混合现实技术在椎体成形治疗中的应用

doi:10.12307/2024.633

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (30): 4812-4816.doi: 10.12307/2024.633

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混合现实技术在椎体成形治疗中的应用

姜泳1，2，关天民2，慈元1，朱晔2，赵鹏1，郑家法1，杨涛1，张光宇1

1大连市第二人民医院，辽宁省大连市 116011；2大连交通大学，辽宁省大连市 116028

收稿日期:2023-06-21 接受日期:2023-09-07 出版日期:2024-10-28 发布日期:2023-12-25
通讯作者: 关天民，博士，教授，博士生导师，大连交通大学，辽宁省大连市 116028
作者简介:姜泳，男，1978年生，大连交通大学在读博士，主任医师，主要从事微创脊柱外科、医工结合方面的研究。
基金资助:
国家重点研发计划“骨质疏松性骨折综合防治体系及关键技术研究”(2021YFC2501701)，项目参与人：慈元、姜泳

Application of mixed reality technology in vertebroplasty

Jiang Yong1, 2, Guan Tianmin2, Ci Yuan1, Zhu Ye2, Zhao Peng1, Zheng Jiafa1, Yang Tao1, Zhang Guangyu1

1Dalian Second People’s Hospital, Dalian 116011, Liaoning Province, China; 2Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning Province, China

Received:2023-06-21 Accepted:2023-09-07 Online:2024-10-28 Published:2023-12-25
Contact: Guan Tianmin, MD, Professor, Doctoral supervisor, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning Province, China
About author:Jiang Yong, Doctoral candidate, Chief physician, Dalian Second People’s Hospital, Dalian 116011, Liaoning Province, China; Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning Province, China
Supported by:
National Key Research & Development Program, No. 2021YFC2501701 (to CY, JY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

椎体成形术：是治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的主要方案，包括经皮椎体成形术及经皮椎体后凸成形术，其手术创伤小、术后恢复快、缓解疼痛效果明显，可有效避免长期卧床带来的并发症。
混合现实技术(MR技术)：是扩展现实技术的一种，与增强现实技术、虚拟现实技术共同组成了扩展现实技术，是指通过计算机将真实世界与虚拟世界相结合，打造一个可人机交互的虚拟环境，通过将增强现实技术、虚拟现实技术、混合现实技术的视觉交互技术相融合，为体验者带来虚拟世界与现实世界之间无缝转换的“沉浸感”。

背景：如何提高椎体成形术中穿刺的精准性、减少手术损伤、提高手术效率是目前椎体成形治疗技术探索和改进的焦点之一。

目的：探讨混合现实临床设计方案在脊柱骨折经皮椎体成形过程中应用的临床意义。
方法：选择2023年6月大连市第二人民医院收治的2例脊柱骨质疏松性腰椎椎体压缩骨折患者，患者术前行腰椎128排CT扫描并获得医学数字成像和通信原始数据，Visual Volume软件构建脊柱压缩性骨折三维网络模型。运用全息影像眼镜将三维网络模型影像精确映射于真实世界，协助术者完成术前模拟、术前病情及治疗方案阐述，以及术中引导穿刺及骨水泥注射。

结果与结论：①在混合现实临床设计方案辅助下可实现经皮椎体成形治疗的精准穿刺，术后影像学检查示骨水泥充填良好、无明显渗漏，术后患者症状缓解良好，术后当天即可下地活动；②提示混合现实临床设计方案有助于术者术前进行完善的手术设计、提高与患者及家属的沟通效率；术中协助精准穿刺、缩短手术时间、减少副损伤，是一种新的有效的临床诊疗模式，在脊柱外科微创化、精准化、个性化的治疗中具有发展潜力。

https://orcid.org/0000-0001-5538-0686 (姜泳)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 混合现实技术, 椎体成形, 精确医学, 虚拟现实, 骨水泥注射

Abstract: BACKGROUND: How to improve the accuracy of puncture, reduce surgical damage, and improve surgical efficiency during vertebroplasty is currently one of the focuses of exploration and improvement in vertebroplasty techniques.
OBJECTIVE: To explore the clinical significance of application of mixed reality technology in percutaneous vertebroplasty for spinal fractures.
METHODS: Two patients with osteoporotic vertebral compression fracture in Dalian Second People’s Hospital in June 2023 were selected. Before operation, 128-row CT scanning of the lumbar spine was performed and the original data of digital imaging and communications in medicine (DICOM) were obtained. Visual Volume software was used to build the three-dimensional network model of vertebral compression fracture. Holographic imaging glasses were used to accurately map 3D network model images to the real world, assist the surgeon in completing preoperative simulation, explaining preoperative conditions and treatment plans, and guiding puncture and bone cement injection during surgery.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Precise puncture was achieved with the assistance of a mixed reality technology. Postoperative imaging examination showed good bone cement filling and no obvious leakage. The postoperative symptoms of the patient were alleviated well, and they were able to move to the ground on the same day after surgery. (2) It is concluded that a mixed reality technology is helpful for preoperative surgical design and communication efficiency with patients and their families. Assisting with precise puncture during surgery, shortening surgical time, and reducing side injuries is a new and effective clinical diagnosis and treatment model, which has development potential in minimally invasive, precise, and personalized treatment of spinal surgery.

Key words: mixed reality technology, vertebroplasty, precision medicine, virtual reality, bone cement injection

中图分类号:

姜泳, 关天民, 慈元, 朱晔, 赵鹏, 郑家法, 杨涛, 张光宇. 混合现实技术在椎体成形治疗中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(30): 4812-4816.

Jiang Yong, Guan Tianmin, Ci Yuan, Zhu Ye, Zhao Peng, Zheng Jiafa, Yang Tao, Zhang Guangyu. Application of mixed reality technology in vertebroplasty[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(30): 4812-4816.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。
1.2 时间及地点试验于 2023年6月在大连市第二人民医院脊柱外科完成。
1.3 对象

病例1：女性，62岁，患者因“无明显诱因突发腰背部疼痛、活动受限3 d”入院，体格检查：发育正常，轮椅推入病房，腰部疼痛明显，翻身及咳嗽时疼痛加重，目测类比评分为7分，腰部叩痛明显，活动受限，尤其改变姿势时活动受限明显，双下肢运动、感觉、肌力正常。既往骨质疏松症病史，无创伤及手术史。影像学检查：腰椎正侧位X射线片示L3椎体部分压缩(图1A，B)；术前腰部CT：L3椎体骨折，椎管内未见明显占位改变(图1C)；术前MRI检查：L3椎体骨折，矢状位T1WI像显示低信号改变，脂肪抑制像扫描显示高信号改变(图1D，E)。术前骨密度检查椎体T值最低为-3.5。

病例2：女性，56岁，患者因“外伤致胸腰部疼痛、活动受限1 d”入院，体格检查：发育正常，平车推入病房，腰部疼痛明显，不敢翻身，目测类比评分为8分，腰部叩痛明显，腰椎明显活动受限，双下肢运动、感觉、肌力正常。影像学检查：腰椎正侧位X射线片示L1椎体部分压缩(图2A，B)；术前腰部CT：L1椎体骨折，椎管内未见明显占位改变(图2C)；术前MRI检查：L1椎体骨折，矢状位T1WI像显示低信号改变，脂肪抑制像扫描显示高信号改变(图2D，E)。术前骨密度检查椎体T值最低为-3。

此次研究经大连市第二人民医院医学伦理委员会批准(伦理批件号：20230425012，审批时间：2023-04-25)，所有患者均知情同意并自愿参与此次研究。
1.4 材料混合现实临床设计方案是由常州锦瑟医疗信息科技有限公司提供的一种临床设计方案，旨在将混合现实、人工智能以及云计算等前沿科技引入医学领域，是以满足外科手术精准化、微创化和个体化治疗需求的一种数字技术。
1.5 方法
1.5.1 三维网格模型重构手术前1 d，示踪器标记伤椎周围部位，CT扫描(密扫，每层0.642 mm)包括伤椎内的全段腰椎，将CT扫描采集到的医学数字成像和通信(DICOM)数据导入Visual Volume三维重构软件系统(常州锦瑟医疗信息科技有限公司MR 1.0版)，依次对包含伤椎内的正常骨骼组织、血管、神经以及肌肉等组织进行区分，经过可视化检测、分割提取、测量、验证、计算等程序生成三维网格模型(图3A)。将三维数据传输到全息影像眼镜(Hololens，美国微软公司)里，通过光学视觉系统将三维网格模型与真实世界互通互联、协同模拟，并且赋予坐标空间，形成混合现实的空间效果。
1.5.2 术前模拟手术及医患沟通术者通过观察混合现实技术所呈现的全息影像，直观或多角度地观察三维网格模型，人工智能分割模型，规划椎体成形术中穿刺针的穿刺角度及方向(图3B-D)，设计手术方案。术前医患沟通时，医生、患者及患者家属共同观察模拟影像，共处于同一虚拟空间中进行病情交流，多平面、多角度、立体的、空间的切换模拟影像，加深对二维影像平面结构的空间理解，直观地阐述手术过程及操作技术(图3E)。

1.5.3 手术方法术中患者均取俯卧位，采用局部浸润麻醉(利多卡因+罗哌卡因)，C臂透视定位伤椎，常规消毒铺巾。扫描示踪器连接组件(图3F)，术中依据定位将三维影像数据投射到伤椎周围，术者依据虚拟影像位置进行经椎弓根双侧穿刺(图3G)。穿刺成功后，C臂X射线机透视定位穿刺针针尖正位接近或越过椎体中线，侧位在椎体前1/3处，穿刺过程中不时询问患者有无放射痛，防止损伤神经。调制骨水泥，至拉丝状态开始注射，注射过程中C臂不断透视，避免骨水泥外渗，待出现骨水泥少许椎体外渗迹象或接近椎体后缘时停止注射(图3H)。待骨水泥固化后拔出套管，术毕。

1.5.4 术后处理术后患者平卧2 h，观察有无出血及下肢的感觉、运动情况。术后当天即开始常规抗骨质疏松治疗，返回病房后以卧床为主，床上可自主翻身活动，当天尿便可在腰围固定器保护下下地，术后第2天，复查术后正侧位脊柱X射线片及CT后，佩戴支具下床活动，观察无不适后指导患者出院后康复锻炼。
1.6 主要观察指标记录术中出血量、注入骨水泥的量、手术时间、并发症等情况；术后影像学检查观察骨水泥填充情况；术前、术后1 d时患者的疼痛目测类比评分。

讨论

3.1 什么是混合现实技术？混合现实全称Mixed Reality，是虚拟现实技术的进一步发展，它是通过在虚拟环境中引入现实场景信息，将虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈信息的桥梁，从而增强用户体验的真实感[5]。混合现实技术的关键点就是与现实世界进行交互和信息的及时获取，也因此它的实现需要在一个能与现实世界各事物相互交互的环境中[6]。混合现实技术特点主要有3方面：①虚实融合：虚拟物体和现实世界可以显示在同一视线之中；②实时交互：即用户可与现实世界和虚拟物体进行实时的自然交互；③三维注册：虚拟物体可与现实世界精确对准。通过混合现实显示设备，用户可以同时看到真实环境和虚拟全息影像，加之手势、语音、视觉等方式的加持实现两者互动，真正搭建了虚拟世界和现实世界沟通的桥梁[7]。需要注意的是，混合现实技术的成功是在一个能与现实世界各事物良好沟通的环境中，及时获取到信息并实现与现实世界的有效交互。混合现实可以实现价值的最强大方式是能让开发人员将数字信息或内容放置在用户当前的环境中，并且在用户体验期间保持用户的现实世界环境“存在”是关键，用户还可以轻松地在真实世界与数字任务之间切换，这让用户更加信任他们所看到的混合现实应用会真正成为他们环境的一部分的这一承诺[8]。混合现实技术是在AR技术的基础上发展而来，通过将术前影像(CT或MRI)产生的三维虚拟模型与实际物体相结合产生立体图像，与AR技术虚拟图像简单地叠加到真实环境不同，使用混合现实设备能够实现现实世界与虚拟环境的实时交互[9]。混合现实技术由于其能够打破虚拟世界和现实世界之间的屏障，并且融合了虚拟现实与增强现实的功能，可以强化模拟手术的真实感并提高手术的精确性，实现虚拟环境和现实世界之间的实时交互，从而在医学领域得到广泛的应用[10]。尤其是在骨科学领域，已经在临床教学和培训、医患沟通、术前规划、手术模拟演示、术中导航以及术后个性化康复等方面取得了一定进展[11]。
3.2 混合现实临床设计方案临床应用的优势 3.2.1 提高医患沟通的效率混合现实临床设计方案可以将病灶部位及手术方案实现三维全息呈现，相较于传统二维X射线片、CT影像等更便于患者及家属理解[12]，这使得医生和患者的沟通更加形象、直观，提高医患沟通的效率，增加了患者对于治疗和手术的配合度。 3.2.2 深化案例讨论的内容混合现实临床设计方案将传统的二维影像信息立体化、形象化，同时，高自由度的操作和自然的交互方式，便于深度挖掘影像学数据，捕获更多信息，立体标识及制定手术方案，降低手术的风险，提高治疗的效率[13]。
3.2.3 术中“透视” ，实现手术的精准化混合现实临床设计方案的混合现实显示设备让医生拥有一双“透视眼”[14]。将抽象的人体解剖结构具象化，可隐藏或显示人体结构和组织，调节颜色和透明度，还可将全息影像与病灶及重要解剖部位融合，以了解病灶及其与周围组织的解剖关系，从而获得高度可透视、可自由交互的诊疗信息[15]，使术者可以直面靶点，实现手术的精准化和微创化。
3.2.4 实现各级医疗机构的远程协作，提高诊疗效率混合现实临床设计方案可以基于5G网络，使各级医疗单位实现互联互通，同时，混合现实临床设计方案具有远程会议、会诊、术中指导等多种功能，专家医生可实现远程高清全息互动[16]。创新的沟通方式让医生可以以最自然流畅的方式进行互动，精确并高效地输出和接受信息，降低沟通成本，提高诊疗效率[17]。
3.3 混合现实临床设计方案在椎体成形术中的应用脊柱骨质疏松性椎体骨折好发于老年患者，患者及家属对于疾病和手术方案的理解和领悟能力与年轻人相比较弱。据统计，在传统的医患沟通方式中，患者和家属能够理解的手术与治疗相关信息量达不到医师所传达的信息量30%，导致患者及家属对手术产生不科学的预期，从而引起不必要的医患矛盾[18-19]。混合现实临床设计方案所给予的三维模型可使患者及家属在虚拟环境中了解骨折的形态以及椎体周围的解剖结构，术者在模型的辅助下，可以自主构建混合现实场景平台，模拟手术环境、讲解手术过程以及术中可能面临的突发情况等[20]，可使患者及患者家属对疾病以及手术潜在的风险有更加深入的了解，解决了医患双方专业知识不对称的问题，节省沟通时间，提高沟通效率，从而减少医生的工作量。
在椎体成形术中，穿刺点的选择、穿刺的方向和角度主要依赖于术者的术前设计，术中依靠C 形臂X射线透视引导不断地调正，这种“徒手盲穿”的方法存在不直观、不立体等缺点[21]，穿刺过程更多地依赖于术者的经验，而且需要椎体成形治疗患者的骨性结构大都退变比较严重，很多存在脊柱侧弯和椎体旋转畸形，想要精确掌握穿刺方向以及深度存在很大的困难。混合现实临床设计方案基于患者脊柱骨骼结构的CT原始数据进行重建，所以是根据不同患者建立的个性化三维模型，术前可以根据患者自身的解剖特征以及骨折类型制定个性化的手术方案[22]，设计不同的穿刺点和穿刺方向及角度，术中可以可视化的清晰显示压缩骨折部位与周围解剖结构，并将三维模型结合术前规划手术方案投射到手术部位，通过混合技术达到实体与虚拟信息共存，术者观察到的是直接的、立体的虚拟模型，引导穿刺，解决穿刺点定位不精准、术中需要反复透视、手术时间长等问题[23]，同时，术中可根据术前规划定位骨水泥注射的部位，观察骨水泥渗透的方向和范围，最大限度地减少骨水泥的渗漏，增加手术安全性。
3.4 混合现实临床设计方案存在的不足 ①椎体成形术中图像注册，即将虚拟模型与患者的解剖结构的匹配有一定的误差[24]，所以术中需要根据术者的经验、穿刺手感以及C臂X射线透视机透视情况进行必要的调整；②由于需要虚拟模型和现实世界的实时交互，而术中患者的配合程度、骨水泥的注射速度以及骨水泥在椎体内的弥散状态对模型重建均会造成影响，模型调整时会稍有延迟，术中的手势操作并不能够使模型角度调整的十分精确[25]，这也势必会影响一定的手术疗效，所以在混合现实与真实空间的匹配精度方面，混合现实临床设计方案仍需进一步提升。
在此次研究中，2例病例的手术时间分别为30，35 min，少于传统的平均手术时间(45 min)，2例患者术后疼痛均明显缓解，术后当天即可自主翻身、站立活动，术后第1天目测类比评分(2分)均较术前(分别为7分、8分)明显降低，说明混合现实临床设计方案有助于缩短手术时间、减少副损伤，是一种新的、有效的临床诊疗模式，在脊柱外科微创化、精准化、个性化的治疗中具有发展潜力。但由于作者也是初步尝试将混合现实临床设计方案在椎体成形术中应用，积累的病例及应用的经验较少，需要进一步总结。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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