超声成像技术在脊柱脊髓手术中的应用进展

韩家衡,时宽容,王智权,陈 宏,李嗣宪,武云涛

(吉林大学中日联谊医院 脊柱外科,吉林 长春130033)

术中超声(Intraoperative Ultrasonography,IOUS)在脊柱脊髓手术中的应用,最早可追溯至20世纪50年代[1],DOHRMANN等[2]在1982年将实时超声用于硬膜内外肿瘤、脊髓空洞及脊髓囊肿手术中并得到了令人满意的结果。随着操作成本的降低和实用性的提高,术中超声在脊柱手术中的应用场景取得巨大进展[3]。本文就术中超声成像技术在减压、内固定、肿瘤等脊柱外科手术中的应用进展进行综述。

1 术中超声在脊髓肿瘤手术中的应用

原发性脊髓肿瘤占全部中枢神经系统肿瘤的4%～8%,可分为髓内肿瘤、髓外硬膜下肿瘤及硬膜外肿瘤[4]。尽管手术切除是脊髓肿瘤的首选治疗方式[5],但神经损伤、脑脊液漏、血管损伤等医源性并发症的风险不容小觑,近40%接受硬膜内肿瘤介入治疗的患者会出现神经损伤症状,多因难以区分椎管内肿瘤与正常组织边界所导致[6]。1978年,REID等[7]在1例颈脊髓囊性星状细胞瘤(Astrocytoma)手术中使用聚焦窄束超声观察脊髓,可见与正常组织明显的成像差异,超声在此病例中作为空气脊髓造影(air myelography)的补充存在一定使用价值。近年来,超声扫描成像清晰度的提高使更多医师选择应用这一技术,在入路过程中避开关键解剖结构,更准确地描绘和切除高风险肿瘤[8]。MOIYADI等[9]对77例脑脊髓肿瘤患者使用术中超声,并设计了“效用评分系统”来量化超声的作用,结果显示IOUS有助于识别和描述肿瘤病灶,无论是低级别的弥散性胶质瘤,还是转移瘤和高分级肿瘤。VELHO等[10]的单中心研究搜集1250例患者,比较不同疾病通过IOUS和CT/MR表现出的回声特点和病理形态,结果显示所有颅内肿瘤、脓肿及血管病变均可以通过IOUS轻松成像;在所有辅助切除肿瘤的病例中,IOUS能更好地描绘病灶与健康大脑的边界。术中超声的作用目前已达成初步共识,它能帮助术者正确定义病变的解剖特征,如囊性和实性成分、血管特征及与临近神经结构的关系[11-12];虽然图像质量存在不足,但对设备和技师的要求远低于术中CT/MR,是一种廉价而高效的替代方案[13]。

造影增强超声(Contrast-enhanced Ultrasound,CEUS)是一种利用造影剂使后散射回声增强,显著提高超声诊断的分辨力、敏感性和特异性的改良技术。VETRANO等[14]报道了1例术前增强MR提示C7、T1、T4弥漫性星状细胞瘤的患者,术中彩色多普勒超声和CEUS则显示3个髓内高度血管化病变,提示血管母细胞瘤(Hemangioblastomas),完成手术后送检的病理结果也证实了这一诊断。由于造影剂性质的差异,CEUS在诊断合并脊髓空洞或外周囊肿的髓内肿瘤时较增强MRI更具优势,另外CEUS的动态灌注成像也优于MRI的静态成像[15]。该病例中CEUS通过突出病变并描述灌注模式纠正了术前诊断,改变了手术策略,帮助术者实现了肿瘤的完全切除[14]。VETRANO等[16]报道的背神经鞘瘤(dorsal schwannoma)病例中,CEUS显示病变位于髓外,纠正了术前MRI提示髓内肿瘤的判断。DELLA PEPA等[17]在1例背侧血管外皮细胞瘤(dorsal hemangiopericytoma,HCP)的手术中使用术中超声识别肿瘤供血动脉及引流静脉,并在肿瘤大体切除后用CEUS发现一处腹侧硬脑膜肿瘤残余。超声造影提供了精确了解病变血管特征及其与脊髓关系的手段,以便有效并安全地切除肿瘤[18-19]。最新研究引入微泡和纳米粒子造影剂(Microbubbles and Nanoparticles CA),它们的纳米级尺寸使其可以绕过血管内皮细胞并在特定组织部位积聚,这将进一步提高术中图像的清晰度和精确度[20]。

现有的研究论证了术中超声及超声造影在脊柱肿瘤手术中的价值,它可以使软组织内未暴露的解剖和病理结构可视化,最大限度的减少手术暴露[21],在囊性和高度血管化的病变中观察效果甚至优于MRI[22]。虽然存在不足之处,如每次只能分析一部分病变[14]、对海绵状血管瘤的鉴别价值有限[21]、进行CEUS前必须在B超或彩色多普勒成像中准确扫描病变等。这种新技术的推广应用还需进一步探索和更多的数据支持,未来有望在更多类型的肿瘤手术中使用术中超声。

2 术中超声在椎弓根螺钉内固定中的应用

椎弓根螺钉是脊柱融合术中常用来矫正并维持脊柱结构的植入物,广泛应用于感染、外伤、退变、畸形等因素所导致脊柱不稳定的外科手术中。椎弓根螺钉置入效果良好与否,往往直接关系到手术疗效,以及患者的远期生活质量。术中超声可动态监测螺钉与椎体的相对位置,为椎弓根螺钉的安全置入提供保障。

KANTELHARDT等[23-24]分别对6具福尔马林处理过的尸体标本置入腰椎及颈椎椎弓根螺钉,在操作中使用超声探头扫描钉道并在操作后CT平扫进行对照。当未穿破皮质骨时,IOUS显示为环形的高亮回声影;穿破时显示为缺口处高亮回声影缺失,近99%的超声图像与CT扫描所得出的结论一致。该研究指出IOUS具有观察椎弓根螺钉钉道完整性的能力,妥善应用术中超声有助于及时纠正椎弓根螺钉置入过程中的偏倚,提高脊柱融合手术的安全性,经过进一步安全性与有效性验证后可作为术中CT与MRI的补充。LOU等[25]评估了3D超声在青少年特发性脊柱侧弯(Adolescent Idiopathic Scoliosis,AIS)矫形手术中的作用。他们在术前构建3D椎体模型用于术中导航,使用超声波扫描仪和运动捕捉摄影机集成的3D超声导航仪,分别从椎体的3个参数:1)中心方向;2)位置;3)运动轨迹的方向及位置进行精度测试,结果显示误差不超过2.0°±0.8°/0.5±0.5 mm,结合前期动物实验中应用超声探头连续监测进钉轨迹的成功经验[26],研究者对3D超声在脊柱侧弯手术中的应用充满信心。AIS手术矫形的要点在于改善功能和防止进展的同时降低并发症的发生率,其中与植入物相关的并发症包括螺钉松动、硬膜撕裂等[27-28]。IOUS可有效降低植入物造成神经或血管损伤的风险,这在长节段侧弯矫形术中尤为重要;3D超声导航依靠精确描绘椎体结构,能够修正术中决策,减少假关节形成、曲轴现象、近端关节后凸等不良预后结果,避免二次手术。TIAN等[29]在胸椎后纵韧带骨化症的手术中应用IOUS与3D超声导航,对于IOUS提示减压不足的患者,除常规后路减压外还进行额外的环向减压;在超声导航的引导下放置椎弓根螺钉,并使用附着导航跟踪器的磨钻切除骨化韧带,所有患者术后神经症状均恢复良好。在椎弓根螺钉的植入中,超声导航技术具有高精度和可重复性的特点,不过该模式还需后续研究,明确周围软组织对导航精度的影响。

随着超声导航系统不断更新发展,越来越多新技术被应用到脊柱内固定手术中。MA等[30]就一种基于超声辅助定位的增强现实(Augmented Reality,AR)导航系统进行试点研究。应用IOUS将术前CT图像与患者进行配准,经过摄像覆盖装置校准后,可达到将规划路径和脊柱裸眼3D图像叠加到患者身体上的效果。实验中以克氏针代替螺钉模拟置入过程,平均定位误差约为3.35 mm;平均角度误差约为2.74°,这一结果优于常规导航技术。虽然该技术距离临床应用仍有距离,但其具备手术所需的配准精度与减少辐射暴露风险的优势,未来有望发展为更便携、更精确的辅助技术。CARSON等[31]基于人工智能(Artificial Intelligence,AI)增强超声成像系统SonoVisionTM开发了图像处理与机器学习算法,以实现手术期间对关键解剖结构,比如神经系统的实时超声检测、分类和显示。他们首先对猪进行动物实验,模拟手术入路暴露相关解剖结构,术中超声对神经、腰肌、椎体和椎间盘采集图像,第一阶段使用36000张神经图像和10000张骨骼肌肉图像对AI进行分类算法的训练;第二阶段使用4800张图像测试该算法,结果显示该算法的Dice系数>80%;识别各类组织的敏感性和准确率均>95%。虽然该领域的临床研究还不充分,但统计学和盲法研究已初步证实其有效性。AI增强超声成像对于不同的组织类型具有良好的识别能力,且能识别其余成像方式无法识别的腰丛神经,这使解剖结构复杂的患者或复杂脊柱手术的风险大大降低,由于AI具有深度学习的能力,伴随着后续输入大量人体数据训练算法模型,其辨别正常和异常解剖结构的能力会不断增强。大数据时代机器学习技术的兴起,为数据的转换和处理带来了更好的技术支持,也为AI在外科手术领域的应用创造了机会。随着算法的优化和适用性的提高,符合“精准医疗”与“智能医疗”理念的人工智能技术在脊柱外科手术中存在广阔的应用前景。

3 术中超声在减压操作中的应用

椎管狭窄(spinal stenosis)是因多种原因引起椎管径线缩短,压迫硬膜囊、脊髓或神经根,造成疼痛麻木、跛行、大小便障碍的一类疾病。减压手术是当保守治疗无效时,治疗椎管狭窄的基本原则和有效方法,因此如何精准充分减压并避免并发症成为了保证手术疗效的关键[32]。去除后方阻碍超声波成像的椎板等骨组织后,术中超声扫描可以对椎管内的组织结构清晰成像,帮助术者实施精确的切除或减压。

AOYAMA等[33]就IOUS对腰椎间盘突出症患者椎间盘突出物(HDM)残余情况检测的能力进行相关研究,他们在30例后路髓核摘除术中成功使用IOUS确认神经根得到充分减压,并对残余HDM进行检测以确定是否需要进一步清除。该方法可有效降低因髓核残留导致术后症状不缓解的可能,但对极外侧间盘突出的观察情况仍需进一步研究。NOJIRI等[34]在100例侧入路腰椎手术(lateral lumbar spine surgery)中,分别应用术中B超辨别肠道、肾脏及腰肌;术中彩超确定主动脉、腰动脉及其分支。侧入路因术野限制有时会出现肠道及血管损伤等严重并发症[35],术者往往依靠熟练掌握解剖结构,并加强在术前MR上的辨认来解决这一问题。IOUS可以在不增加手术侵入性的前提下明确解剖结构,提高手术安全性,特别是当出现解剖结构不清晰或定位困难时。SEICHI等[36]对40名接受双开门椎板成形术(double-door laminoplasty)治疗后纵韧带骨化(ossification of the posterior longitudinal ligament,OPLL)引起的颈椎管狭窄症患者进行术中超声检查。他们将超声下脊髓减压后的状态分为3类:1)非接触型,减压后脊髓与OPLL分离;2)接触分离型,脊髓与OPLL随脊髓搏动间歇性接触;3)接触型,脊髓与OPLL持续接触。其中1型与2型表现为经过充分减压,对3型患者后续分析和随访证明了骨化的后纵韧带厚度>7.2mm是影响减压效果的危险因素。OPLL患者的压迫来源于脊髓前方,后路手术无法直接判断减压后脊髓与前方压迫的关系,这种局限有时会导致遗留部分神经症状,对预后造成负面影响[36]。因此,在双开门手术中使用IOUS同步监测减压效果是必要的。

马尾神经冗余(redundant nerve roots,RNRs)是一种常见于腰椎管狭窄症患者的影像学表现[37],近年来相关研究多认为RNRs是腰椎管狭窄症患者手术的负面预后指标[38]。KAWASAKI等[39]对100例腰椎管狭窄伴RNRs的患者进行后路减压手术治疗的回顾性研究,研究者在术前MR影像上明确出现RNRs的最狭窄节段,术中显露并从正中劈开棘突以获得操作空间,先在减压前于最狭窄节段处获得矢状位切片图,完成全椎板切除术后使用IOUS再次观察马尾神经在硬膜内的运动。IOUS显示进行减压前部分患者马尾神经在狭窄颅侧存在搏动;尾侧则不存在,这部分患者在完全减压后可观察到马尾神经恢复搏动,研究者将其定义为“马尾神经激活征(cauda equina activation sign)”,认为这一表现是手术中判断减压成功的标志,未出现马尾神经激活征可能代表减压不充分或节段定位错误。该研究缺少正常人与单纯腰椎管狭窄患者的术中超声图像作为对照,但IOUS对减压后马尾神经的监测能力是确定的。关于RNRs的手术治疗历来是临床医师关注的重点,过去往往需要行硬膜内探查才能确定马尾神经的状态[40],IOUS提供了无创评估减压后RNRs是否解除的能力,这对维持硬膜完整性、规划实际减压区域起到了重要辅助作用。RNRs患者在严重狭窄处往往存在椎板与硬膜的重度黏连,容易引起减压过程中对硬膜的损伤,去除表层骨性结构后IOUS可以显示下层黄韧带、脊髓被膜,脑脊液及脊髓[36],术者可据此在术中实时进行减压操作,降低损伤硬膜的风险,减少手术相关并发症。

4 总结与展望

超声成像技术在脊柱脊髓手术中拥有独特的优势区间,其简便、经济、高效的特点使它成为越来越多外科医师的选择。即便存在诸如学习曲线陡峭、图像分辨度较低、单次成像范围有限等不足之处,超声仍是最普及的一种术中实时软组织成像方式。如今三维超声、超声弹性成像等前沿技术逐步进入临床,超声与CT、MR及神经电生理监测等成熟技术的联合应用已得到广泛认可,随着材料科学与电子信息技术迅速发展,新的超声材料和处理程序会带给术中超声更稳定的操作环境和更高质量的图像。超声成像技术和脊柱外科的结合会随着人们对健康需求的提高而愈加紧密。