計(jì)算機(jī)輔助頸椎椎弓根螺釘置入?yún)?shù)的獲取

于海龍項(xiàng)良碧劉軍陳語(yǔ)曹艷

臨床研究

計(jì)算機(jī)輔助頸椎椎弓根螺釘置入?yún)?shù)的獲取

于海龍項(xiàng)良碧劉軍陳語(yǔ)曹艷

目的探討利用CT三維重建技術(shù)模擬頸椎椎弓根螺釘置入的方法，以獲得預(yù)置螺釘?shù)淖倒S定量解剖數(shù)據(jù)及置釘參數(shù)。方法將頸椎16排CT掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 8.1軟件中，進(jìn)行頸椎CT三維重建，在三維圖像上構(gòu)建一圓柱體來(lái)模擬椎弓根螺釘，并置入頸椎椎弓根內(nèi)，然后測(cè)量各項(xiàng)置釘參數(shù)。結(jié)果應(yīng)用CT三維重建技術(shù)可以獲得清晰的頸椎三維圖像，使用軟件測(cè)量功能可精確地獲取預(yù)置螺釘?shù)淖倒馄蕯?shù)據(jù)（椎弓根寬度和軸線長(zhǎng)度）和置釘參數(shù)（置釘?shù)摩两恰ⅵ陆且约爸冕敠两前踩秶＝Y(jié)論通過(guò)CT三維重建技術(shù)獲取椎弓根螺釘置入個(gè)體化三維數(shù)據(jù)，為術(shù)中實(shí)施頸椎椎弓根螺釘置入提供依據(jù)，是頸椎椎弓根螺釘置入安全性研究的一種可靠方法。

頸椎；骨螺絲；圖像處理，計(jì)算機(jī)輔助；成像，三維

椎弓根螺釘為脊柱手術(shù)提供了堅(jiān)強(qiáng)的穩(wěn)定性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于脊柱退行性病變、脊柱失穩(wěn)、腰椎滑脫癥、椎體骨折和畸形、椎管狹窄以及骨轉(zhuǎn)移瘤等脊柱疾病的治療中[1]。頸椎的椎弓根細(xì)小、走行方向復(fù)雜、個(gè)體變異大，因此頸椎椎弓根螺釘?shù)闹萌敫菀渍`傷脊髓、椎動(dòng)脈及神經(jīng)根，導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生。為了提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)頸椎椎弓螺釘置入方法安全性的尸體標(biāo)本研究[2-4]，但在不同人種、不同個(gè)體甚至同一椎體的不同側(cè)別之間，解剖結(jié)構(gòu)的差異普遍存在，因此有人認(rèn)為，依據(jù)尸體標(biāo)本而制定的頸椎椎弓根螺釘置釘技術(shù)是引起手術(shù)并發(fā)癥的原因之一。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)CT三維重建技術(shù)，建立一種可在頸椎模擬置入椎弓根螺釘?shù)那闆r下測(cè)量置釘個(gè)體化參數(shù)的方法，為術(shù)中實(shí)施頸椎椎弓根螺釘置入提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 獲取三維重建數(shù)據(jù)

對(duì)患者頸椎進(jìn)行CT掃描（美國(guó)GE MEDICAL SYSTEMS/LightSpeed16）。掃描參數(shù)：層厚3 mm，層距3 mm，球管電壓120 kV，電流148 mA，將掃描數(shù)據(jù)以Dicom形式保存。

1.2 模擬頸椎椎弓根螺釘置入

將CT的Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 8.1軟件中，選取骨組織密度值，進(jìn)行三維重建；在三維圖像上確定進(jìn)釘點(diǎn)，以紅色圓點(diǎn)標(biāo)記進(jìn)釘點(diǎn)為E點(diǎn)（參考王東來(lái)方法[2]標(biāo)記：進(jìn)釘點(diǎn)定位在C3～C6位于關(guān)節(jié)突背面外上象限的中點(diǎn)，C7位于關(guān)節(jié)突中垂線接近上關(guān)節(jié)面的下緣）；構(gòu)建一圓柱體模擬椎弓根螺釘（其直徑及長(zhǎng)度可設(shè)定），調(diào)整圓柱體軸線與標(biāo)記點(diǎn)吻合（圖1）。

1.3 測(cè)量個(gè)體化螺釘解剖數(shù)據(jù)和置入?yún)?shù)

1.3.1 椎弓根寬度 選取椎弓根最小橫徑的矢狀面，以椎弓根內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)骨的距離為寬度值（圖2）。

1.3.2 椎弓根軸線長(zhǎng)度 調(diào)整圓柱體軸線與椎弓根軸線吻合，測(cè)量以雙側(cè)進(jìn)釘點(diǎn)骨皮質(zhì)為起點(diǎn)、經(jīng)椎弓根軸線至椎體前緣皮骨質(zhì)的距離（圖3）。

1.3.3 α角測(cè)量 經(jīng)棘突、椎管、椎體中央部劃一脊椎矢狀面，測(cè)量圓柱體軸線與頸椎椎體矢狀面之間的夾角（圖4）。

1.3.4 β角測(cè)量 對(duì)圓柱體軸線與頸椎椎體上終板水平面之間的夾角進(jìn)行測(cè)量（圖5）。

1.3.5 α角安全范圍測(cè)量 設(shè)定置入螺釘?shù)闹睆綖? mm，長(zhǎng)度為25 mm，測(cè)量α角安全范圍：模擬椎弓根螺釘穿透椎弓根內(nèi)側(cè)骨壁時(shí)α角數(shù)值與模擬椎弓根螺釘穿破椎弓根或椎體外側(cè)骨壁時(shí)α角數(shù)值的差值（圖6,7）。

2 結(jié)果

將CT掃描Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 8.1軟件中，獲得清晰的頸椎三維重建圖像，可在任意角度上進(jìn)行觀察。構(gòu)建一圓柱體模擬椎弓根螺釘，在置入虛擬椎弓根螺釘情況下，測(cè)量螺釘置入釘?shù)绤?shù)，為臨床醫(yī)生實(shí)施椎弓根螺釘技術(shù)提供個(gè)體化解剖數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)以頸5椎體為例，列舉置入椎弓根螺釘?shù)母黜?xiàng)參數(shù)(表1)。

圖1 模擬頸椎椎弓根釘置入 標(biāo)記進(jìn)釘點(diǎn)（紅色圓點(diǎn)），構(gòu)建一圓柱體（黃色）模擬椎弓根螺釘，置入頸椎弓根內(nèi)

圖2 測(cè)量椎弓根寬度

圖3 測(cè)量椎弓根軸線長(zhǎng)度

圖4 測(cè)量椎弓根螺釘置入的α角

圖5 測(cè)量椎弓根螺釘置入的β角

圖6 測(cè)量椎弓根螺釘穿透內(nèi)側(cè)椎弓根管壁的α角值

圖7 測(cè)量椎弓根螺釘穿透外側(cè)椎弓根管壁的α角值

表1 頸5椎體雙側(cè)椎弓根解剖數(shù)據(jù)及置釘參數(shù)

3 討論

經(jīng)頸椎椎弓根螺釘固定技術(shù)在生物力學(xué)穩(wěn)定性上明顯優(yōu)于其它頸椎固定方法，在頸椎多節(jié)段固定時(shí)，椎弓根螺釘?shù)目古まD(zhuǎn)和抗伸展穩(wěn)定性尤佳。Jones等[3]比較了頸椎椎弓根螺釘和頸椎側(cè)塊螺釘?shù)陌纬隽Γ罢呙黠@大于后者，同時(shí)經(jīng)頸椎椎弓根螺釘固定的扭轉(zhuǎn)破壞力矩和前屈破壞力最大，穩(wěn)定性最強(qiáng)。因此，經(jīng)頸椎椎弓根螺釘固定技術(shù)適用于各種原因?qū)е碌膰?yán)重頸椎失穩(wěn)的穩(wěn)定性重建及畸形的矯正。

準(zhǔn)確地應(yīng)用椎弓根螺釘技術(shù)，要掌握不同節(jié)段脊柱三維空間的解剖特點(diǎn)及生理彎曲，掌握每一椎弓根進(jìn)入的α角及β角。椎弓根螺釘置入有3個(gè)基本要點(diǎn)，首先是定位，其次是定向（進(jìn)釘?shù)姆较?，包括測(cè)量α角和β角，最后是置入深度?；谧倒慕馄侍匦裕萌肼葆敱仨毼挥谌S空間中惟一的一個(gè)正確通道上，即按照正確的α角及β角，沿著椎弓根的長(zhǎng)軸穿過(guò)椎弓根這一狹小的骨性管道，也正是這個(gè)惟一性導(dǎo)致了手術(shù)的操作難度。為了提高椎弓根螺釘技術(shù)的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)及進(jìn)釘方向進(jìn)行了較多的探討[2,4]。而近年來(lái)對(duì)椎弓根的深入研究使醫(yī)師們認(rèn)識(shí)到，椎弓根自身較大的變異性是不良置釘率居高不下最重要的原因之一。Panjabi等[5]通過(guò)對(duì)椎弓根三維形態(tài)及斷面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，椎弓根無(wú)論在外形、方向還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)上均有很大的變異性，不同個(gè)體、不同節(jié)段甚至同一節(jié)段的不同側(cè)別都存在解剖結(jié)構(gòu)上的差異。因此有學(xué)者指出這種依賴(lài)尸體標(biāo)本形態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)而制定的置釘技術(shù)可能是引起血管、神經(jīng)損傷的直接原因。有鑒于此，我們認(rèn)為椎弓根螺釘置入應(yīng)遵循個(gè)體化的原則，而術(shù)前三維CT測(cè)量能夠很好地滿足這一需要。眾所周知，CT三維重建的運(yùn)用對(duì)于復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)如頭頸、脊柱、骨盆、四肢的精確評(píng)價(jià)有著確切的作用[6,7]，但是仍然難以解決模擬椎弓根螺釘通過(guò)椎弓根的實(shí)際情況，以及在考慮椎弓根螺釘直徑的同時(shí)測(cè)量α角安全范圍等問(wèn)題。Mimics軟件提供了強(qiáng)大的三維重建功能，可以將原始的CT掃描圖像疊加，選取骨組織密度值，剔除軟組織影，重建冠狀面、矢狀面、水平面圖像及三維立體圖像[8]，并在三維立體圖像上進(jìn)行置釘定位及定向，空間立體感強(qiáng)，便于手術(shù)醫(yī)師掌握精確的空間定位，有助于置釘成功率的提高。

術(shù)中計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用可明顯提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性。Merloz等[9]比較了52例胸腰椎椎弓根經(jīng)驗(yàn)性徒手置釘與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)置釘?shù)膶?duì)照結(jié)果，術(shù)后CT顯示經(jīng)驗(yàn)性徒手置釘?shù)淖倒┢坡矢哌_(dá)42%，而計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)置釘?shù)淖倒┢坡手挥?%。但計(jì)算機(jī)三維導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格昂貴，難以普及，且存在一些缺點(diǎn)：（1）患者CT資料只能在術(shù)前獲取，如術(shù)中體位變化明顯，則虛擬三維圖像不能真實(shí)反映三維關(guān)系，有誤導(dǎo)手術(shù)的可能。（2）目前尚無(wú)適用于頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定的專(zhuān)用導(dǎo)航智能工具，且術(shù)中鉆探椎弓根通道時(shí)，頸椎活動(dòng)度常較大，導(dǎo)致置釘準(zhǔn)確性降低。Abumi等[10]報(bào)道了180例行徒手頸椎椎弓根內(nèi)固定的病人，僅有6.7%穿透椎弓根皮質(zhì)，由此證明，只要對(duì)置釘參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，術(shù)中謹(jǐn)慎操作，就可以有效地減少頸椎椎弓根螺釘置入并發(fā)癥的發(fā)生。

頸椎椎弓根螺釘技術(shù)因頸椎椎弓根變異較大，臨近解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)僅少數(shù)醫(yī)院得以成功開(kāi)展。而利用計(jì)算機(jī)模擬椎弓根螺釘技術(shù)，能夠真實(shí)準(zhǔn)確地觀察和測(cè)量椎弓根螺釘在椎體內(nèi)的情況，獲取個(gè)體化解剖數(shù)據(jù)，為臨床應(yīng)用椎弓根螺釘技術(shù)提供指導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)頸椎椎弓根螺釘安全置釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了研究，在以后的臨床實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)一步地對(duì)比其與傳統(tǒng)置釘方法在置釘安全性方面的差異，以期通過(guò)研究推廣頸椎椎弓根螺釘技術(shù)的臨床應(yīng)用。

1 Gaines RW Jr.The use of pedicle-screw internal fixation for the operative treatment of spinal disorders[J].J Bone Joint Surg Am,2000,82-A(10):1458-1476.

2 王東來(lái),唐天駟,黃土中,等.下頸椎椎弓根固定的解剖學(xué)研究與臨床應(yīng)用[J].中華骨科雜志,1998,18(11):659-662.

3 Jones EL,Heller JG,Silcox DH,et al.Cervical pedicle screws versus lateral mass screws. Anatomic feasibility and biomechanical comparison[J].Spine,1997,22(9):977-982.

4 Abumi K,Itoh H,Taneichi H,et al.Transpediclar screw fixation for traumatic lesions of the middle and lower cervical spine:description of the techniques and preliminary report[J]. J Spinal Discord,1994,7(1):19-28.

5 Panjabi MM,O'Holleran JD,Crisco JJ 3rd,et al.Complexity of the thoracic spine pedicle anatomy[J].Euro Spine J,1997,6 (1):19-24.

6 蔡靖宇,朱慶生.不同影像學(xué)方法對(duì)肱骨近端移位骨折分型的價(jià)值[J].中華放射學(xué)雜志,2004,38(2):192-196.

7 Hasegawa K,Homma T.Morphologic evaluation and surgical simulation of ossification of the posterior longitudinal ligament using helical computed tomography with three-dimensional and multiplanar reconstruction[J].Spine,1997,22(5):537-543.

8 于海龍,雷偉,朱錦宇,等.三維CT重建模擬三種腰椎椎弓根螺釘置入方法的安全性分析[J].中國(guó)脊柱脊髓雜志,2005,15 (10):606-608.

9 Merloz P,Tonetti J,Pittet L,et al.Pedicle screw placement using image guided techniques[J].Clin Orthop Relat Res, 1998,354:39-48.

10 Abumi K,Shono Y,Ito H,et al.Complications of pedicle screw fixation in reconstructive surgery of the cervical spine [J].Spine,2000,25(8):962-969.

（本文編輯 陳娜）

Calculating parameters for inserting pedicle screws in cervical vertebrae with CT three-dimensionaltechnique

YU Hai-long,XIANG Liang-bi,LIU Jun,CHEN Yu,CAO Yan.Department of Orthopaedics,General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China

XIANG Liang-bi

Objective To calculate 3D anatomic parameters of inserting pedicle screws in the cervical vertebrae by mimicking the process of inserting pedicle screws in cervical vertebrae with the CT three-dimensional reconstruction.Methods The Dicom data that calculated from scanning cervical vertebrae with 16 light-speed spiral CT were converted to Mimics 8.1 software and reconstructed into 3D cervical vertebrae.The parameters of inserting cervical pedicle screws were measured with consideration to the diameter of pedicle screw.Results The cervical 3D images were reconstructed clearly with CT three-dimensional technique.Cervical pedicle anatomic data including width and axial length were definitely measured by the software.Parameters of inserting pedicle screw such as α and β angles,and the associated,safe range of α angle were gained at the same time. Conclusions CT three-dimensional technique can be used to mimic the operation and to measure 3D anatomic parameters of cervical vertebrae.This method allows for safe insertion of the cervical pedicle screw.

Cervical vertebrae;Bone screws;Image processing,computer-assisted;Imaging,three-dimensional

R687.32,R813.3

A

1674-666X(2009)02-0084-04

10.3969/j.issn.1674-666X.2009.02.002

110016沈陽(yáng)，解放軍沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院骨科

項(xiàng)良碧