数字骨科技术在骨质疏松性椎体压缩骨折诊断与治疗中的应用

2023-09-03    点击量:4615 我要说

来源:《中华创伤杂志》2023年7月第39卷第7期

通信作者:贺宝荣 西安交通大学附属红会医院脊柱外科

摘要

骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)发病率逐年上升,表现为胸腰背部疼痛、后凸畸形及活动受限,严重降低患者生活质量并缩短预期寿命。OVCF常由轻微暴力导致,起病隐匿,常规检查存在较高漏诊率。

目前,经皮椎体成形术(PVP)和经皮椎体后凸成形术(PKP)是OVCF的有效治疗手段,但术后常发生骨水泥渗漏、椎体再骨折等并发症。数字骨科技术是计算机数字技术与骨科临床相结合的一门新兴交叉学科,作为一种全新的骨科临床应用技术,因其个体化、精准化、微创化等优势,在脊柱外科研究及临床应用中不断推陈出新,正处于高续航、高通量的快速发展阶段。

为此,笔者概述当前数字骨科技术在OVCF中的应用情况,为实现OVCF的快速精准诊断及制订合理治疗方案提供参考。

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骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fractures,OVCF)发病率逐年上升,主要表现为胸腰背部疼痛、后凸畸形及活动受限,严重降低患者生活质量甚至危及生命[1]。经皮椎体成形术(PVP)和经皮椎体后凸成形术(PKP)凭借其创伤小、恢复快、疼痛缓解明显等优势,已成为 OVCF的常规治疗措施[2-4]。但随着PVP和PKP广泛应用于临床,骨水泥渗漏、椎体再骨折等并发症的报道也屡见不鲜[5-6]。

目前,PVP/PKP手术主要依赖于术中C形臂X线机的反复透视,不断调整穿刺针角度及方向,以确保手术穿刺的精准性,降低手术风险及并发症发生率[7]。同时,由于OVCF发病复杂性,需综合考虑患者自身状况、骨折类型及骨质疏松程度等问题。

而数字骨科技术作为一种全新的骨科临床应用技术在国内外取得了显著研究进展,以其个性化、智能化、精准化等优势广泛应用于脊柱外科疾病的诊断与治疗[8]。为此,笔者概述当前数字骨科技术在OVCF诊疗中的应用情况,为实现OVCF的快速精准诊断及制订合理治疗方案提供参考。

1 OVCF与数字骨科技术

据统计,全世界50岁以上人群中每22s就发生1例OVCF,但只有约1/3的OVCF被临床关注[9]。在我国,每年新增 OVCF患者约181万例,且大多数为老年患者,其中胸腰椎OVCF占比高达90%,严重降低患者生活质量并缩短预期寿命[10]。多数老年人轻微外伤后未给予重视,延误了治疗时机,给家庭及社会带来沉重的医疗负担[11]。

PVP/PKP是治疗OVCF的有效手段,可即刻稳定脊柱、恢复椎体高度、矫正脊柱畸形及快速缓解疼痛,使患者早期恢复日常活动[12]。而穿刺定位作为PVP/PKP治疗OVCF的关键步骤,由于老年患者骨质疏松程度严重,术中穿刺定位失误可造成椎弓根皮质破裂、骨水泥渗漏至椎间盘、椎旁组织及椎管造成脊髓或神经损伤[5]。

因此,OVCF的早期精准诊断与合理治疗对于改善预后尤为重要。数字骨科技术是计算机科学与骨科学相结合的一门新兴交叉学科,涉及机械工程学、人体解剖学、立体几何学、生物力学、材料学、电子学、信息学等众多领域[8]。通过运用数字骨科技术,可为OVCF患者早期做出明确诊断、制订最佳手术方案及展开个性化治疗提供辅助。

数字骨科理念与学科的建立,开辟了OVCF新的研究领域与技术方向,有利于数字骨科技术的快速发展与广泛应用。目前各类新型数字骨科技术在OVCF诊疗中的应用主要包括:人工智能(AI)技术、计算机辅助导航技术、3D 打印技术、手术机器人技术及混合现实(MR)技术等方面。

2 数字骨科技术在OVCF诊疗中的应用

2.1 AI技术

OVCF精准诊断及尽早进行风险评估对改善预后至关重要,而AI基于大数据和图像识别技术在诊断OVCF、鉴别恶性椎体压缩骨折(MVCF)、预测术后新发OVCF及相关并发症等方面发挥重要作用。主要包括:

(1)诊断OVCF

根据郝定均等[13]急性症状性骨质疏松性胸腰椎骨折(ASOTLF)分型,对于X线片及CT未见明显压缩,仅MRI提示特征性改变的Ⅰ型 ASOTLF(隐匿性),由于老年人本身易出现腰腿疼症状,临床诊断极易出现漏诊。

研究结果表明,基于X线片[14-16]、CT[17]或MRI[18-20]的卷积神经网络(CNN)图像识别算法在早期识别OVCF具有较高灵敏度、特异度和准确性。而基于骨纹理分析(BTA)并结合机器学习(ML)算法的CT在识别Ⅰ型ASOTLF方面具有较高诊断效能[21]。

此外,通过主动学习可减少机器学习CNN所需的成本和时间[22]。因此,基于影像学图像的AI在OVCF精准辅助诊断方面,其效能高于人工阅片,有较大的临床转化潜力和价值。

(2)鉴别MVCF

脊柱是恶性肿瘤骨转移的常见部位,虽然常规MRI已能够区分OVCF和MVCF,但对于合并骨质疏松或慢性损伤的MVCF,由于外观重叠,单纯MRI仍很难做出准确诊断[23]。

研究结果表明,在使用相同MRI图像时,使用CNN深度学习模型在鉴别OVCF和MCVF上更具优势[24-26]。此外,CT可提供骨完整性和骨折边缘的详细形态信息,但在合并良性疾病时却无法准确区分。而使用ResNet50深度计算机学习网络进行CT图像上良恶性椎体骨折的鉴别,其准确性、灵敏度、特异度分别高达88%、95%、80%[26]。

但笔者认为,其仅限于脊柱转移瘤所致骨折,对其他肿瘤造成的骨折缺乏适用性,未来应开发更为广泛的AI模型。因此,可以将多模态ML算法整合到临床决策工具中,以增加诊断准确性、降低误诊率并减少临床资源浪费。

(3)预测术后新发OVCF

通过有监督的人工神经网络(ANNs)算法,在X线片上使用有限元分析得出的骨应变指数(BSI),其值越高,越有助于识别较高风险的OVCF患者[27]。相较于传统Logistics回归,ANNs具有更高的灵敏度,在预测新发OVCF中应用前景广阔[28]。

(4)预测术后并发症

可视化列线图能准确预测PKP/PVP术后骨水泥渗漏和新发OVCF,帮助临床医师制订合理化、个性化的手术方案[29]。同时,ML 算法显示随机森林决策树(RF)的受试者工作特征(ROC)曲线下面积(AUC)为89. 8%,基于RF模型的网页计算器对骨水泥渗漏发生有很好的预测效能[30]。

因此,AI技术应用于临床显著降低了OVCF的误诊率,明显提升诊断的准确性,在降低术后相关并发症方面优势显著。其不断学习和自我完善的特点可为临床医师提供方便、行之有效的智能化服务,通过模拟医师的临床思维来制订相应治疗方案,使得自动化骨科机器人成为可能。

2.2 计算机辅助导航技术

计算机辅助导航技术在OVCF中的应用是通过数字化扫描技术(C形臂X线机光电导航、O形臂3D导航及MRI电磁示踪引导等)将影像学信息经媒介传输到计算机工作站,经高速运算重建出伤椎3D模型结构并模拟手术操作,旨在提高手术准确性和可重复性。主要包括:

(1)C形臂X线机光电导航

光电导航是以影像学技术为基础,通过立体定位和虚拟成像技术实时显示手术器械和局部解剖结构的空间关系,在OVCF治疗中能提高靶点穿刺成功率、减少椎弓根损伤、使骨水泥的分布满意[31]。但也有学者发现,光电导航虽在穿刺过程完全取代了C形臂X线机,但会出现图像漂移问题,且在骨水泥推注过程中仍缺乏理想的非X线监测方法[32]。

笔者认为,现阶段由于光电导航操作简便、价格适中,随着设备操作的熟练提升,这种图像漂移问题带来的影响会逐渐降低。

(2)O形臂3D导航

目前,在上胸椎[33]、中胸椎[34]、下胸椎及腰椎OVCF[35]中使用O形臂3D导航辅助穿刺均安全有效,明显提高了手术操作精准度,缩短穿刺及手术时间,减少辐射暴露。因此,O形臂3D导航较传统C形臂二维导航更具临床应用价值[36]。但笔者认为,O型臂3D导航仍需额外切口来固定参考架,在一定程度上违背了微创理念。虽然有学者尝试用新型固定在皮肤表面的无创参考框架来解决额外切口问题,但其有效性还有待验证,且O型臂的高成本也在一定程度上限制了其推广[36]。

(3)MRI电磁示踪引导

有研究结果表明,MRI电磁示踪引导并叠加独立增强现实(AR)技术治疗胸腰椎OVCF,准确性高,可作为X线及CT为主要引导技术的补充[37]。笔者认为,MRI对骨质结构显影不清,且需专用防磁操作器械和手术室,成本高,其适用性有待进一步研究。因此,计算机辅助导航技术虽仍存在术中导航注册和操作误差、数据采集过程繁杂、导航技术学习曲度冗长等缺点,但随着术中影像设备成像技术的提高,使用计算机辅助导航技术会变得更为简单,使得OVCF手术更为精准化和微创化。

2.3 3D打印技术

3D打印技术是一种快速成形技术,通过获取目标靶位的电子信息和数据,构建成立体的3D 模型,是术前手术规划和模拟的重要工具[38]。在OVCF个体化及精准化治疗过程中发挥重要作用,其应用主要包括制作模型指导术前规划、制作术中3D打印经皮导板及3D有限元数字模型等。主要包括:

(1)3D打印制作模型

对于椎体压缩超过2/3的重度OVCF,常规PVP/PKP存在穿刺困难、手术时间长、骨水泥渗漏率高等并发症。通过3D打印伤椎实体模型,术前可充分研究伤椎的骨折形态及压缩程度,制订个体化穿刺路线以辅助术中操作,显著提高手术精确性,减少术中辐射暴露次数和骨水泥渗漏发生率,同时缩短手术时间,临床疗效确切[39]。

此外,将3D打印与虚拟现实(VR)技术结合应用于OVCF经皮椎弓根穿刺教学,可强化理论知识,提升临床实践技能,具有更好的教学满意度[40]。

(2)3D打印经皮导板

传统3D打印导板的定位需将参考基固定于棘突根部,这对OVCF的微创治疗增加了额外的手术切口。3D打印经皮导板基于患者术前CT影像学资料重建出伤椎的3D图像,并在软件内模拟穿刺,然后通过测量上述数据在真实手术中进行辅助,可制订个体化、精准化的穿刺方案,提高手术安全性[41]。

对于合并复杂脊柱畸形或非连续多节段OVCF,使用3D打印经皮导板能显著降低OVCF椎弓根穿刺的透视次数并缩短手术时间[42]。然而,由于皮肤柔软容易因体位变化且皮肤表面标志在CT上无法呈现,传统3D打印经皮导板也存在定位不准确等缺点。

目前,有学者通过主动注册定位结合解剖标志定位的3D打印体表导板辅助椎体成形治疗OVCF,可有效优化手术流程、缩短手术时间、减少射线暴露、提高手术成功率、降低并发症发生率[43]。同时,由于椎体发育存在个体差异,要想实现精准穿刺,术前详细的手术规划不可或缺。

研究结果表明,术前利用数字化模型测量双侧髂后上棘到伤椎椎弓根水平的距离,术中可凭此相对固定的距离确定伤椎水平,进而确定伤椎椎弓根的体表投影,极大提高穿刺精准性、缩短手术时间、减少透视次数,手术疗效更佳[44]。

(3)3D有限元数字模型

数字化3D重建技术有效避免了传统3D打印技术成本高、原材料稀缺及生物打印的伦理问题等诸多限制。有学者术前建立3D有限元模型模拟穿刺入路,取得较好的临床效果,这种新型的术前数字化设计辅助技术可增加穿刺的准确性和减少相关并发症,缩短手术时间及术中X线机透视时间[45]。

目前,3D打印技术仍受到成本高、流程复杂、打印材料稀缺、扫描精度较低及生物伦理问题等因素限制。但笔者认为,随着各学科的共同发展,3D打印技术让手术更微创安全,将贯穿于OVCF个体化模型制作、手术方案规划、术中导航等各个环节,为临床医师提供更多便利,应用前景将会更加广阔。

2.4 手术机器人技术

随着脊柱外科手术机器人技术在脊柱畸形、椎间盘退变、脊柱肿瘤等疾病中的广泛应用,为避免PVP/PKP术中穿刺不精准对患者造成的损伤,手术机器人技术也开始应用于OVCF的治疗,并取得初步的效果[46]。主要包括:

(1)治疗上胸椎OVCF

T1~T4椎体和椎弓根均很细小,周围解剖结构复杂,肱骨头和肩胛骨的遮挡显著增大了穿刺的难度和风险。此外,由于上胸椎椎管细小、脊髓周围代偿空间少,即使少量骨水泥渗漏也会引起严重并发症。因此,如何安全精准地进行穿刺是该术式的难点。

郑博隆等[49]使用骨科手术机器人辅助治疗上胸椎OVCF的临床疗效满意,可克服传统X线机透视下难以清晰辨认解剖结构的劣势,按照术前计划精准置入穿刺针,有效避免了周围神经血管的损伤,显著缩短手术时间,并降低骨水泥渗漏发生率。

(2)治疗骶骨功能不全骨折(SIF)

SIF是由骨质疏松引起的骶骨应力性骨折,经常导致严重的骶骨、腰部、臀部、腹股沟及下肢疼痛[48]。虽然经皮骶骨成形术(PSP)可用于治疗SIF,但在传统C形臂X线机或CT引导下进行的PSP易导致骨水泥注射部位不佳及渗漏风险显著增加[49]。

杨小彬等[50]使用脊柱手术机器人辅助PSP治疗SIF,根据术前计划自动定位穿刺通道,可精准注射骨水泥于骨折靶区,手术安全、高效,临床疗效满意。

(3)治疗多节段胸腰椎OVCF

常见于严重骨质疏松及多发性骨髓瘤患者,易引起严重腰背痛,增加残疾和死亡风险[51]

。研究结果表明,PVPI期手术治疗椎体数>3个与手术椎体数≤3个的急性多节段老年OVCF患者,在早期缓解疼痛、改善运动功能、提高生活质量方面具有同等优势[3]。但多个椎体穿刺所带来的副损伤、反复透视等也引起关注。

既往多项研究结果表明,使用“天玑”骨科手术机器人辅助PKP治疗多节段胸腰椎OVCF不但提高穿刺精确度,降低术中放射暴露,还避免反复调整穿刺针的位置和角度,从而减少穿刺损伤,获得满意的骨水泥弥散分布[51-52]。

(4)治疗单节段胸腰椎OVCF

机器人辅助PKP/PVP治疗单节段胸腰椎OVCF安全有效,应用前景广阔[53-55]。也有研究结果表明,使用机器人辅助PKP治疗OVCF穿刺准确率不随着手术例数增加而变化,但手术时间、机器人手术时间随着手术病例数的增加而减少[56]。

笔者认为,目前脊柱手术机器人在OVCF中主要用于术前精准制订穿刺路径,虽在降低术中辐射暴露和并发症发生率方面优势显著,但仍未真正实现自动化和智能化。未来骨科机器人发展应在计算机辅助导航技术引导下与AI技术、3D打印技术及MR技术进行优势整合,促进脊柱微创新术式的建立。

2.5 MR技术

MR是在VR基础上,将真实世界与3D虚拟图像在同一视觉空间中进行实时叠加。MR具有真实与虚拟世界相结合、实时交互性和精确匹配的特点,可将全息实时数字内容添加到真实空间中,为术者带来可视化导航[46]。在MR辅助下采用PVP/PKP治疗OVCF是新的有效的临床诊疗模式,可协助精准穿刺,在脊柱微创个性化治疗中具有发展潜力[57]。

研究结果表明,MR辅助PKP治疗OVCF定位效果满意,可有效缩短或减少手术时间和术中C形臂X线机透视次数,骨水泥弥散满意,有效预防椎体再塌陷[58]。此外,术前通过CT对伤椎解剖参数进行精确测量,并基于MR建立3D数字模型,不仅有助于加强医患沟通并提供合适手术方案,还有助于解决医患双方信息不对称等问题[58]。

虽然MR受虚拟3D模型影像学参数的限制,会影响与真实空间的精确匹配而出现误差,但笔者认为,随着MR技术的日渐成熟,其在OVCF的术前讨论、手术方案制订、医患沟通等方面将为临床诊疗模式带来革命性改变,不仅提高OVCF治愈率,也促进医院数字骨科技术的发展。同时,MR技术将与其他数字骨科技术一同推进新时代医学的创新,为OVCF的微创治疗提供新的发展前景。

3 总结与展望

数字骨科技术是现代骨科学的发展趋势,将使OVCF的诊疗方式逐渐趋向个性化、微创化、精准化与智能化。

AI在辅助诊断和临床预测中的应用已逐渐改变了传统疾病的诊疗模式,增加了诊断的精确性,显著降低疾病的漏诊率及误诊率。现有的各种导航技术虽已较为成熟,但各有缺点,微创化、无辐射、多模态导航是未来研究的方向。

3D打印用于指导术前规划的模型和术中导航的模板,不仅获得更好临床效果,也加速了个体化医疗进程。

手术机器人技术是多学科交叉的结果,作为精准医疗的应用典范,必将成为未来骨科主要发展方向之一。

MR技术与导航和机器人技术完美结合将成为脊柱外科发展的新方向。目前数字骨科技术还处于发展的初级阶段,其在OVCF中的应用仍存在以下不足:

(1)应用成本高,未广泛普及,操作复杂,学习曲线较长;

(2)缺乏多中心、大样本的临床应用研究,其优势未能量化;

(3)在OVCF中的应用缺乏统一的共识指南和临床标准。

但随着数字骨科技术的基础理论普及、技术创新性发展、临床操作规范制订,其在OVCF诊疗领域的应用必将越来越广泛,各种数字骨科技术的整合也将更好地推动中国数字医学及脊柱外科的发展。

参考文献:


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