混合现实技术在老年骨质疏松性胸腰椎压缩性骨折治疗中的临床应用

刘融 刘彬 高迪 余昊天

骨质疏松性椎体压缩性骨折(osteoporotic vertebral compression fracture,OVCF) 是老年人的常见疾病，约占骨质疏松性骨折的45%[1]，且随年龄增长发生率呈明显上升趋势[2]，是最常见的增加全身性疾病和死亡率的骨质疏松性骨折的类型之一。目前，经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty,PKP)是常用的手术方式[3]，但在治疗过程中可能导致骨水泥渗漏、邻近椎体再骨折、肺栓塞、感染等多种并发症的发生[4]。混合现实(mixed reality,MR)技术是一种数字化全息影像学技术，它是在虚拟现实(virtual reality,VR)和增强现实(augmented,reality,AR)技术上的进一步发展[5]，它将虚拟物体直接放到真实世界中，通过MR设备，使虚拟世界、用户、现实世界三者之间形成交互反馈，虚拟世界与现实世界在一个新的可视化环境中能够实时互动。通过该技术，观察者使用手势操作可以从任意角度对三维模型进行观察，便于医患沟通、制定手术方案及术中导航。本文探讨MR技术在老年骨质疏松性胸腰椎椎体压缩性骨折治疗中的应用价值。

对象与方法

一、对象

2019年3月～2019年12月收治老年骨质疏松性胸腰椎压缩性骨折病人66例，随机分为两组。实验组33例，年龄62～84岁，平均(73.06±5.01)岁，骨密度2.31～2.77 g/cm2，平均(2.56±0.66)g/cm2，包括胸10椎体骨折3例，胸11椎体骨折6例，胸12椎体骨折10例，腰1椎体骨折10例，腰2椎体骨折2例，腰3椎体骨折2例； 对照组33例，年龄61～85岁，平均(73.39±5.18)岁，骨密度2.43～2.86 g/cm2，平均(2.61±0.77)g/cm2，包括胸10椎体骨折2例，胸11椎体骨折7例，胸12椎体骨折11例，腰1椎体骨折9例，腰2椎体骨折2例，腰3椎体骨折2例。两组年龄、性别比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。均无手术禁忌证，且无其他系统严重疾病。本研究通过医院伦理审核，病人均自愿签署知情同意书。

表1 两组一般比较资料

纳入标准：(1)影像学检查诊断为新鲜单椎体压缩性骨折；(2)无明显原因或轻微外伤致胸腰背部疼痛，叩击痛或压痛阳性；(3)无PKP手术禁忌证；(4)病人接受术后随访。排除标准：继发性骨质疏松症；2个及以上椎体骨折；服用激素类药物史超3个月；存在严重心、肺、肝、肾功能不全；恶性肿瘤导致的病理性骨折。

二、方法

1.设备：X线机( Hitachi DFA200，日本日立公司)，感兰型X线胶片，KODAK自动洗片机；CT扫描机(德国SIEMENS公司)：双源 64 排螺旋 CT，扫描层厚0.625 mm；MRI扫描机：磁共振3.0T(Signa HD×T3.0T，美国通用电气公司)，层厚和层距均为8 mm，高分辨正交8通道线圈；Windows HoloLens 全息眼镜(美国微软公司)。

2.模型重建及术前规划：对照组采用传统方式，通过病人医学影像资料进行手术规划。实验组采集病人的CT原始DICOM数据，将获取的DICOM格式的二维CT原始影像资料，输入Mimics 19.0软件中，分别进行阈值分割、区域增长、蒙版编辑、光滑处理、填补空洞等操作，重建出患椎1∶1三维模型；运用数字可视化技术[6]，进行虚拟手术，以双侧椎弓根及棘突投影为参考，取双侧椎弓根外侧为进针点，应用Analyze Cylinder模块功能建立穿刺套管模型，在骨折椎体中调整穿刺套管角度与深度，穿刺套管模拟置入最佳位置。将重建完毕患椎、套管三维模型以STL格式进行文件保存，最后将重建出的STL文件通过无线局域网传输至混合现实设备。

3.术前沟通：对照组利用病人影像资料与病人讲解病情。实验组医患双方均头戴已导入病人骨折部位三维立体影像的混合现实设备进行实时互动沟通，将骨折位置在病人面前清晰地显示出来，结合医师详细讲解及虚拟手术操作演示，让病人及家属对病情、治疗方案能有更清晰、直观的了解。

4.术中应用：两组手术方式均采取经皮椎体后凸成形术，病人入手术室后，建立静脉通道，取俯卧位，常规活力碘消毒腰背部。铺无菌巾，非数字减影介入引导(DSA)、C臂机透视后，明确伤椎位置，以椎弓根及棘突投影为定位标志，1%利多卡因局部麻醉后，取左侧椎弓根外侧为进针点。对照组于透视引导下置入穿刺套管，实验组术者按照HoloLens眼镜中看到的穿刺套管方位进行穿刺，透视见进针角度满意，与术前模拟吻合，对穿刺角度及方向有明确的指导作用。正侧位透视，明确套管经左侧椎弓根达椎体后缘后，检查病人双下肢运动功能良好。穿刺套管穿入到椎体中前部，置入球囊加压扩张椎体，正侧位透视见穿刺套管位置良好，检查病人双下肢运动功能良好后取出球囊。调和骨水泥至牙膏期后，透视监测下注入骨水泥。退出穿刺套管。两组均使用无菌纱布加压包扎固定。再次透视，见骨水泥位置理想，无明显渗漏。止血粉止血、康派特胶粘合切口，无菌敷料覆盖切口，术毕，病人安全返回病房。

5.观察指标：两组手术时间、失血量、骨水泥渗漏情况； VAS评分及畸形矫正情况。

三、统计学方法

结 果

收集病人术前影像数据，利用病人伤椎CT原始数据和Mimics 19.0软件重建病人伤椎模型，并进行术前规划(图1A～E)。术前沟通中，实验组医生和病人通过佩戴混合现实设备，使病人对疾病的认识更加直观具体(图1F～J)。术中医生通过佩戴混合现实设备，手势控制调整虚拟三维模型至与病人体表相吻合的空间位置，准确定位进针位置。根据术前规划的三维模型调整进针方向，引导手术过程。术后即刻及1个月随访X线显示手术效果满意(图1K～L)。

A.术前腰椎X线正位片；B.术前腰椎X线侧位片，提示L3椎体压缩性骨折；C.术前伤椎轴位CT影像；D.术前伤椎矢状位MR T2WI影像；E.术前腰椎矢状位MR T1WI影像；F.腰椎术后即刻X线侧位片，提示骨水泥充盈良好，未见明显渗漏；G.术后1个月随访腰椎X线正位片；H.术前三维重建前视图；I.术前三维重建侧视图；J.术前三维重建斜视图；K.模拟穿刺后视图； L.模拟穿刺侧视图

两组病人术后复苏后双下肢活动良好，感觉正常，腰部疼痛明显缓解。66例病人均获得完整随访，随访时间2～4个月，平均(3±0.56)个月。所有病人均未发生慢性疼痛、椎体塌陷甚至再骨折、压迫神经等并发症。

两组手术时间、透视次数、骨水泥渗漏率比较见表2。结果表明，实验组手术时间、术中透视次数以及骨水泥渗漏率均少于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。

表2 两组术中数据比较

两组治疗前后VAS评分及畸形矫正结果见表3。治疗后实验组cobb角大于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)；两组治疗前后VAS评分及椎体前缘高度比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

表3 两组治疗前后VAS评分及畸形矫正情况对比

讨 论

混合现实技术的关键，在于与现实世界互动，及时获取信息，以及现实世界、虚拟模型和用户之间的无缝连接[7]。混合现实技术的发明与推广，已经可以满足部分外科手术的应用需求。

叶哲伟等[8]将混合现实技术应用于寰枢椎椎弓根螺钉置入术中，并证明了将C1/C2椎弓根螺钉置于混合现实手术导航下是容易且安全的。基于混合现实导航在颈上段脊柱骨折手术中是可行的，它提高了C1/C2椎弓根螺钉置入的安全性和准确性。窦超超[9]等探讨混合现实技术在股骨粗隆间骨折手术中的应用价值，其证明了混合现实技术可以使手术路径清晰、简化手术步骤、减少术中透视次数、缩短手术时间。贺小兵等[10]通过虚拟现实技术，探索了一种实施前后路联合治疗腰椎转移瘤的手术入路。虚拟模拟手术可以准确地重建腰椎恶性肿瘤及其邻近组织的三维结构，明确病变椎体切除的范围，并重建脊柱序列。

通过对病人病变脊柱及其周围组织的虚拟三维成像，医生可以清晰观察骨折情况，有助于提高医生的空间感知能力，降低了在脑海中构建的难度，明确做出术前规划，并可以在三维重建软件中进行术前模拟[11]。本研究术者根据实验组各病人的损伤部位与程度，避开神经、血管，确定穿刺套管位置、角度与深度，术前在软件中模拟最佳手术方案，术中结合体表定位与C臂机辅助，将混合现实眼镜应用到手术过程中，手术医生通过手势操控，全程不违背无菌原则。另外，骨水泥渗漏是术中主要并发症[12]，本研究表明，术中利用混合现实技术，可以明显减少骨水泥渗漏的发生率。同时，混合现实技术在术中的导航作用，有效减少了术中透视次数，降低了病人所受的辐射，缩短了手术时间，使手术过程更加精准顺利。

相比于传统手术方案，混合现实技术在老年骨质疏松性胸腰椎压缩性骨折治疗中具有一定的优势。其在手术前通过可视化，使病人直观地了解病变区域，有利于医生进行手术规划及术前模拟，为病人制定个性化治疗方案；术中实时可视化呈现病人的骨骼、血管等部位的虚拟三维影像，协助外科医生了解手术区域的状况，进行准确、安全的手术[13]。在医学教育领域，比如在外科技能培训中，混合现实技术的应用让医务人员对解剖结构有更清晰、更直观的了解，从而缩短培训时间、减少培训成本、提高学员的培训效果和满意度。

但混合现实技术仍存在不足之处。在图像处理方面，分辨率、眩晕控制、视点渲染、视角控制等是下一步突破的方向；实时配准方面，惯性动作捕捉、光学跟踪、语音识别、眼球追踪、空间交互等需要优化[14]；此项技术不能实时反应病人术中的疾病变化[15]；HoloLens眼镜的操作手势种类较少，在术中难免会出现由于操作不当而造成的对三维立体图像无意拖拽的问题。另外，3D虚拟模型建立所需软件及混合现实设备成本均较高，操作过程依赖专业人士，学习难度和价格有待降低[16]。

未来，混合现实技术与大数据的进一步结合将很大程度上提高手术的智能性和准确性，从而提高医疗质量和服务水平[17]。混合现实技术打破了虚拟世界与真实世界之间的界限，颠覆了骨科医生对该疾病治疗的传统方式，给脊柱外科的治疗提供新的方向。