、對象

2019年3月～2019年12月收治老年骨質疏松性胸腰椎壓縮性骨折病人66例，隨機分為兩組。實驗組33例，年齡62～84歲，平均(73.06±5.01)歲，骨密度2.31～2.77 g/cm2，平均(2.56±0.66)g/cm2，包括胸10椎體骨折3例，胸11椎體骨折6例，胸12椎體骨折10例，腰1椎體骨折10例，腰2椎體骨折2例，腰3椎體骨折2例； 對照組33例，年齡61～85歲，平均(73.39±5.18)歲，骨密度2.43～2.86 g/cm2，平均(2.61±0.77)g/cm2，包括胸10椎體骨折2例，胸11椎體骨折7例，胸12椎體骨折11例，腰1椎體骨折9例，腰2椎體骨折2例，腰3椎體骨折2例。兩組年齡、性別比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表1。均無手術禁忌證，且無其他系統嚴重疾病。本研究通過醫院倫理審核，病人均自愿簽署知情同意書。

表1 兩組一般比較資料

納入標準：(1)影像學檢查診斷為新鮮單椎體壓縮性骨折；(2)無明顯原因或輕微外傷致胸腰背部疼痛，叩擊痛或壓痛陽性；(3)無PKP手術禁忌證；(4)病人接受術后隨訪。排除標準：繼發性骨質疏松癥；2個及以上椎體骨折；服用激素類藥物史超3個月；存在嚴重心、肺、肝、腎功能不全；惡性腫瘤導致的病理性骨折。

二、方法

1.設備：X線機( Hitachi DFA200，日本日立公司)，感蘭型X線膠片，KODAK自動洗片機；CT掃描機(德國SIEMENS公司)：雙源 64 排螺旋 CT，掃描層厚0.625 mm；MRI掃描機：磁共振3.0T(Signa HD×T3.0T，美國通用電氣公司)，層厚和層距均為8 mm，高分辨正交8通道線圈；Windows HoloLens 全息眼鏡(美國微軟公司)。

2.模型重建及術前規劃：對照組采用傳統方式，通過病人醫學影像資料進行手術規劃。實驗組采集病人的CT原始DICOM數據，將獲取的DICOM格式的二維CT原始影像資料，輸入Mimics 19.0軟件中，分別進行閾值分割、區域增長、蒙版編輯、光滑處理、填補空洞等操作，重建出患椎1∶1三維模型；運用數字可視化技術[6]，進行虛擬手術，以雙側椎弓根及棘突投影為參考，取雙側椎弓根外側為進針點，應用Analyze Cylinder模塊功能建立穿刺套管模型，在骨折椎體中調整穿刺套管角度與深度，穿刺套管模擬置入最佳位置。將重建完畢患椎、套管三維模型以STL格式進行文件保存，最后將重建出的STL文件通過無線局域網傳輸至混合現實設備。

3.術前溝通：對照組利用病人影像資料與病人講解病情。實驗組醫患雙方均頭戴已導入病人骨折部位三維立體影像的混合現實設備進行實時互動溝通，將骨折位置在病人面前清晰地顯示出來，結合醫師詳細講解及虛擬手術操作演示，讓病人及家屬對病情、治療方案能有更清晰、直觀的了解。

4.術中應用：兩組手術方式均采取經皮椎體后凸成形術，病人入手術室后，建立靜脈通道，取俯臥位，常規活力碘消毒腰背部。鋪無菌巾，非數字減影介入引導(DSA)、C臂機透視后，明確傷椎位置，以椎弓根及棘突投影為定位標志，1%利多卡因局部麻醉后，取左側椎弓根外側為進針點。對照組于透視引導下置入穿刺套管，實驗組術者按照HoloLens眼鏡中看到的穿刺套管方位進行穿刺，透視見進針角度滿意，與術前模擬吻合，對穿刺角度及方向有明確的指導作用。正側位透視，明確套管經左側椎弓根達椎體后緣后，檢查病人雙下肢運動功能良好。穿刺套管穿入到椎體中前部，置入球囊加壓擴張椎體，正側位透視見穿刺套管位置良好，檢查病人雙下肢運動功能良好后取出球囊。調和骨水泥至牙膏期后，透視監測下注入骨水泥。退出穿刺套管。兩組均使用無菌紗布加壓包扎固定。再次透視，見骨水泥位置理想，無明顯滲漏。止血粉止血、康派特膠粘合切口，無菌敷料覆蓋切口，術畢，病人安全返回病房。

5.觀察指標：兩組手術時間、失血量、骨水泥滲漏情況； VAS評分及畸形矯正情況。

三、統計學方法

結 果

收集病人術前影像數據，利用病人傷椎CT原始數據和Mimics 19.0軟件重建病人傷椎模型，并進行術前規劃(圖1A～E)。術前溝通中，實驗組醫生和病人通過佩戴混合現實設備，使病人對疾病的認識更加直觀具體(圖1F～J)。術中醫生通過佩戴混合現實設備，手勢控制調整虛擬三維模型至與病人體表相吻合的空間位置，準確定位進針位置。根據術前規劃的三維模型調整進針方向，引導手術過程。術后即刻及1個月隨訪X線顯示手術效果滿意(圖1K～L)。

A.術前腰椎X線正位片；B.術前腰椎X線側位片，提示L3椎體壓縮性骨折；C.術前傷椎軸位CT影像；D.術前傷椎矢狀位MR T2WI影像；E.術前腰椎矢狀位MR T1WI影像；F.腰椎術后即刻X線側位片，提示骨水泥充盈良好，未見明顯滲漏；G.術后1個月隨訪腰椎X線正位片；H.術前三維重建前視圖；I.術前三維重建側視圖；J.術前三維重建斜視圖；K.模擬穿刺后視圖； L.模擬穿刺側視圖

兩組病人術后復蘇后雙下肢活動良好，感覺正常，腰部疼痛明顯緩解。66例病人均獲得完整隨訪，隨訪時間2～4個月，平均(3±0.56)個月。所有病人均未發生慢性疼痛、椎體塌陷甚至再骨折、壓迫神經等并發癥。

兩組手術時間、透視次數、骨水泥滲漏率比較見表2。結果表明，實驗組手術時間、術中透視次數以及骨水泥滲漏率均少于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。

表2 兩組術中數據比較

兩組治療前后VAS評分及畸形矯正結果見表3。治療后實驗組cobb角大于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)；兩組治療前后VAS評分及椎體前緣高度比較，差異無統計學意義(P>0.05)。

表3 兩組治療前后VAS評分及畸形矯正情況對比

討 論

混合現實技術的關鍵，在于與現實世界互動，及時獲取信息，以及現實世界、虛擬模型和用戶之間的無縫連接[7]。混合現實技術的發明與推廣，已經可以滿足部分外科手術的應用需求。

葉哲偉等[8]將混合現實技術應用于寰樞椎椎弓根螺釘置入術中，并證明了將C1/C2椎弓根螺釘置于混合現實手術導航下是容易且安全的。基于混合現實導航在頸上段脊柱骨折手術中是可行的，它提高了C1/C2椎弓根螺釘置入的安全性和準確性。竇超超[9]等探討混合現實技術在股骨粗隆間骨折手術中的應用價值，其證明了混合現實技術可以使手術路徑清晰、簡化手術步驟、減少術中透視次數、縮短手術時間。賀小兵等[10]通過虛擬現實技術，探索了一種實施前后路聯合治療腰椎轉移瘤的手術入路。虛擬模擬手術可以準確地重建腰椎惡性腫瘤及其鄰近組織的三維結構，明確病變椎體切除的范圍，并重建脊柱序列。

通過對病人病變脊柱及其周圍組織的虛擬三維成像，醫生可以清晰觀察骨折情況，有助于提高醫生的空間感知能力，降低了在腦海中構建的難度，明確做出術前規劃，并可以在三維重建軟件中進行術前模擬[11]。本研究術者根據實驗組各病人的損傷部位與程度，避開神經、血管，確定穿刺套管位置、角度與深度，術前在軟件中模擬最佳手術方案，術中結合體表定位與C臂機輔助，將混合現實眼鏡應用到手術過程中，手術醫生通過手勢操控，全程不違背無菌原則。另外，骨水泥滲漏是術中主要并發癥[12]，本研究表明，術中利用混合現實技術，可以明顯減少骨水泥滲漏的發生率。同時，混合現實技術在術中的導航作用，有效減少了術中透視次數，降低了病人所受的輻射，縮短了手術時間，使手術過程更加精準順利。

相比于傳統手術方案，混合現實技術在老年骨質疏松性胸腰椎壓縮性骨折治療中具有一定的優勢。其在手術前通過可視化，使病人直觀地了解病變區域，有利于醫生進行手術規劃及術前模擬，為病人制定個性化治療方案；術中實時可視化呈現病人的骨骼、血管等部位的虛擬三維影像，協助外科醫生了解手術區域的狀況，進行準確、安全的手術[13]。在醫學教育領域，比如在外科技能培訓中，混合現實技術的應用讓醫務人員對解剖結構有更清晰、更直觀的了解，從而縮短培訓時間、減少培訓成本、提高學員的培訓效果和滿意度。

但混合現實技術仍存在不足之處。在圖像處理方面，分辨率、眩暈控制、視點渲染、視角控制等是下一步突破的方向；實時配準方面，慣性動作捕捉、光學跟蹤、語音識別、眼球追蹤、空間交互等需要優化[14]；此項技術不能實時反應病人術中的疾病變化[15]；HoloLens眼鏡的操作手勢種類較少，在術中難免會出現由于操作不當而造成的對三維立體圖像無意拖拽的問題。另外，3D虛擬模型建立所需軟件及混合現實設備成本均較高，操作過程依賴專業人士，學習難度和價格有待降低[16]。

未來，混合現實技術與大數據的進一步結合將很大程度上提高手術的智能性和準確性，從而提高醫療質量和服務水平[17]。混合現實技術打破了虛擬世界與真實世界之間的界限，顛覆了骨科醫生對該疾病治療的傳統方式，給脊柱外科的治療提供新的方向。