虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在樞椎椎弓根螺釘精確植入中的應(yīng)用研究

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在樞椎椎弓根螺釘精確植入中的應(yīng)用研究        【摘要】     目的 探索以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的樞椎椎弓根螺釘置入方法。 方法 選取8具成人顱-頸椎標(biāo)本，采用改良四柱式定位框架固定于枕頸，使顱-頸-肩形成統(tǒng)一剛體，保持空間位置恒定，CT薄層掃描獲取樞椎三維定位信息，采用Aero-Tech立體定向手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)三維建模，設(shè)計(jì)安全、可視化、個(gè)體化的虛擬置釘路徑，反復(fù)虛擬演示驗(yàn)證釘?shù)腊踩?，?dǎo)向弓把持下置入導(dǎo)向鋼針，復(fù)查CT評(píng)價(jià)置釘?shù)臏?zhǔn)確性。 結(jié)果 16個(gè)

2、樞椎椎弓根置釘過(guò)程中，方向出現(xiàn)偏差 （橫突孔突破） 1個(gè)，失敗率為6.25%。 結(jié)論 目標(biāo)椎弓根的容積三維重建、置釘路徑可視化設(shè)計(jì)和虛擬演示，使操作過(guò)程簡(jiǎn)單、直觀(guān)而精確，不需要線(xiàn)形和角性參數(shù)的測(cè)量；加上導(dǎo)向抓持裝置提供的穩(wěn)定性，使該技術(shù)具有很好的臨床應(yīng)用前景。     【關(guān)鍵詞】  樞椎椎弓根螺釘 虛擬現(xiàn)實(shí) 立體定位技術(shù) 外科手術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助        The applied study of virtual-reality technology for accurate

3、 placement of C2 pedicle screws    WANG Yaming1, TIAN Zengmin1, YANG Jun2, et al    1. Department of Neurosurgery; Navy General Hospital of PLA, Beijing 100037, China;  2. Department of Neurosurgery, Beijing Sanbo Fuxing Neurosurgical Hospital, Beijing 100038, Chin

4、a    Abstract:  Objective  To investigate a new method for axial pedicle screw placement based on virtual-reality technology.  Methods  A modified four-column stereotactic frame was used for immobilizing cranio-cervical specimen in 8 adult cadavers with screws to m

5、ake the head-neck-shoulder form a rigid integrated body, and to maintain the stability of the spatial position. The 3D localization information of the axis was acquired by thin-slice CT scan. AeroTech surgical planning software was used for three-dimensional modeling. A safe, visualized, and individ

6、ual virtual inserting path for screw placement was designed, and its security was validated through interative virtual maneuvering. Then the guiding-arch was used to hold the accurate direction for placing the guidewire. CT scan was rechecked to assess the accuracy of the screw placement.  Resu

7、lts  Among the 16 axial pedicle screw placements, the inserting divergence of the guidewire (breaching of the transverse foramen) occurred in one. The failure rate was 6.25%.  Conclusion  Three-dimensional volume reconstruction of the target axial pedicle, visualized design and virtua

8、l demonstration of inserting approach made surgical procedure simplified, intuitionistic and rigorous, not requiring linear and goniometrical parameters. The screw placement techniques are of good perspective of clinical application with the help of stability provided by guide-holding equipment.

9、0;   Key words:  C2 pedicle screws;  virtual-reality;  stereotaxic techniques;  image guided surgery       在寰枕融合及頸椎后路固定術(shù)中，樞椎椎弓根螺釘能提供穩(wěn)定的錨定點(diǎn)，三柱結(jié)構(gòu)固定牢靠，且固定節(jié)段縮短，因而最大限度地保留了頸椎的活動(dòng)范圍1，2。但由于樞椎解剖結(jié)構(gòu)獨(dú)特，椎動(dòng)脈行經(jīng)樞椎側(cè)塊前下方時(shí)，在橫突管內(nèi)迂曲，呈“C” 形或“S”形走行，使樞椎上關(guān)節(jié)面外側(cè)1/3 呈懸

10、空狀，增加了樞椎椎弓根螺釘?shù)闹萌胛ｋU(xiǎn)性3。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合樞椎骨性標(biāo)本的觀(guān)察測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)立體定向框架和Aero-Tech手術(shù)規(guī)劃軟件進(jìn)行改進(jìn)，探索一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual-reality） 技術(shù)的樞椎椎弓根螺釘精確置入技術(shù)。    1    材料及方法    1.1    標(biāo)本    選取8具福爾馬林浸泡的成人顱-頸椎標(biāo)本，標(biāo)本包括顱枕部和C17的椎體，保留完整的脊柱三柱結(jié)構(gòu)和肌肉、皮膚；標(biāo)本由北京三博復(fù)興腦科醫(yī)院神經(jīng)外科解剖研究室提供。

11、60;   1.2    實(shí)驗(yàn)器材    改良Aero-Tech立體定向框架，CT定位圖板，耳卡，CT適配器，弓形導(dǎo)向儀。直徑2.0 mm長(zhǎng)桿鉆和鉆套，配套的塑料導(dǎo)向夾 （制動(dòng)夾），轉(zhuǎn)接器，槍式輕便電鉆，直徑1.8 mm穿刺針套 （長(zhǎng)度189 mm），配套圓頭、尖頭穿刺針芯，直徑1.2 mm導(dǎo)向鋼針，Aero-Tech立體定向手術(shù)規(guī)劃軟件，GE-lightspeed型16排螺旋CT。    1.3    實(shí)驗(yàn)方法    1.3

12、.1    樞椎椎弓根的空間定位：    將定位框架套在顱-頸椎標(biāo)本上，立柱上部4個(gè)螺釘分別固定于額前、枕鱗下部，上緊螺釘，鉆破顱骨外板固定；利用扭距螺絲調(diào)整立桿上縱向牽伸裝置，將頸椎縱向牽引伸展后，通過(guò)基環(huán)下部附加設(shè)計(jì)的固定裝置將顱-頸-肩固定，使之形成統(tǒng)一剛體，保持其在框架內(nèi)的三維穩(wěn)定性，限制其左右側(cè)屈和前后仰伸 （圖1）。安裝帶N型標(biāo)記的CT定位圖框，使目標(biāo)椎體在框架掃描范圍，行螺旋CT薄層掃描，層厚1.0 mm。    1.3.2    置釘路徑的規(guī)劃和虛擬演示：&#

13、160;   將圖像數(shù)據(jù)輸入Aero-Tech手術(shù)計(jì)劃軟件，先行定位標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)記、整理、排序，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系；在各斷層圖像上以不同顏色標(biāo)記椎體表面、左右椎動(dòng)脈和脊髓的輪廓線(xiàn)；在標(biāo)記目標(biāo)椎弓根時(shí)嚴(yán)格避開(kāi)椎動(dòng)脈和脊髓的輪廓線(xiàn)；將椎弓根釘尖端要達(dá)到的位置設(shè)為靶點(diǎn)，調(diào)整導(dǎo)向弓的環(huán)角和弧角，確保穿刺道的斷層映射點(diǎn)在椎弓根或椎體內(nèi) （圖2）；三維容積重建椎弓根輪廓，在靶目標(biāo)容積塊中調(diào)節(jié)釘?shù)赖姆较颍贯數(shù)劳耆咝杏谀繕?biāo)塊內(nèi) （圖3）；疊加椎動(dòng)脈和脊髓的輪廓，從不同角度觀(guān)察置釘軌跡與兩者的空間位置關(guān)系 （圖4）；疊加椎體表面輪廓確定進(jìn)釘點(diǎn)位置是否合適，并測(cè)算椎弓根螺釘長(zhǎng)度 （圖5）； 在建立

14、的三維模型上逐層疊加各斷層圖像，完成手術(shù)路徑的規(guī)劃和虛擬演示。    1.3.3    椎弓根釘?shù)亩ㄏ蛑萌耄?#160;   按手術(shù)計(jì)劃的三維坐標(biāo)值和環(huán)、弧角，在基環(huán)上調(diào)整導(dǎo)向弓方向，皮膚切小口，旋入鉆頭，頂?shù)綄?shí)性骨質(zhì)后，按導(dǎo)向夾引導(dǎo)方向?qū)@頭鉆至靶點(diǎn)深度 （圖1），置入穿刺針套，撤除針芯后，置入硬質(zhì)導(dǎo)向鋼針。    1.3.4    椎弓根釘準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià)：    置釘完成后行頸椎側(cè)位和前后位X-線(xiàn)平片攝影及薄層CT軸位掃描，

15、評(píng)價(jià)置釘?shù)臏?zhǔn)確性。    2    結(jié)    果    本實(shí)驗(yàn)共對(duì)16個(gè)樞椎椎弓根進(jìn)行置釘，其中完全按照規(guī)劃路徑，精確達(dá)到預(yù)設(shè)深度和方向15個(gè) （圖6，7）。鋼針出現(xiàn)偏差1個(gè)，失敗率為6.25%；為向橫突孔方向突破。    3    討    論          “廣義椎弓根”是指連接于椎體側(cè)后方和上關(guān)節(jié)突

16、之間的骨質(zhì)，但樞椎椎體結(jié)構(gòu)特殊，樞椎上關(guān)節(jié)在發(fā)育時(shí)向前上移位，椎弓為上下關(guān)節(jié)突之間的骨性連接部分占據(jù)，形成“狹義椎弓根”。以橫突后結(jié)節(jié)為界，可將其分為前后兩部分：前部為橫突孔區(qū)域，后部為樞椎的峽部；而橫突孔區(qū)域縱向上又分為上、中、下寬三部分，上寬指橫突孔出口區(qū)，下寬指橫突孔入口區(qū)，上、下寬之間為中寬，中、下寬前方與真正意義上的椎弓根相移行3，4。瞿東濱等4報(bào)道：樞椎椎弓根上、中、下寬不等，上寬平均7.9 mm （3.012.4 mm)，中寬平均6.0 mm (1.710.2 mm)，下寬平均4.1 mm (1.48.3 mm)，大約20.0%27.5%的樞椎椎弓根中、下寬小于5 mm， 中寬過(guò)

17、小是椎弓根螺釘固定的主要制約因素 （圖8，9）。          樞椎椎弓根螺釘?shù)陌踩萌氤M(jìn)釘點(diǎn)需十分精確外，螺釘在中寬和下寬內(nèi)的走行方向也至關(guān)重要。樞椎的椎弓根并非橢圓，橫突管內(nèi)的椎動(dòng)脈由內(nèi)下向外上的貫通，除了形成椎弓根上、中、下寬以外，還形成兩個(gè)椎弓根軸線(xiàn)，上寬的椎弓根軸線(xiàn)指向上關(guān)節(jié)突，下寬軸線(xiàn)指向椎體內(nèi)側(cè)，兩者呈一定角度，中寬和下寬在手術(shù)暴露中是不能顯示的，而手術(shù)暴露的上寬大小和軸線(xiàn)方向并不能完全代表中、下寬的大小和走行，上寬可能掩蓋著部分橫突管內(nèi)的椎動(dòng)脈 （圖10）。因此，完全按照觀(guān)察到的上寬走行和大小

18、進(jìn)釘有一定盲目性，一旦橫突孔區(qū)域的中、下寬寬度不夠，可向橫突孔方向突破，損傷椎動(dòng)脈的風(fēng)險(xiǎn)增大1，3，4。對(duì)于樞椎椎弓根上、中、下寬差別顯著的個(gè)體，單純行X-線(xiàn)平面角度測(cè)量或“C”型臂側(cè)方監(jiān)測(cè)，并不能規(guī)避上寬、下寬大小與軸線(xiàn)差異引起的橫突孔方向突破風(fēng)險(xiǎn)，因此，將樞椎椎弓根 （包括上、中、下寬） 作為一個(gè)完整的骨性結(jié)構(gòu)行容積型三維重建，用不規(guī)則的容積塊來(lái)顯示上、中、下寬的大小和形態(tài)差異，并在容積塊內(nèi)進(jìn)行釘?shù)婪较虻恼{(diào)整，能立體、直觀(guān)地設(shè)計(jì)釘?shù)缆窂剑⒋_保置釘?shù)陌踩浴?#160;   傳統(tǒng)手法椎弓根螺釘置入法除需精確測(cè)量側(cè)塊進(jìn)針點(diǎn)外，還要繁瑣地測(cè)量椎弓根的上傾角和內(nèi)傾角；各傾角測(cè)

19、量參照平面的選擇具有很大的主觀(guān)差異性，使得不同學(xué)者測(cè)得的上傾角和內(nèi)傾角相差較大，造成進(jìn)釘角度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。此外，術(shù)中各傾角的確定需要借助多種角度瞄準(zhǔn)器，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，臨床上不容易掌握5，6。整個(gè)置釘路徑選擇在很大程度上仍舊依賴(lài)于外科醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)、解剖知識(shí)和三維空間想象力，不具備直觀(guān)性、可視性和前瞻性。          計(jì)算機(jī)3D導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用使置釘準(zhǔn)確性和直觀(guān)性大為提高。其原理是把目標(biāo)椎體通過(guò)術(shù)前薄層CT重建，在其他椎體 （非目標(biāo)椎體） 棘突上固定帶紅外線(xiàn)反射小球的定位參考架，導(dǎo)航系統(tǒng)以參考架作為基準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)，采用紅

20、外線(xiàn)位置追蹤儀實(shí)時(shí)顯示注冊(cè)的手術(shù)器械在虛擬三維影像空間的位置，引導(dǎo)按照設(shè)計(jì)的路徑置釘。3D導(dǎo)航置釘?shù)臏?zhǔn)確性各家醫(yī)院報(bào)道不一致，大約在76.0%97.6%之間。以下因素限制了導(dǎo)航置釘?shù)臏?zhǔn)確性和臨床應(yīng)用7-9：相鄰椎體間的空間位移導(dǎo)致靶點(diǎn)飄移；術(shù)前定位體位與手術(shù)體位變化；導(dǎo)航系統(tǒng)缺乏導(dǎo)向把持系統(tǒng)，在鉆探椎弓根通道時(shí)，器械的抖動(dòng)使實(shí)際方向偏離設(shè)計(jì)路徑；開(kāi)路錐擴(kuò)進(jìn)椎弓根釘?shù)罆r(shí)，定位參考架在空間坐標(biāo)系中的晃動(dòng)，使虛擬的器械軌跡在三維圖像中擺動(dòng)，虛擬探針的位姿并不能真實(shí)代表手術(shù)器械的實(shí)際位置，產(chǎn)生較大誤差；設(shè)備價(jià)格昂貴。    而在框架立體定向技術(shù)中，借助框架定位圖板上的參考

21、基點(diǎn)，實(shí)際手術(shù)空間和虛擬圖像空間的照合以及探針導(dǎo)向，均不需要通過(guò)第三者帶紅外線(xiàn)反射小球的定位參考架來(lái)介導(dǎo)，也不需要通過(guò)紅外線(xiàn)接受裝置來(lái)實(shí)時(shí)反映操作器械位置。其標(biāo)記點(diǎn)的映射照合和探針空間位姿反映均是通過(guò)定位框架上的固定參考點(diǎn)來(lái)完成的，這就避免了設(shè)置參考架和紅外線(xiàn)接受裝置可能帶來(lái)的靶點(diǎn)偏移。而三維可視化手術(shù)規(guī)劃軟件的開(kāi)發(fā)也使手術(shù)路徑能虛擬演示，安全性和直觀(guān)性明顯增高。          Johnson等10的研究表明：Halo-Vest架可以限制頸椎96%屈伸、側(cè)屈活動(dòng)及99%的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，是最有效的頸椎外固定裝置。本研

22、究借鑒Halo-Vest外固定裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)四柱-基環(huán)式Aero-Tech立體定向框架進(jìn)行改進(jìn)，利用扭距螺絲縱向調(diào)節(jié)立桿長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)使定位框架兼?zhèn)淇v向牽引固定作用，框架底部基環(huán)設(shè)計(jì)附加卡緊式雙肩托墊和C6或C7棘突固定螺釘。改進(jìn)定位框架使顱-頸-肩一體化，限制了頸椎的屈伸和旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，使頸椎形成統(tǒng)一剛體，在術(shù)前圖像采集和術(shù)中操作過(guò)程中，保持了三維空間位置的穩(wěn)定性，減少了相鄰椎體位移產(chǎn)生的靶點(diǎn)漂移誤差。本研究對(duì)8例尸頭均采用改進(jìn)框架實(shí)現(xiàn)了顱-頸堅(jiān)實(shí)的固定，結(jié)果證實(shí)能滿(mǎn)足手術(shù)定位和操作的需要。          本研究置釘

23、路徑的設(shè)計(jì)采用了Aero-Tech立體定向手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，以高性能的圖像工作站為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)，進(jìn)行交互式頭頸斷層圖像輸入和三維重建，精確地對(duì)釘?shù)婪较?、目?biāo)靶區(qū)及周?chē)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行空間幾何描述，并可三維立體、多角度動(dòng)態(tài)顯示。          設(shè)計(jì)手術(shù)路徑時(shí)，不用選擇進(jìn)針點(diǎn)和X-線(xiàn)角參數(shù)測(cè)量，而是在每個(gè)CT斷層圖像中以椎弓根為目標(biāo)逐層輪廓標(biāo)記，然后對(duì)椎弓根進(jìn)行圖像三維容積重建；軟件可將模擬釘?shù)乐庇^(guān)地顯示在容積三維空間內(nèi)，只要在靶目標(biāo)容積塊中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)釘?shù)婪较?，確保釘?shù)劳耆咝性谀繕?biāo)塊內(nèi)，

24、系統(tǒng)即計(jì)算出安全釘?shù)赖膶?dǎo)向弓環(huán)、弧角參數(shù)。為驗(yàn)證釘?shù)赖陌踩?，除可將釘?shù)涝诟鲾鄬訄D像上的映射點(diǎn)直觀(guān)或三維模擬顯示外，還可將虛擬脊髓和椎動(dòng)脈輪廓與目標(biāo)容積塊疊加并動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，以顯示三者的空間位置關(guān)系。此外，通過(guò)疊加椎體表面輪廓，顯示釘?shù)涝谧刁w側(cè)塊表面的進(jìn)釘點(diǎn)，還可對(duì)進(jìn)釘點(diǎn)至靶點(diǎn) （釘尖） 的距離 （即螺釘?shù)拈L(zhǎng)度） 進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，使術(shù)前個(gè)體化地選擇螺釘長(zhǎng)度變得輕而易舉。本研究對(duì)16個(gè)樞椎椎弓根置釘安全路徑的設(shè)計(jì)均經(jīng)上述方法完成，極大地簡(jiǎn)化了手術(shù)程序，置釘路徑直觀(guān)、可視化，具有可重復(fù)性，術(shù)前能反復(fù)動(dòng)態(tài)虛擬演示手術(shù)過(guò)程。        

25、;  在置入16根樞椎椎弓根導(dǎo)向鋼針過(guò)程中，15根置釘方向精確，完全按照規(guī)劃路徑進(jìn)釘，并達(dá)到預(yù)設(shè)的深度。只有1根出現(xiàn)方向偏差，失敗率為6.25%，為向橫突孔方向突破；分析出現(xiàn)偏差現(xiàn)象的原因可能是：置釘過(guò)程為經(jīng)皮操作，沒(méi)有切開(kāi)暴露椎板和側(cè)塊，進(jìn)釘點(diǎn)骨平面的凹凸不平使鉆頭打滑，從而出現(xiàn)方向偏差。在實(shí)際操作中，切開(kāi)暴露后在導(dǎo)向弓引導(dǎo)下直視置釘，將更精確。          改進(jìn)的四柱式定向框架不僅在術(shù)前影像掃描中起到了定位作用，在術(shù)中固定頭位時(shí)也能起替代頭架的作用。該定位技術(shù)不僅在實(shí)際手術(shù)中能起定位作用，還可經(jīng)

26、皮準(zhǔn)確定位椎弓根的位置和走行。隨著腰椎椎弓根螺釘和同軸釘棒 （Sextant系統(tǒng)，樞法模公司） 經(jīng)皮置入內(nèi)固定的成功應(yīng)用11，12，經(jīng)皮樞椎椎弓根螺釘?shù)闹萌肟墒乖撐⑶忠u脊柱內(nèi)固定技術(shù)在頸椎應(yīng)用中成為可能；此外，經(jīng)皮椎弓根定位技術(shù)不僅可用于螺釘?shù)闹萌耄锌蓢L試應(yīng)用于其他微侵襲脊柱外科領(lǐng)域，如經(jīng)皮椎體成形術(shù)、C1，2側(cè)塊透關(guān)節(jié)螺釘固定術(shù) （即Magerl術(shù)）、經(jīng)皮脊柱內(nèi)鏡等導(dǎo)入術(shù)、椎體轉(zhuǎn)移瘤定向植入125I籽粒間質(zhì)內(nèi)放療等。     【參考文獻(xiàn)】  1 郝定均, 賀寶榮, 周頸松, 等. 后路寰椎側(cè)塊螺釘結(jié)合樞椎椎弓根螺釘固定治療上頸椎不

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