三维可视化虚拟手术系统联合椎间孔定位穿刺器在经皮内镜下经椎间孔减压手术治疗腰椎管狭窄症中的应用

巩陈 吴建明 张文志 胡伟 刘向阳

1亳州市人民医院脊柱外科（安徽亳州 236800）；2中国科学技术大学附属第一医院脊柱外科（合肥 230036）

经皮内窥镜腰椎间盘切除术（percutaneous endoscopic lumbar discectomy，PELD）被认为是治疗退行性腰椎疾病微创手术方法之一。由于椎间孔镜系统及配套设备飞速发展，椎间孔镜治疗腰椎退变性疾病的适用证也得到了扩大，从单纯腰椎间盘突出症到不同类型的腰椎管狭窄症（lumbar spinal stenosis，LSS）[1-4]，并且获得满意效果。LSS分为椎间孔狭窄、侧隐窝狭窄和中央型狭窄三种类型，其中侧隐窝型最常见，本文研究椎间孔镜治疗侧隐窝型和椎间孔型LSS疗效。经皮内镜下经椎间孔减压（percutaneous endoscopic transforaminal decompression，PETD）术治疗LSS仅用一个8 mm小切口到达病变处并完成神经根减压，精确是此手术成功的关键。因为每个患者解剖结构不完全相同，理想轨迹也是不同的。如果穿刺轨迹选择不当，可能会损伤神经根、内脏器官或重要血管，还会增加椎间孔成型和突出椎间盘摘除难度。一般情况下，主刀医生根据患者的体型、解剖结构和术中透视来大致判断，这样不够精确，且没有统一标准。对于初学者来说经验不足，为了获得理想穿刺轨迹，往往需要多次穿刺，反复透视，不仅延长了手术时间，而且增加了穿刺风险和辐射暴露。另外PETD学习曲线长，原因是多方面的，其中通道建立也是主要原因之一[5-7]，对于初学者来说手术时间长，担心通道建立不理想及出现穿刺相关并发症是一个巨大挑战，使该技术普及受到了一定限制。

为了提高穿刺成功率，减少通道建立时间，减少透视次数，近几年有文献报道采用3D打印导航套管技术、机器人导航技术、混合现实技术等[8-11]应用于PETD中，这些技术一定程度上提高了通道建立效果，但由于对技术和经济要求较高，很难普及。三维可视化虚拟手术系统目前主要用于肝胆外科、胸外科和泌尿外科，罕见用于脊柱外科，目前鲜有文献报道将三维可视化虚拟手术系统联合椎间孔定位穿刺器应用于PETD中，首次将此种技术用于PETD中治疗LSS患者。创新之处在于：（1）患者俯卧位CT检查，目的是减少因体位改变而产生误差；（2）利用三维可视化虚拟手术系统术前模拟建立理想穿刺通道，采用体表标记精确定位，将模拟穿刺参数准确地应用到术中；（3）利用自制椎间孔定位穿刺器引导下进行椎间孔穿刺。

本研究采用三维可视化虚拟手术系统术前确定理想穿刺通道，测量出相关穿刺参数，在自制椎间孔定位穿刺器引导下进行穿刺，并与传统穿刺方法进行对比研究，评价三维可视化虚拟手术系统联合椎间孔定位穿刺器通道建立的时效性、准确性和安全性，以及这种新的通道建立方法治疗LSS手术效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料纳入自2021年1-12月期间在亳州市人民医院脊柱外科接受PETD手术患者64例临床资料进行分析，其中男27例，女37例，年龄（57.1±6.45）岁（范围50～77岁）。64例患者的影像学结果与临床症状、体征相吻合，临床表现包括神经源性间歇性跛行，下肢放射痛伴神经损害表现（神经支配区感觉障碍、肌力降低）。症状持续时间从2～132个月。本研究通过亳州市人民医院伦理委员会审批，审批号：（BY）2020-0018。所有手术都有知情同意签字。

1.2 纳入及排除标准纳入标准：（1）年龄≥50岁，正规保守治疗6周无效；（2）单节段、单侧症状，临床体征与术前MRI、CT检查相符合（侧隐窝＜3 mm）；（3）典型的神经根症状或者神经源性跛行；（4）致压物为突出椎间盘、骨刺、增生黄韧带及关节突等；（5）无严重基础疾病，能耐受经皮椎间孔镜手术。

排除标准：（1）严重脊柱畸形，既往有腰椎该节段手术史，近期有脊柱活动性感染；（2）存在二度及以上腰椎滑脱或腰椎不稳；（3）中央型腰椎管狭窄；（4）腰5/骶1节段伴髂脊位置过高和腰5横突肥大影响通道建立；（5）椎间盘向近端或远端重度脱出者；（6）随访资料不完整；（7）不能正常进行语言交流。

1.3 分组根据通道建立方式不同将64例患者分成2组，可视化组：采用三维可视化虚拟手术系统术前确定理想穿刺通道，测量出相关穿刺参数，在自制椎间孔定位穿刺器引导下进行穿刺，通道建立后采用TESSYS技术完成神经根减压。常规组：采用传统徒手方法进行通道建立，然后进行与可视化组同样手术方式手术。

可视化组32例，女18例，男14例，年龄（56.8±6.09）岁，体质量指数（23.55± 1.64）kg/m2，手术节段L4-521例，L5/S1 11例；平均随访时间（9.78±2.14）个月。

常规组32例，男13例，女19例，年龄（57.5±6.77）岁，体质量指数（23.92 ± 1.74）kg/m2，手术节段 L4-5 22例，L5/S1 10例；平均随访时间（9.21±2.58）个月。

两组患者性别、年龄、体质量指数、手术节段、平均随访时间比较，差异均无统计学意义（P＞ 0.05）。

1.4 术前规划及手术设备患者术前要完成影像学检查，包括腰椎正侧位片、动力位片、腰椎CT三维重建、腰椎MRI。其中可视化组CT检查时采用俯卧位（与术中相同体位），并做好体表标记。腰椎可视化重建采用人体三维可视化虚拟手术系统（中国）。术中使用Joinmax椎间孔镜和射频系统（德国）。

教师问：如果我们沿斜面拉着毛刷前进，情况会如何？学生重新做实验，如图2B所示，学生一定会为自己的猜测与实验结论一致而高兴。

笔者研制的椎间孔定位穿刺器介绍：组成（图 1A、B）包括 1-固定架、2-连接杆、3-量角器、4-刻度针5-导向器和6、7、8三个关节。此穿刺器起到固定角度和方向作用，不影响术中透视。除固定架外其它结构均消毒后使用，6、7、8三个关节部位可进行360°旋转，并且可以进行上下滑动调节高度。导向器进针一侧设计为“米”字型，出针一侧是圆形（图1C），穿刺针可以进行“米”字型8个不同方位调整方向，方面术中微调穿刺位置。

图1 自制椎间孔定位穿刺器Fig.1 Self made intervertebral foramen positioning puncture device

1.5 手术方法

1.5.1 可视化组手术方法

1.5.1.1 术前准备为了减少因体位改变而产生误差，术前腰椎CT检查与手术时同样体位（图2A），且所用俯卧位垫是相同的，这样获得CT数据更加准确。做CT之前在患者腰背部体表进行金属定位标记，然后利用CT数据进行三维可视化重建，可以将体表标记物完全重建出来。在患者身上用标记笔标出金属物的皮肤位置，以备术中参考。所用CT是我院影像中心64排双螺旋CT，层厚设定为1 mm，扫描时要包括患者背部全部皮肤，获取腰椎CT平扫二维数据（Dicom3.0格式）。将腰椎CT平扫数据导入三维可视化医学诊断图像处理系统中，重建出腰椎三维可视化模型，重建内容包括神经、硬脊膜、皮肤、体表标记物、肌肉、椎间盘、骨组织等（图2B），不同组织采用不同颜色标记，易于辨认。建1条直径7.5 mm的虚拟管道及虚拟穿刺针，进行术前模拟通道建立，调整虚拟管道及穿刺针达到理想位置（图2B）。360°旋转图像观察管道与出口神经根、上关节突和椎间盘位置关系。以皮肤表面标记物为参考位置，可测量出术中皮肤进针点位置，即虚拟穿刺针与皮肤交点（图2B绿色圆内）。测量出虚拟穿刺针与矢状面角度即术中穿刺外展角度（图2C）。根据模拟穿刺针在体表投影和皮肤表面标记物位置，可以计算出术中穿刺方向。术前在患者皮肤表面标记出进针点位置、穿刺外展角度和穿刺方向（图2D），以备术中直接穿刺所用。

1.5.1.2 手术步骤（1）患者取俯卧位，与CT检查时同一个俯卧位垫，术区消毒铺巾贴膜。（2）麻药为利多卡因注射液15 mL混合25 mL生理盐水。5 mL麻药行局部皮肤麻醉，安装好自制椎间孔定位穿刺器，根据术前规划调节好穿刺角度，18G穿刺针从“米”字型导向器中心沿着术前规划的穿刺参数缓慢行椎间孔穿刺（图2E），穿刺针需要平行于刻度针，透视确定进针位置，较理想穿刺位置是在前后位投影中，穿刺目标位于下位椎体上终板线与椎弓根内缘连线的交叉点，在侧位投影中，穿刺目标位于下位椎体后缘线与下位椎体上终板线的交叉点[12]。若位置不佳，利用“米”字型导向器微调，再次透视，位置满意后，注射麻药10 mL，务必回抽无脑脊液和明显出血方可注射麻药，注意询问患者下肢感觉。置换导丝后撤掉椎间孔定位穿刺器。18G穿刺针沿着导丝方向穿刺，注意稍微向背侧穿刺下位椎体上关节突，可感到骨性阻挡，这是上关节突，注射麻药10 mL行上关节突麻醉。最后行腰背筋膜麻醉。（3）通道建立后，按照标准的TESSYS技术[13]进行神经根减压。需去除压迫神经的突出髓核、黄韧带和骨组织。最后皮肤缝合1针，敷料覆盖伤口，手术结束。

1.5.2 常规组手术方法常规组穿刺路径的设计及通道建立依靠术者经验、患者体型、术前腰椎CT和MRI检查和术中透视，椎间隙及穿刺角度确定采用自制可透视角度测量器（图2F，专利号：ZL 2021 30855068.9）。通道建立完成后，其余与可视化组相同。两组手术通道建立由1名年轻医生完成，减压过程由1名掌握PETD的医师完成。手术过程严格按照标准经椎间孔内窥镜脊柱系统的操作规范进行。

1.6 术后处理术后当天可以戴腰围下床行走，腰围腰佩戴6周，4周内以卧床为主，3个月内避免体力劳动，术后常规复查腰椎CT三维重建、MRI、腰椎动力位片。

1.7 评价指标（1）影像学评价，包括X线片、CT三维重建和MRI。（2）疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale，VAS）。（3）Oswestry功能障碍指数（Oswestry disability index，ODI）；（4）其他评价指标，包括住院天数、穿刺次数、穿刺时间、透视次数及并发症发生情况。

1.8 统计学方法应用SPSS 21.0（IBM公司，美国）统计软件包进行统计分析。符合正态分布的计量资料（包括年龄、住院天数、穿刺时间、穿刺次数、透视次数、手术时间、ODI、VAS）采用表示，组间比较采用两独立样本t检验。计数资料（性别、手术节段）采用例（%）表示，组间比较采用χ2检验。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 一般结果可视化组住院天数和手术时间与常规组相比，差异无统计学意义（P＞0.05）；可视化组穿刺时间与常规组相比，差异有统计学意义（t=3.154，P＜0.005）；可视化组穿刺次数与常规组相比，差异有统计学意义（t=8.590，P＜0.001）；可视化组透视次数与常规组相比，差异有统计学意义（t=2.49，P＜0.05）。见表1。

表1 两组患者一般结果对比Tab.1 Comparison of general results of two groups of patients ±s

表1 两组患者一般结果对比Tab.1 Comparison of general results of two groups of patients ±s

组别可视化组常规组t值P值住院天数（d）5.25±1.03 4.46±1.43 0.016 0.893穿刺时间（min）11.93±3.49 17.84±5.38 3.154 0.003穿刺次数（次）4.03±1.82 6.53±2.76 8.590＜0.001透视次数（次）8.50±3.27 14.28±5.26 2.490＜0.001手术时间（min）97.18±8.83 104.53±9.46 0.002 0.958

2.2 VAS评分可视化组和常规组术后1 d、6个月和术前比较差异均有统计学意义（P＜0.05），2组间对应时间（术前、1 d和术后6个月）分别比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

表2 两组患者VAS评分对比Tab.2 Comparison of VAS scores between the two groups ±s，分

表2 两组患者VAS评分对比Tab.2 Comparison of VAS scores between the two groups ±s，分

组别可视化组常规组t值P值术前7.84±0.83 7.71±0.87 0.566 0.538术后1 d 2.96±1.28 2.43±1.57 0.151 0.753术后6个月1.12±0.73 1.15±0.71 0.865 0.382

2.3 ODI评分可视化组和常规组术后1 d、6个月和术前比较差异均有统计学意义（P＜0.05），2组间对应时间（术后1 d、6个月和术前）分别比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表3。

表3 两组患者ODI评分对比Tab.3 Comparison of ODI scores between the two groups ±s，%

表3 两组患者ODI评分对比Tab.3 Comparison of ODI scores between the two groups ±s，%

组别可视化组常规组t值P值术前67.26±6.67 66.03±6.60 0.469 0.586术后1 d 22.31±7.02 21.14±5.96 0.484 0.572术后6个月11.63±2.03 13.18±3.47 0.037 0.871

2.4 总体疗效64例患者均顺利完成手术，无严重并发症发生，无神经根及马尾神经损伤，无大血管损伤，无内脏损伤，无伤口感染，无腰椎不稳。随访时间6～15个月。末次随访时总体疗效满意。

2.5 不良反应及预后随访可视化组有1例术后1周出现手术侧腿部疼痛，VAS评分7分，MRI提示侧隐窝处形成囊肿，予以保守治疗3周后症状消失。常规组有1例术中出现硬膜囊撕裂，予以保守治疗无不适。常规组有1例术后出现同侧臀部疼痛较术前加重，VAS评分8分，复查MRI未见异常，予以保守治疗2周后臀部疼痛明显缓解，VAS评分3分。常规组有1例术后15个月复发，予以融合固定手术后症状消失。

2.6 典型病例患者，男，51岁，主诉左下肢间歇性跛行6年加重3月。诊断：腰4/5椎管狭窄症，术前行三维可视化重建腰椎，在自制椎间孔定位穿刺器引导下建立通道，然后行PETD手术，手术顺利，术后左下肢疼痛恢复满意（图3）。

图3 L4-5椎管狭窄症手术前后影像学图片Fig.3 Imaging pictures of L4-5spinal stenosis before and after operation

3 讨论

本研究特色包括以下方面：（1）将人体三维可视化虚拟模型应用于PETD治疗LSS患者，术前进行虚拟通道规划，设计精确的个性化穿刺置管路线，通过三维可视化重建腰椎、穿刺通道和体表标记物，可以清晰看到皮肤，关节突，椎体，神经根等结构，可以360°旋转观察模拟通道与神经、关节突等的位置关系。可以隐藏不重要的组织结构。三维可视化系统从三维立体的角度进行定位测量，理论上比CT和MRI更加准确。（2）保证术前模拟与真实手术具有基本相同的体位和腹下垫枕的高度，术中使用的腹下垫枕与CT扫描时是相同型号。这样可以减少因体位改变而产生的误差。（3）采用体表标记定位方法将术前规划的穿刺参数准确地转换到患者身上，做CT之前在体表进行金属定位标记，做CT时可将金属扫描下来，然后利用CT数据进行三维可视化重建，将标记物重建出来。然后在患者皮肤上标出标记物的位置以备术中使用。（4）根据三维可视化图像，找到最佳穿刺通道及进针点，测量出进针的角度和方向，根据皮肤表面标记物位置，术前在患者皮肤表面标记出进针点、进针角度和进针方向，以备术中穿刺使用。（5）在自制椎间孔定位穿刺器引导下，沿着术前设计好的进针点、进针角度和进针方向进行穿刺。导向器进针一面设计成“米”字型，出针一面设计成单孔，可以进行“米”字型8个方向调整穿刺角度和方向。通过本研究验证，自制椎间孔定位穿刺器方面使用，且准确性高，可以满足此手术要求。

对于PELD而言，准确、安全的穿刺置管至关重要，是手术成功的关键所在，可以达到事半功倍的效果，通道建立不佳，可能会导致手术失败。传统定位和穿刺方法主要依赖于手术医生的技术、临床经验、对局部腰椎解剖的掌握和空间想象力。对于经验和空间想象力不丰富的医生，为了到达满意椎间孔穿刺目标，往往需要反复透视和穿刺，这样会增加椎旁软组织、血管和神经根损伤机率，也会增加患者和手术医护人员的放射线照射，相关研究[14-16]表明长期X射线辐射可能与免疫功能障碍、氧化应激诱发、皮肤红斑、白内障和恶性肿瘤有关。也会增加手术时间和延长学习曲线。手术时间延长会增加患者颈部疼痛发生率，甚至出现癫痫发作[17-18]，这时候患者往往无法忍受继续手术，医生被迫终止手术导致神经减压不彻底，症状恢复不满意。因此，有必要寻找一种新的技术，以减少初学者定位差异和学习曲线，提高穿刺成功率，减少辐射暴露和手术时间。随着医学发展，一些新的设备应用于脊柱微创手术，极大地提高了椎间孔准确、安全的穿刺置管。减少辐射暴露和手术时间，使学习曲线变得平坦。本研究采用三维可视化虚拟模型应用于PETD治疗LSS患者，根据患者三维可视化图像找到最佳穿刺通道及进针点，术前在患者皮肤表面标记出进针点、进针角度和进针方向，术中直接穿刺无需再次透视确定节段及方向，并在自制椎间孔定位穿刺器引导下穿刺。与传统方法相比，这种技术可以提高穿刺成功率，减少穿刺次数、时间和透视次数。本设备简单花费低，技术容易掌握，准确性较高，有一定临床应用价值。QIN等[19]采用随机对照尸体研究，将3D打印导航套管联合C臂导航系统用于PELD穿刺和定位，可以实时导航反馈，与传统方法相比，这种技术可以减少学习曲线，提高首次穿刺成功率，减少手术穿刺时间和放射照射。其研究在尸体上进行的，与真人穿刺定位存在一定误差，另外计算机导航系统与穿刺定位使用C臂导航成本高，许多医院没有这种设备。SHI等[20]设计出反向椎间孔视图软件，应用此软件术前在电脑中可以模拟穿刺和椎间孔成型，可以找到最佳皮肤进针点和通道位置，通过与传统穿刺方法对比，结果显示出可以减少穿刺通道建立时间、手术时间和术中透视次数，而不影响临床效果。此软件与本研究使用的三维可视化虚拟手术系统作用基本相似，但是他们没有应用椎间孔定位穿刺器，这样很难保证将术前规划参数准确应用到术中。而且他们术前数据是仰卧位测量的，术中俯卧位时误差较大。LIU等[21]将混合现实技术应用于PETD中，并与传统穿刺技术对比研究87例患者，结果表明混合现实技术可以明显减少通道建立时间和辐射暴露时间，但是当手术时间超过半小时，术者会有眼睛疲劳不适感，另外这种技术处于早期阶段，技术不太成熟，可以使用软件比较少。ZHOU等[22]联合虚拟现实技术和同心圆穿刺导航装置在尸体上研究，结果显示出其可以减少椎间孔穿刺频率、通道建立时间和辐射剂量。

PETD治疗LSS笔者个人体会：（1）对于L5/S1节段高髂脊、L5横突肥大的患者，通过术前三维可视化模拟置管，可以指导避开骨性阻挡和确定能否置管成功。（2）下位椎体上关节突尖部去除可以同时减压侧隐窝及椎间孔[23]，再去除背侧部分黄韧带和腹侧突出椎间盘，可以达到出口根和行走根同时减压目的，不会影响腰椎稳定性[24]。（3）在椎弓根水平侧隐窝狭窄减压比较困难，笔者的经验是靶点穿刺，在三维可视化图像上将模拟穿刺针放到贴近椎弓根上缘处，同时穿刺针放到上关节突中部或中下部，术中按照术前设计进行穿刺，穿刺方向稍偏远端，这样更有利于彻底减压，往往需要去除上关节突腹侧较多骨质，必要时需要去除部分下位椎弓根内缘和上缘以便更好提供视野。术后CT显示关节突的关节面并没有破坏，只是去除上关节突腹侧骨质，对节段稳定性没有明显影响。CHEN等[25]对25例患者随访29个月手术节段动力位片上角度变化为3.2°。（4）镜下解剖结构辨认是非常重要的，尤其是关节突成型位置对手术快速、顺利进行起着关键作用，笔者通常根据横突作为解剖标志，横突与上关节突连接处形成一个拐角，且横突一般不会增生，容易辨认，这里没有神经通过，比较安全。也可以根据关节突尖部辨认，这里靠近出口根，注意不要损伤。

本研究结果表明可视化组穿刺次数明显少于常规组，可视化组穿刺时间明显少于常规组，可视化组透视次数明显少于常规组。可视化组一次穿刺成功有3例，常规组有2例。常规组有4例出现首次穿刺偏离椎间孔较远，可视化组出现这种情况，有3例患者穿刺时出现一过性腿痛，调整穿刺方向后没有再次发生，考虑穿刺针穿刺到神经，而可视化组没有发生这种情况。与传统徒手穿刺相比，采用三维可视化虚拟手术系统联合自制椎间孔定位穿刺器可以明显减少穿刺次数、透视次数和穿刺时间，穿刺准确性更高、更加安全。两组在神经减压效果、住院时间和手术时间方面没有差别。本研究有1例患者出现复发需要手术治疗，发生率是1.5%，低于文献报道2%～10%[26]，考虑与本文纳入病例较少和随访时间短有关系。

本研究的不足之处是单中心研究，回顾性分析，样本量较少，随访时间较短，将来准备进行多中心、前瞻性、大量本、长时间随访研究。另外单纯采用CT数据进行三维可视化重建对于神经位置误差较大，如果结合CT和MRI数据进行三维可视化重建可以更加准确显示神经位置。

总之，本文通过对比研究显示三维可视化虚拟手术系统联合自制椎间孔定位穿刺器在经皮内镜下经椎间孔减压手术治疗LSS中可以明显减少穿刺次数、透视次数和穿刺时间，穿刺准确性高、安全，手术效果满意，这种方法是可行的。