Mimics虚拟手术规划在经椎间孔入路经皮内窥镜下椎间盘切除术治疗L5/S1椎间盘突出症中的应用

陈博来， 李永津，林涌鹏，屈锡亮，王羽丰，杜炎鑫



Mimics虚拟手术规划在经椎间孔入路经皮内窥镜下椎间盘切除术治疗L5/S1椎间盘突出症中的应用

陈博来， 李永津，林涌鹏，屈锡亮，王羽丰，杜炎鑫

J Spinal Surg, 2015,13(6)：333-336

经椎间孔入路经皮内窥镜下椎间盘切除术(percutaneous endoscopic transforaminal discectomy，PETD)是目前备受关注的脊柱外科微创技术，其临床疗效确切，具有创伤小、出血少、康复快等优点，但学习曲线陡峭[1]。对于初学者，成功地穿刺置管是PETD较难跨越的第一道关。特别是L5/S1椎间盘突出症，存在髂骨阻挡、L5横突肥大、椎间孔较小等因素，大大增加了穿刺置管的难度。因此，如何精确置管十分值得研究。本课题组提出应用Mimics软件(Materialise公司，比利时)在术前进行虚拟手术规划，设计精确的个性化穿刺置管路线，以期提高L5/S1节段PETD穿刺置管成功率，降低医源性辐射率,缩短手术时间及降低PETD学习曲线。

1资料与方法

1.1一般资料

2013年8月～2015年4月，共有72例患者纳入本研究，随机分为试验组和对照组，每组36例。最终获得随访71例，其中试验组36例，对照组35例。试验组男26例，女10例；年龄21～77岁，平均41.6岁。对照组男23例，女12例；年龄15～74岁，平均43.3岁。

纳入标准：①年龄18～60岁；②经临床及影像学确诊的L5/S1单节段腰椎椎间盘突出症，通过正规非手术治疗≥6周无效者；③同意PETD手术治疗；④同意加入研究并签署知情同意书。

排除标准：①非L5/S1节段腰椎椎间盘突出症或多节段腰椎椎间盘突出症；②椎间盘突出钙化；③特殊类型的椎间盘突出，如重度游离型，椎间盘术后硬膜囊、神经根粘连；④患者有其他疾病(如精神疾病、妊娠等)不适合PETD治疗或无法完成量表填写者。

1.2手术方法

试验组术前均使用SOMATOM Sensation Cardiac螺旋CT(西门子有限公司，中国)进行腰椎扫描，层厚设定为1 mm，采用仰卧位，头部垫以软枕，腰骶部尽量紧贴检查床。利用Mimics 16.0软件导入患者腰椎CT数据(dicom格式),重建腰椎CT三维模型(见图1a～d)，图片质量选择最高。虚拟手术规划，仔细观察患者的腰椎MRI，判断椎间盘突出类型，明确穿刺靶点位置。在MedCAD模块新建1条直径7.5 mm的虚拟管道，按照靶向穿刺技术要求[2]进行模拟置管，注意利用正交的3个解剖层面来观察管道的路径是否有骨性阻挡(见图1e～g)。利用图形分割模块，把腰椎模型在L5/S1椎间隙位置(即髓核突出的靶点位置)进行分割，观察管道开口是否符合要求，并作适当的调整(见图1h,i)。利用解剖模块测量穿刺角度，正位角为管道与椎间隙的夹角，侧位角为管道与L5椎体后缘的夹角(见图1j,k)。Mimics术前模拟置管均要求主刀医生参与。

a～d：用Mimics 16.0软件行腰椎CT三维重建e～g：术前虚拟置入直径7.5 mm的工作管道，从冠状位、水平位及矢状位观察是否有骨性阻挡h,i：在三维模型中分割L5/S1椎间隙，观察管道开口方向j,k：测量穿刺角度,正位角为管道与椎间隙的夹角；侧位角为管道与L5椎体后缘的夹角

a-d：Mimics16.0 lumbar 3D CT reconstructione-g：Before operation 7.5 mm diameter duct is placed by virtual，and bone block is observed from coronal, sagittal and transverse planeh,i：L5/S1intervertebral space is segmented in 3D model, and duct opening direction is observedj,k：Measuring puncture point, entopic angle is between duct and intervertebral, and lateral angle is between duct and L5vertebral body posterior marginal

图1Mimics虚拟手术规划

fig.1Mimics virtual surgery design

对照组依靠术者经验，术前根据正侧位X线片进行穿刺路径的设计，记录正位角和侧位角。

2组手术均由同一名熟练掌握PETD的副主任医师主刀。手术过程严格按照标准经椎间孔内窥镜脊柱系统(transforaminal endoscopic spine system， TESSYS)的操作规范进行，通过C形臂X线机透视引导，按照术前设计的角度进行穿刺置管。置管完成后常规镜下操作，完成突出椎间盘摘除和神经根压迫解除。

1.3观察指标

记录2组术中通道建立时间、镜下操作时间、透视次数以及有无穿刺相关并发症发生。术前、术后1 d及术后6个月时采用疼痛视觉模拟量表(visual analogue scale, VAS)评分[3]、日本骨科学会(Japanese Orthopaedic Association，JOA)下腰痛评分[4]评价疗效及神经功能恢复情况。

1.4统计学处理

2结果

试验组的通道建立时间、镜下操作时间和术中X线透视次数均较对照组明显减少，差异有统计学意义(P<0.01)，详见表1。

试验组、对照组术后VAS和JOA评分均较术前明显改善，差异有统计学意义(P<0.01)。2组间术前、术后各时间点VAS及JOA评分比较，差异无统计学意义(P>0.05)，详见表2。2组患者未发生神经损伤、硬膜囊撕裂、血肿及椎间隙感染等并发症。

3讨论

PETD是一种先进的脊柱微创手术，但学习曲线陡峭[5]。PETD治疗L5/S1腰椎椎间盘突出的手术难点在于髂嵴以及L5横突等骨性阻挡容易导致穿刺置管失败[6]。髂腰韧带附着在L5横突和髂骨上，L5横突较厚而大，因此L5/S1横突间隙较狭窄；另一方面，L5横突的发出点位于椎体偏下方，且L5/S1关节突关节偏靠外，L5横突常见一侧或双侧增大，与髂骨形成假关节，这些特殊解剖学特点使经椎间孔入路的PETD穿刺置管十分困难。同时由于这些骨性结构的阻挡，工作管道在手术过程中难以移动，即使置管成功，若管道无法正对突出的髓核，则术中极有可能出现髓核残留或找不到突出的髓核的情况，最终导致手术失败。因此，术前设计好穿刺置管路径十分重要。尽管有学者采用了髂骨钻孔穿刺法[7]和改良侧卧位增大L5/S1椎间孔法，术中CT导航也已被用于脊柱微创手术[8]，但术前设计好精确而合理的穿刺路径仍是成功建立工作通道的前提[9]。

表1　2组术中通道建立时间、镜下操作时间和透视次数

注：*与对照组相比，P<0.01

Note：* Compared with Control group,P<0.01

表2　2组手术前后各时间点VAS和JOA评分

注：*与术前比较，P<0.01

Note：* Compared with pre-operation,P<0.01

Mimics软件模拟PETD穿刺置管路径，有助于术前设计好合理的穿刺置管路径，尽量避开骨性遮挡。手术前利用Mimics软件重建正交的3个解剖层面观察管道路径的骨性阻挡情况，可对穿刺置管过程中可能碰到的困难有充分认识。本研究证实了术前采用Mimics虚拟手术规划有助于减少穿刺置管时间和术中透视次数，减少辐射损伤，有效提高穿刺置管的成功率。理想的Mimics虚拟手术规划，首先需获得高质量模型的重建，如本研究采用64排螺旋CT，扫描层厚≤1 mm，所获得的清晰图像能保证重建模型的精确性；其次，使用Mimics重建三维模型时阈值的选择亦相当重要，过高或过低同样会影响重建图像质量，需要根据具体调节情况选择合适的阈值。

选择合适的穿刺靶点也是穿刺置管方案设计的关键。为了尽可能彻底减压，应把工作管道的开口方向对准突出髓核，这有利于镜下顺利摘除突出的椎间盘组织。穿刺靶点即突出髓核的体部，术前仔细阅读患者的腰椎MRI，利用区域定位分析椎间盘突出的位置，可清楚了解突出的椎间盘与神经根的关系。利用Mimics软件将重建模型在L5/S1椎间隙分割，通过反复观察，调整管道的最佳方向。如果髓核向靠近椎间孔突出，管道末端应靠近关节突；若突出髓核为中央型，则管道末端应靠近棘突连线；若髓核向尾端突出，管道末端应尽可能正对S1椎体后上缘。利用Mimics软件重建模型，还可以在手术前充分了解置管后管道末端与突出髓核的立体空间关系，在镜下操作时可以更加轻松地取出突出髓核，完成神经根的减压。本研究证实了术前采用Mimics虚拟手术规划可明显缩短镜下操作的时间。

总之，采用Mimics虚拟手术规划可在PETD治疗L5/S1腰椎椎间盘突出前设计出精确而合理的穿刺置管路径，可有效提高术中置管成功率，并减少手术时间和术中透视次数，降低PETD治疗L5/S1椎间盘突出的学习曲线。本研究的不足之处在于采用仰卧位腰椎CT扫描，而PETD采用俯卧位并适当调整腰桥，所以术前设计的穿刺角度存在一定的误差，若术前CT扫描时采取与术中相同的体位可最大程度减少这种误差。

参 考 文 献

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[4] Fukui M, Chiba K, Kawakami M, et al. Japanese Orthopaedic Association Back Pain Evaluation Questionnaire. Part 2. Verification of its reliability ：The Subcommittee on Low Back Pain and Cervical Myelopathy Evaluation of the Clinical Outcome Committee of the Japanese Orthopaedic Association[J]. J Orthop Sci, 2007, 12(6)：526-532.

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[6] 史凡祺, 张为, 冯硕, 等.经皮椎间孔镜TESSYS技术治疗中央型腰椎间盘突出症 [J].脊柱外科杂志, 2014, 13(8)：621-625.

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(本文编辑于倩)

·临床研究·

【摘要】目的评价Mimics虚拟手术规划在经椎间孔入路经皮内窥镜下椎间盘切除术(percutaneous endoscopic transforaminal discectomy，PETD)治疗L5/S1椎间盘突出症中的应用价值。方法2013年8月～2015年4月，根据纳入与排除标准将符合研究条件的72例病例纳入研究，随机分为试验组和对照组，每组36例。试验组采用Mimics软件重建腰椎三维模型，术前在计算机上模拟L5/S1PETD穿刺置管，寻找最佳穿刺路径；对照组采用经验式穿刺方法。比较2组术中通道建立时间、镜下操作时间、X线透视次数。采用日本骨科学会(Japanese Orthopaedic Association，JOA)评分、疼痛视觉模拟量表(visual analogue scale, VAS)评分评价临床疗效，观察手术并发症。结果试验组的通道建立时间、镜下操作时间和术中X线透视次数均较对照组明显减少，差异有统计学意义(P<0.01)。2组术后1 d和术后6个月的VAS和JOA评分均较术前明显改善，差异有统计学意义(P<0.01)。 2组之间手术前后各时间点VAS和JOA评分比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。2组患者均未发生神经损伤、硬膜囊撕裂、血肿及椎间隙感染等并发症。结论Mimics虚拟手术规划有助于提高PETD的穿刺置管成功率，有效缩短穿刺置管时间及镜下操作时间，减少术中透视次数。

【关键词】腰椎； 椎间盘移位； 内窥镜检查； 计算机辅助设计； 外科手术，微创性

Application of Mimics virtual surgery design in percutaneous endoscopic transforaminal discectomy for L5/S1disc herniationCHENBo-lai*,LIYong-jin,LINYong-peng,QUXi-liang,WANGYu-feng,DUYan-xin.*DepartmentofOrthopaedics,GuangdongProvinceTraditionalChineseMedicalHospital,Guangzhou510120,Guangdong,China

【Abstract】ObjectiveTo evaluate the value of Mimics virtual surgery design in percutaneous endoscopic transforaminal discectomy(PETD) for L5/S1disc herniation. MethodsFrom August 2010 to April 2015, 72 cases were chosen in the study according to inclusion and exclusion criteria, and they were randomly divided into experimental and control groups. There were 36 cases in the experimental group and 36 cases in the control group. The experimental group adopted Mimics software to rebuild 3D lumbar spinal model.Transforaminal puncture was simulated by the computer to find the optimal direction, and then the cases underwent PETD. The control group adopted a conventional puncture method. The clinical data (approach establishment time, endoscopic operation time, X-ray perspective times, clinical effect and surgical complications) of the 2 groups were observed. The visual analogue scale(VAS) scores and the Japanese Orthopaedic Association(JOA) scores were used to evaluate the effect. ResultsApproach establishment time was (29.47±4.21) min in experimental group and (35.09±4.35) min in control group; the difference between 2 groups was statistically significant (P<0.01). Endoscopic operation time was (47.67±6.98) min in experimental group and (53.83±6.23) min in control group; the difference between 2 groups was statistically significant (P<0.01). X-ray perspective times was 23.69±4.82 in experimental group and 32.89±5.09 in control group； the difference between 2 groups was statistically significant (P<0.05). The VAS scores were 6.64±0.89 at pre-operation, 1.72±0.61 at postoperative 1 d and 0.75±0.55 at postoperative 6 months in experimental group. The VAS scores were 6.34±0.84 at pre-operation, 1.60±0.61 at postoperative 1 d and 0.80±0.68 at postoperative 6 months in control group. Compared with the pre-operation, the difference was statistically significant in both groups (P<0.05). The JOA scores were 16.31±2.56 at pre-operation, 20.71±2.50 at postoperative 1 d and 25.86±2.11 at postoperative 6 months in experimental group. The JOA scores were 15.83±2.75 at pre-operation, 19.97±2.27 at postoperative 1 d and 25.46±2.19 at postoperative 6 months in control group. Compared with the pre-operation, the difference was statistically significant in both groups(P<0.05). There was no significant difference in VAS and JOA scores between the 2 groups at each time point(P>0.05). No complications such as neurological damage, hematoma and infection occurred in the 2 groups. ConclusionMimics virtual surgery design can improve the successful rate of puncture, and also can reduce the endoscopic operation time and the X-ray perspective times.

【Key words】Lumbar vertebrae； Intervertebral disc displacement； Endoscopy； Computer-aided design； Surgical procedures, minimally invasive

收稿日期：(2015-10-15)

【DOI】10.3969/j.issn.1672-2957.2015.06.004

【中图分类号】R 683.2

【文献标识码】A

【文章编号】1672-2957(2015)06-0333-04

通信作者：李永津lyj2106@126.com

作者简介：作者单位：510120广东，广东省中医院骨科(陈博来，李永津，林涌鹏，王羽丰，杜炎鑫)；东莞市中医院骨科(屈锡亮)