基于光学追踪与3D Slicer的简化导航系统在经皮腰椎椎间孔穿刺中的动物模型研究

本研究针对经皮椎间孔镜椎间盘切除术（PTED）中传统透视引导穿刺技术依赖经验、辐射暴露高的问题，开发了一种基于光学追踪器和开源3D Slicer软件的简化光学导航系统。通过山羊腰椎模型实验证实，该系统显著提升穿刺准确性（首次成功率79.17%），减少穿刺尝试次数（1.21±0.51 vs 5.13±1.19）和透视频率（3.63±0.77 vs 12.88±2.29次），为临床提供了一种低成本、高精度的穿刺导航解决方案。

　　

腰椎疾病微创治疗领域长期面临一个技术痛点：经皮椎间孔镜椎间盘切除术（Percutaneous Transforminal Endoscopic Discectomy, PTED）的关键穿刺步骤高度依赖术者经验。传统C臂透视引导下"盲穿"不仅学习曲线陡峭，还需反复调整穿刺轨迹，导致患者和医护暴露于大量辐射。更棘手的是，现有商业化光学导航系统虽能提升精度，却因设备昂贵（单台常超百万元）、操作复杂难以普及。这一矛盾在基层医院尤为突出，制约了PTED技术的下沉应用。

针对这一临床困境，扬州大学医学院附属兴化市人民医院骨科团队独辟蹊径，将价值仅数万元的光学追踪器与免费开源的3D Slicer软件整合，构建了一套"平民化"导航系统。研究人员通过8具新鲜山羊腰椎标本的对照实验证明，这套"土炮"系统的穿刺精度不输高端设备——导航组首次穿刺成功率高达79.17%，5次偏差案例中针尖与椎间孔的误差也仅在毫米级。更令人振奋的是，与传统透视组相比，导航组将平均穿刺次数从5.13次锐减至1.21次，透视频率更是从12.88次降至3.63次，相当于减少71.8%的辐射暴露。这项突破性研究发表在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》，为基层医院开展精准穿刺提供了切实可行的技术路径。

研究团队采用四大核心技术构建该系统：首先利用近红外光学追踪器（IME AP-STD-200）实现0.12mm精度的器械动态捕捉；其次通过3D Slicer完成腰椎CT影像的三维重建和虚拟穿刺路径规划；再借助OpenIGTLink协议建立硬件-软件数据通道；最后采用"三点注册法"（TipToTool-ToolToReference-ReferenceToRas）统一器械、标本与影像的坐标系统。实验选用山羊腰椎标本模拟临床场景，通过双侧L2/3-L4/5椎间孔穿刺对照验证系统效能。

导航系统构建

通过改装OpenIGTLink示例代码，建立包含4×4齐次矩阵的坐标转换体系。关键突破在于利用Pivot Calibration模块完成穿刺针尖端注册，配合皮肤标记点实现亚毫米级空间配准。

动物模型验证

24次导航穿刺中，19次实现"一针到位"，剩余5次经微调后均成功。透视组则普遍经历3-7次轨迹修正，且穿刺时间较导航组缩短3.66分钟，反映传统方法在操作熟练者手中仍具效率优势。

精度与稳定性

系统注册耗时约15分钟，但运行期间未出现图像延迟或漂移。图7显示导航界面能实时显示虚拟导针（蓝色）与规划轨迹（绿色）的空间关系，通过透明化皮肤模型可直接观察椎间孔结构。

这项研究证实，低成本光学导航系统可有效解决PTED穿刺的"两难困境"——既突破了对专家经验的依赖，又规避了高端设备的经济门槛。其创新价值体现在三方面：技术层面开创了开源软件+普通硬件的精准医疗新范式；临床层面使复杂穿刺技术"平民化"成为可能；卫生经济学层面显著降低了医疗辐射危害。

值得注意的是，该系统目前仍存在术前准备繁琐（需CT扫描、标记配准）、无法实时追踪柔性器械等局限。研究者建议后续开发自动化注册算法，并探索电磁导航融合方案。该成果的衍生价值更值得关注——相同技术框架可拓展至颅骨血肿穿刺、骶髂螺钉置入等刚性解剖结构手术，为基层医院开展精准介入治疗提供通用技术平台。