数字化设计/显示技术辅助经皮椎体后凸成形术的应用研究

(1.徐州医科大学附属淮安医院骨科，江苏 淮安 223002；2.南京医科大学附属南京医院骨科，江苏 南京 210006；3.南京医科大学数字医学研究所，江苏 南京 210006)

骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporosis vertebral compression fracture,OVCF)已成为严重威胁高龄人群身体健康的主要疾病之一。由于经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty，PKP)需要在俯卧、侧卧体位下多次调整C型臂X射线的角度才能够完成手术定位[1]，但老年患者往往伴有脊柱侧弯、滑脱、责任椎体压缩等病理改变，难以耐受长时间的俯卧、侧卧体位，且局部麻醉下的PKP仍存在一定的疼痛刺激，加之手术带来的紧张等因素，更让老年患者难以承受。故提高患者对手术的耐受性、尽快完成手术操作、迅速减轻胸腰背疼痛、恢复生理功能、避免长时间卧床、防止并发症的发生被认为是治疗老年OVCF的关键。

作为低侵袭性手术，PKP能够在局部麻醉下实施，还可以通过骨水泥快速强化骨折椎体，缓解疼痛，恢复脊柱功能，使OVCF患者获得比保守治疗及开放手术更好的治疗效果[2-6]。近年来，数字医学的各项技术在临床广泛应用。理论上，通过针对高精度三维CT扫描解剖数据的计算机辅助数字化设计可以实现解剖参数的精确测量[7-8]。混合现实能够将数字化设计的结构通过全息投影与实际视野相融合，可帮助外科医生实时全面观察手术前设计与测量结果，并与手术实际情况进行比对，从而提高手术精确度[9-10]。因此，综合运用数字化设计/显示技术辅助经皮椎体后凸成形术(digital design/display technology assisted percutaneous kyphoplasty, D-PKP)理论上将更有利于OVCF的临床诊疗。本研究尝试采用D-PKP技术治疗OVCF，取得了良好的临床疗效，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2019年1月至2019年5月徐州医科大学附属淮安医院收治的25例采用PKP治疗的高龄单节点胸腰椎OVCF患者为研究对象，其中男8例，女17例，年龄63～95岁，平均(76.2±10.3)岁。采用电脑随机抽样法分为数字化设计/显示技术辅助经皮椎体后凸成形术组(D-PKP组)13例和常规经皮椎体后凸成形术组(T-PKP组)12例。所有患者均自愿参与试验并签署知情同意书。本研究2组患者临床资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 患者临床资料比较

纳入标准：①胸腰段单节点新鲜OVCF(T10～L5)；②单纯压缩性骨折，无椎体后壁骨折；③无神经损伤；④年龄63～95岁；④骨密度OD值小于-2.5。排除标准：①椎体压缩超过75%；②爆裂性骨折或脊髓、神经根受压；③凝血功能障碍或手术部位皮肤有感染；④伴有严重心血管疾病等其他基础疾病不能耐受手术；⑤不能耐受较长时间俯卧位。

1.2 术前准备

所有患者术前均行X射线平片、CT和MRI检查。手术前设计与混合现实调试由南京医科大学数字医学研究所完成。D-PKP组患者术前行以责任椎体为中心的多排CT容积扫描，扫描层厚0.75 mm，扫面矩阵512 cm×512 cm，扫描后骨床重建层厚1.0 mm。将获得的数据输入到3D数字医学软件中，利用其阈值分割和区域增长等功能得到三维模型(图1)，设计并测量椎弓根进针位置及方向，构建计算机辅助设计(computer aided design,CAD)三维虚拟数字图像，并将CAD图像导入混合现实系统(图2)。

1.3 方法

手术由同一组外科医生施行。所有患者均采用局部麻醉(1%利多卡因)于俯卧位经双侧椎弓根穿刺入路实施PKP。

D-PKP组：术前医生佩戴好AR眼镜，调试混合现实图像；消毒铺设无菌手术巾单后结合混合现实全息图像与术中C型臂X射线透视图像，行责任椎体的椎弓根定位穿刺，依次经皮打入导针、套筒，在C型臂透视引导下行球囊扩张以抬高终板，并部分恢复椎体的高度，最后将骨水泥注射到椎体破裂(intravertebral cleft,IVC)区，使骨水泥完全填充责任椎体内裂隙，并与松质骨充分结合(图3)。

T-PKP组：患者取俯卧位，于C型臂透视引导下进行双侧椎弓根穿刺，并依次经皮打入导针、工作套筒，于球囊扩张后注入骨水泥。

1.4 观察指标

影像学评估：测量并比较2组患者手术前后的矢状位责任椎体后凸角(kyphotic angle,KA)，骨水泥与上/下终板最大接触比，骨水泥渗漏率等影像学参数[11-13]。手术效果评估：记录并比较2组患者的手术时间、骨水泥灌注量、术中X射线透视次数、住院时间与术后12 h、1 d、1周、1个月VAS和ODI。

a:矢状位图;b:冠状位图;c:横断面图;d:三维重建图

a:三维模拟穿刺正视图；b:三维模拟穿刺侧视图(站立位)；c:三维模拟穿刺侧视图(平卧位);d:带皮肤模型三维模拟穿刺图

a:术中混合现实全息投影与实际视野相融合；b:通过混合现实全息投影进行椎弓根穿刺；c:骨水泥灌注后X射线透视正位片；d:骨水泥灌注后X射线透视侧位片

图3 混合现象技术辅助PKP手术及术中骨水泥灌注

1.5 统计学分析

2 结果

2.1 患者手术情况比较

D-PKP组患者术中X射线透视次数少于T-PKP组，手术时间、住院时间短于T-PKP组，术后12 h、1 d的VAS和ODI优于T-PKP组，差异均具有统计学意义(P<0.05)；2组患者术后1周、1个月的VAS及ODI比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。术后2组患者均未发生骨水泥反应、神经损伤、肺栓塞等并发症。

2.2 患者影像学评价

D-PKP组患者术后矢状位责任椎体后凸角、骨水泥渗漏率小于T-PKP组，骨水泥与上/下终板最大接触比在X射线前后位视角均大于T-PKP组，差异有统计学意义(P<0.05)，见图4、5；2组患者骨水泥灌注量比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表2 患者手术情况比较

a:术前；b：术后

a：术后骨水泥在椎体内分布大体观;b:术后椎体双侧骨水泥的分布情况及与上下终板的接触情况，其中(B1+B2)/A为骨水泥与上终板接触比；(C1+C2)/D为骨水泥与下终板接触比，接触比越大说明骨水泥在椎体内的弥散情况越好，术后椎体更加稳固

图5 术后X射线评估骨水泥-终板接触比

表3 患者影像学评价

3 讨论

由于骨量降低，骨质疏松症极易导致骨强度下降、骨脆性增加，日常活动中轻微损伤即可造成OVCF。OVCF多发于老年、绝经后妇女，由于骨质疏松、骨愈合过程减缓，该病自愈的可能性极低，且再次发生骨折的风险大[14]。因此，OVCF严重影响着患者的健康，致残、致死率较高。近年来PKP的广泛开展为患者减轻疼痛、恢复和维持压缩椎体高度提供了一种有效途径。PKP的手术关键点在于压缩椎体的精确穿刺，传统手术一般是凭借术者的经验和术中不断透视来完成，然而由于患者脊柱多伴有滑脱、侧凸、后凸等畸形，且骨质疏松在术中X射线透视的显影易受到伪影影响而难以清晰观察PKP工作通道，所以传统PKP手术存在较大的难度和危险性[15-16]。同时，老年患者易伴有其他系统机能减退，存在较多内科疾病，对手术创伤的应激反应较大，因此如何在手术中进行精确定位、减少穿刺及透视次数、缩短手术时间、提高骨水泥注入效果，对降低患者手术风险及术后并发症发生率具有重要的意义。

有研究者通过自制的辅助装置提高穿刺的精准度、控制骨水泥的弥散方向。周晓吉等[17]回顾性分析了211例应用定向骨水泥导向器行单侧PKP治疗的OVCF患者，结果显示，观察组在Ⅰ度骨水泥分布率方面明显优于常规组，提示定向骨水泥导向器能有效控制骨水泥弥散方向，但2组患者在手术时间、骨水泥量、VAS、ODI、Cobb角改善率方面比较无明显差异，且缺少双侧椎体骨水泥成形术作为对照。熊伟等[18]利用自制组合装置辅助PKP穿刺定位，相比常规组能显著提高首次穿刺成功率，减少了术中透视次数及手术时间，但该套件只能确定穿刺点，穿刺方向不易精确定位，若首次穿刺失败，再次精确穿刺难度加大。

随着3D打印技术的发展，通过3D打印个性化导板辅助经皮椎体成形手术可提高穿刺的精准性。Li等[19]利用患者患椎CT资料进行计算机模拟穿刺，3D打印出个性化的皮肤面接触导板，显著提高了经皮椎体成形手术的穿刺精准度，术中能明显减少穿刺的次数，缩短手术时间，减少术中医患辐射剂量，但由于皮肤等软组织的移动性及伸缩性，在穿刺过程中易出现穿刺位置及方向的改变，产生穿刺误差。张佳园等[20]利用3D打印点接触导板对40例拟行PKP治疗的单节段OVCF患者进行前瞻性研究，结果显示，术中试验组在获得理想穿刺位置前的透视次数及时间、术中透视总次数、手术时间均显著少于对照组，表明3D打印点接触导板在PKP术中有利于穿刺针精准置入，可减少穿刺次数及手术时间。虽然相比面接触导板，点接触导板与皮肤接触面积大大缩小，降低了软组织移动带来的误差，但由于导板的触点仍然依赖于皮肤的定位，所以在穿刺过程中皮肤等软组织移动带来的误差仍然不可避免，且由于导航管角度固定，在首次穿刺失败后导板不易进行角度调整。

数字化设计/显示技术通过术前对高精度三维CT数据的数字化分析从而实现对患者受伤椎体部位解剖参数的精确测量和三维模型的建立[21]。术中通过混合现实技术将计算机设计的三维结构图像通过全息投影与实际视野相融合，相当于给术者戴了一副透视眼镜，术者可在直观下进行相关椎体的穿刺和骨水泥的灌注。与传统手术相比，术者能直观地确定穿刺的位置，把握穿刺的方向，大大提高了穿刺及骨水泥灌注的精准性，缩短了手术时间，降低了手术风险。

本研究中，D-PKP组的手术时间、术中透视次数、住院时间均明显少于T-PKP组，表明D-PKP在提高手术精确度、缩短手术时间、加速患者康复方面具有显著的优势。D-PKP组患者在术后12 h及1 d的VAS、ODI均优于T-PKP组，这表明D-PKP在缓解患者短期疼痛方面具有一定的优势，这可能与精准穿刺减轻了对椎体及软组织的损伤有关。术后摄片示D-PKP组在后凸角恢复、骨水泥渗漏率及骨水泥与上/下终板接触比方面均明显优于T-PKP组，原因可能是D-PKP能将骨水泥准确有效地注入到IVC区域，实施OVCF责任节段的椎体强化，使其在降低骨水泥渗漏、恢复及维持椎体高度方面具有明显优势。本研究结果显示，D-PKP的手术时间短于T-PKP,这与术前基于混合现实技术的充分医患沟通、提升患者手术配合度、辅助手术定位等也具有一定的相关性。

虽然本研究采用D-PKP技术取得了较为明显的效果，但仍存在一定的不足之处，包括：①基于微软第一代Hololens的混合现实眼镜反应速度、视野与亮度易受手术背景灯光的影响；②目前的双人共享视野的稳定性不足，使用中医护配合需要医师提前的口头交流；③专用软硬件尚需要进一步优化；④样本量较少、术后随访时间较短，需要多中心、大样本的前瞻性研究，以进一步验证D-PKP手术的效果。

综上所述，与传统的PKP术式相比，数字化设计/显示技术有利于PKP手术的精确实施，降低手术风险，使患者获得更好的早期康复，但D-PKP技术的远期效果仍需进一步的临床应用研究。