引用本文： 叢海波, 張恩忠, 余志平, 丁英杰, 王志浩, 趙偉, 于曉峰, 邢國飛. 增強現實技術聯合 3-D 打印技術行半椎體置換治療椎體腫瘤一例. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(11): 1407-1408. doi: 10.7507/1002-1892.201706067 復制
增強現實（augmented reality，AR）技術是通過電腦技術，將真實環境和虛擬物體實時地疊加至同一個畫面空間，其在醫學領域具有廣闊應用前景[1]。3-D 打印技術屬于快速成型技術，目前已有用于打印金屬植入物或組織模型并植入人體內的報道[2-3]。但目前有關將 AR 技術與 3-D 打印技術聯合用于臨床的報道極少。2017 年 3 月，我們采用 AR 輔助下切除椎旁巨大腫瘤，并聯合 3-D 打印技術輔助半椎體置換成功治療椎旁巨大神經鞘膜瘤 1 例。報告如下。
1 病例介紹
患者 男，66 歲。因查體時發現右下腹部占位 4 d 入院。檢查右下腹部有一拳頭大小包塊，無下肢麻木及放射痛。盆腔 CT 增強掃描顯示，脊柱腰骶部右側旁盆腔內見一 8.9 cm×7.8 cm×7.6 cm 大小的不均勻明顯強化腫塊，相鄰 L5、S1 椎體骨質破壞，破壞骨質邊緣呈壓跡狀輕度硬化，腫塊推壓對應右側輸尿管前移，右腎盂輕度擴張積水；CT 血管造影顯示，右側髂總、髂外、髂內動靜脈均被腫塊推壓向外前方移位，右髂內、外靜脈受壓明顯變細；腰骶尾椎 MRI 顯示，腫塊呈稍長 T1、長 T2 混雜信號，彌散加權像呈不均勻高信號，腫塊部分內側緣與 L5、S1 椎間孔關系密切。超聲引導下經皮穿刺行病理檢查考慮為神經鞘膜瘤。術前利用 Mimics 軟件處理 CT 掃描數據，模擬手術切除腫瘤，并設計 L5、S1 椎體模型，然后將椎體模型數據導入 3-D 金屬打印機，采用鈦合金（Ti6AL4V）按照 1∶1 比例打印實體椎體。見圖 1。
全麻后，患者先取截石位，在膀胱鏡下行右側輸尿管置管術以保護輸尿管；再更換為仰臥位，右臀部墊高，術者佩戴導入了術前重建 AR 影像的 Hololens 眼鏡后手術。取右下腹倒“八”字切口，長約 15 cm，依次切開皮膚、皮下及腹橫肌，保護并向左側推開腹膜，顯露腫物，利用 Hololens 眼鏡所虛擬的圖像與現實相疊加，精準定位腫瘤和周圍血管、神經的關系，顯示腫物呈卵圓形，大小約 11 cm×9 cm×6 cm，質硬，表面光滑，與周圍軟組織及 L5、S1 椎體右側粘連明顯，髂內動脈、髂外動脈、髂靜脈及右側輸尿管受推壓并移位；仔細分離腫物，結扎并切斷腫瘤供血動靜脈，保護并牽開髂內動脈、髂外動脈、髂靜脈及右側輸尿管，見腫瘤蒂位于右側 L5 神經根鞘膜，仔細分離并保護正常的 L5 神經根，清除與周圍組織的粘連，以咬骨鉗及刮匙去除瘤體至正常骨質，檢查術區并仔細止血，安裝術前打印的鈦合金椎體，擰入數枚鎖定螺釘固定。
2 結果
本例患者手術順利完成，手術時間 245 min，術中出血量約 1 200 mL。術后病理檢查結果示：（腹膜后脊柱旁）神經鞘瘤，細胞生長活躍，體積 11 cm×9 cm×6 cm。免疫組織化學檢查示：S-100（+）、CD34（–）、SMA（–）、Des（–）、CD117（–）、Ki-67（–）、CK（–）、CD99（+）、NF（–）。術后 6 個月隨訪，患者生活質量明顯提高，疼痛視覺模擬評分（VAS）由術前 5 分降至 2 分；X 線片及 CT 復查示鈦金屬椎體呈部分骨性融合，位置良好，無斷裂、脫出，椎體無塌陷。見圖 2。
圖1
術前 MRI 檢查及 Mimics 軟件重建腫瘤三維模型、 設計椎體假體模型
圖2
術后 6 個月正側位 X 線片及腰椎功能
3 討論
3.1 3-D 打印技術應用
脊柱原發骨腫瘤相對少見，手術切除是最佳治療方法。但由于脊柱特殊的解剖結構，傳統手術方式難以徹底切除瘤體。為最大程度暴露并切除腫瘤，減少周圍血管、神經及臟器損傷，手術方案的選擇尤為關鍵。本例患者術前 CT 血管造影檢查示右側髂總、髂外、髂內動靜脈均被腫塊推壓向外前方移位，進一步通過三維重建模型明確了腫瘤與重要神經、血管的毗鄰關系，并模擬手術切除腫瘤，以指導臨床實際操作，有效避免了重要結構的損傷。另外腫瘤切除后，無匹配的假體，通過 3-D 打印制備個性化腰椎假體行半椎體置換[4]，達到完美匹配。
3.2 AR 技術應用
我院應用的AR技術是基于三維自動化骨重建技術算法的自動化三維建模技術，根據影像數據進行邊緣檢測，獲取模型表面的三維坐標，采用表面搜索算法提取表面特征點，用三角形法生成表面三維網格模型，渲染生成三維模型。重建的軟組織可透明化，術中術者能明確骨周圍軟組織情況。將該系統用于脊柱腫瘤手術過程中，轉變了傳統的充分暴露腫瘤及周圍組織，直接將腫瘤及周圍組織的三維解剖疊加于手術視野上。利用特制的 AR 眼鏡作為跟蹤工具和導航屏幕，將術前分割、規劃的手術方案和術中腫瘤信息疊加至現實手術場景中，解決了傳統手術導航系統中導航信息與手術場景相分離的問題，使手術過程更簡便、直觀，縮短了手術時間，既能高效、準確地分離腫瘤，又能保護周圍重要血管、神經及臟器。但 AR 技術的虛實空間配準交互融合、三維圖像配準、視覺定位與跟蹤、路徑規劃等關鍵技術問題還需要進一步研發[5]。
增強現實（augmented reality，AR）技術是通過電腦技術，將真實環境和虛擬物體實時地疊加至同一個畫面空間，其在醫學領域具有廣闊應用前景[1]。3-D 打印技術屬于快速成型技術，目前已有用于打印金屬植入物或組織模型并植入人體內的報道[2-3]。但目前有關將 AR 技術與 3-D 打印技術聯合用于臨床的報道極少。2017 年 3 月，我們采用 AR 輔助下切除椎旁巨大腫瘤，并聯合 3-D 打印技術輔助半椎體置換成功治療椎旁巨大神經鞘膜瘤 1 例。報告如下。
1 病例介紹
患者 男，66 歲。因查體時發現右下腹部占位 4 d 入院。檢查右下腹部有一拳頭大小包塊，無下肢麻木及放射痛。盆腔 CT 增強掃描顯示，脊柱腰骶部右側旁盆腔內見一 8.9 cm×7.8 cm×7.6 cm 大小的不均勻明顯強化腫塊，相鄰 L5、S1 椎體骨質破壞，破壞骨質邊緣呈壓跡狀輕度硬化，腫塊推壓對應右側輸尿管前移，右腎盂輕度擴張積水；CT 血管造影顯示，右側髂總、髂外、髂內動靜脈均被腫塊推壓向外前方移位，右髂內、外靜脈受壓明顯變細；腰骶尾椎 MRI 顯示，腫塊呈稍長 T1、長 T2 混雜信號，彌散加權像呈不均勻高信號，腫塊部分內側緣與 L5、S1 椎間孔關系密切。超聲引導下經皮穿刺行病理檢查考慮為神經鞘膜瘤。術前利用 Mimics 軟件處理 CT 掃描數據，模擬手術切除腫瘤，并設計 L5、S1 椎體模型，然后將椎體模型數據導入 3-D 金屬打印機，采用鈦合金（Ti6AL4V）按照 1∶1 比例打印實體椎體。見圖 1。
全麻后，患者先取截石位，在膀胱鏡下行右側輸尿管置管術以保護輸尿管；再更換為仰臥位，右臀部墊高，術者佩戴導入了術前重建 AR 影像的 Hololens 眼鏡后手術。取右下腹倒“八”字切口，長約 15 cm，依次切開皮膚、皮下及腹橫肌，保護并向左側推開腹膜，顯露腫物，利用 Hololens 眼鏡所虛擬的圖像與現實相疊加，精準定位腫瘤和周圍血管、神經的關系，顯示腫物呈卵圓形，大小約 11 cm×9 cm×6 cm，質硬，表面光滑，與周圍軟組織及 L5、S1 椎體右側粘連明顯，髂內動脈、髂外動脈、髂靜脈及右側輸尿管受推壓并移位；仔細分離腫物，結扎并切斷腫瘤供血動靜脈，保護并牽開髂內動脈、髂外動脈、髂靜脈及右側輸尿管，見腫瘤蒂位于右側 L5 神經根鞘膜，仔細分離并保護正常的 L5 神經根，清除與周圍組織的粘連，以咬骨鉗及刮匙去除瘤體至正常骨質，檢查術區并仔細止血，安裝術前打印的鈦合金椎體，擰入數枚鎖定螺釘固定。
2 結果
本例患者手術順利完成，手術時間 245 min，術中出血量約 1 200 mL。術后病理檢查結果示：（腹膜后脊柱旁）神經鞘瘤，細胞生長活躍，體積 11 cm×9 cm×6 cm。免疫組織化學檢查示：S-100（+）、CD34（–）、SMA（–）、Des（–）、CD117（–）、Ki-67（–）、CK（–）、CD99（+）、NF（–）。術后 6 個月隨訪，患者生活質量明顯提高，疼痛視覺模擬評分（VAS）由術前 5 分降至 2 分；X 線片及 CT 復查示鈦金屬椎體呈部分骨性融合，位置良好，無斷裂、脫出，椎體無塌陷。見圖 2。
圖1
術前 MRI 檢查及 Mimics 軟件重建腫瘤三維模型、 設計椎體假體模型
圖2
術后 6 個月正側位 X 線片及腰椎功能
3 討論
3.1 3-D 打印技術應用
脊柱原發骨腫瘤相對少見，手術切除是最佳治療方法。但由于脊柱特殊的解剖結構，傳統手術方式難以徹底切除瘤體。為最大程度暴露并切除腫瘤，減少周圍血管、神經及臟器損傷，手術方案的選擇尤為關鍵。本例患者術前 CT 血管造影檢查示右側髂總、髂外、髂內動靜脈均被腫塊推壓向外前方移位，進一步通過三維重建模型明確了腫瘤與重要神經、血管的毗鄰關系，并模擬手術切除腫瘤，以指導臨床實際操作，有效避免了重要結構的損傷。另外腫瘤切除后，無匹配的假體，通過 3-D 打印制備個性化腰椎假體行半椎體置換[4]，達到完美匹配。
3.2 AR 技術應用
我院應用的AR技術是基于三維自動化骨重建技術算法的自動化三維建模技術，根據影像數據進行邊緣檢測，獲取模型表面的三維坐標，采用表面搜索算法提取表面特征點，用三角形法生成表面三維網格模型，渲染生成三維模型。重建的軟組織可透明化，術中術者能明確骨周圍軟組織情況。將該系統用于脊柱腫瘤手術過程中，轉變了傳統的充分暴露腫瘤及周圍組織，直接將腫瘤及周圍組織的三維解剖疊加于手術視野上。利用特制的 AR 眼鏡作為跟蹤工具和導航屏幕，將術前分割、規劃的手術方案和術中腫瘤信息疊加至現實手術場景中，解決了傳統手術導航系統中導航信息與手術場景相分離的問題，使手術過程更簡便、直觀，縮短了手術時間，既能高效、準確地分離腫瘤，又能保護周圍重要血管、神經及臟器。但 AR 技術的虛實空間配準交互融合、三維圖像配準、視覺定位與跟蹤、路徑規劃等關鍵技術問題還需要進一步研發[5]。
