數(shù)字技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用臨床數(shù)字骨科（二）

王智運，尹慶水，夏 虹，吳增暉，陸 聲，王建華，萬 磊

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數(shù)字技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用臨床數(shù)字骨科（二）

王智運，尹慶水，夏 虹，吳增暉，陸 聲，王建華，萬 磊

數(shù)字骨科學(xué)；脊柱外科

計算機重建技術(shù)、數(shù)字化影像學(xué)處理技術(shù)、三維（three-dimensional，3D）仿真虛擬技術(shù)、計算機輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）與計算機輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）技術(shù)、人體骨骼快速建模和快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)、計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)、機器人輔助手術(shù)技術(shù)等數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，為骨科疾病臨床診斷的準確及時、臨床治療的精確有效以及醫(yī)療質(zhì)量和安全的保障提高提供了強有力的技術(shù)支持，也為相關(guān)的療效預(yù)測和基礎(chǔ)研究開拓了新天地。作為骨科領(lǐng)域中所涉及解剖結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的脊柱外科，尤其受益于數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展?，F(xiàn)將脊柱外科領(lǐng)域運用的主要數(shù)字技術(shù)介紹如下。

1 數(shù)字技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用

1.1 術(shù)前影像學(xué)圖形處理和三維建模技術(shù)

在傳統(tǒng)的脊柱外科診療過程中，臨床醫(yī)師主要通過術(shù)前X線片、二維CT及MRI對患者病情進行判斷。但由于脊柱本身解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之各種疾病導(dǎo)致的畸形、骨折、脫位、結(jié)構(gòu)破壞等各種因素，使得臨床醫(yī)師對該類疾病的術(shù)前判斷缺乏較為明確直觀的了解。對于復(fù)雜脊柱傷病而言，建立患處的三維重建模型，可以使術(shù)者在術(shù)前即形成較為立體的概念，有助于了解和掌握患處的立體結(jié)構(gòu)和細節(jié)（圖1），并依此制定手術(shù)策略，明確手術(shù)的具體方案，從而使術(shù)者能在手術(shù)設(shè)計時更大限度地提高復(fù)位和固定效果，有效保護術(shù)區(qū)周圍的重要組織和器官，降低手術(shù)風險。

在整個脊柱外科手術(shù)中，上頸段解剖關(guān)系最為復(fù)雜，毗鄰的重要神經(jīng)、血管最多，因此，以往曾被視為“手術(shù)禁區(qū)”。對于嚴重的顱頸交界區(qū)畸形，寰樞椎骨折、脫位等疾患，既往對術(shù)前脫位程度、畸形程度以及瘢痕、骨痂位置的影像學(xué)評估難以對脫位、畸形和脊髓受壓程度有明確直觀的了解，其手術(shù)操作的準確性和安全性令人堪虞。而在CT掃描的基礎(chǔ)上進行三維建模，不僅可以提供較為全面、直觀、立體的骨骼和血管的大體情況，還可以使術(shù)者在計算機上通過各個角度和不同層面來側(cè)面觀察局部的細節(jié)情況，為實現(xiàn)該區(qū)復(fù)雜傷病數(shù)字化精準手術(shù)的實施提供良好的參考依據(jù)（圖2，3）。

圖1 脊柱的三維重建與X線片比照結(jié)果

對于目前脊柱外科的熱點問題——脊柱側(cè)彎和后凸畸形來說，由于屬于冠狀面、矢狀面和水平面的三維立體畸形，單純的X線片、CT或MRI均無法清晰顯示脊柱側(cè)彎的三維畸形。運用全脊柱三維建模技術(shù)可以輔助術(shù)者正確了解和掌握脊柱畸形的立體結(jié)構(gòu)和細節(jié)，進而指導(dǎo)手術(shù)策略的制定，對提高矯形手術(shù)成功率、避免術(shù)中并發(fā)癥具有非常重要的意義。

圖2 對患兒頸椎掃描數(shù)據(jù)進行三維重建

圖3 Hangman骨折的三維重建模型 3A側(cè)面觀 3B下面觀

1.2 術(shù)前手術(shù)規(guī)劃及模擬手術(shù)技術(shù)

計算機輔助手術(shù)規(guī)劃是指根據(jù)術(shù)前獲取的醫(yī)學(xué)圖像建立患體的三維模型，利用計算機技術(shù)進行手術(shù)方案的思考和仿真，是目前計算機技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)結(jié)合最為密切的研究領(lǐng)域之一。具體的手術(shù)規(guī)劃包括：在三維模型上對患體進行尺寸、面積和體積測量；確定手術(shù)路徑、組織的切割與移位；確定組織間、組織與手術(shù)器械間的位置關(guān)系等，在此基礎(chǔ)上制定手術(shù)方案，并利用后續(xù)的個性化醫(yī)療輔具或術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)，使臨床中該手術(shù)方案得以精確完整地實現(xiàn)。

對復(fù)雜的脊柱畸形個體進行三維建模之后，通過對3D模型進行旋轉(zhuǎn)、平移等操作，結(jié)合觀察軸位、冠狀位及矢狀位二維圖像，可以方便地從任意角度和方向觀察脊柱畸形的立體情況并測量相關(guān)數(shù)據(jù)（包括側(cè)凸、后凸、旋轉(zhuǎn)畸形的程度、范圍以及包含的節(jié)段；各椎體及附件的相鄰關(guān)系、形態(tài)；椎弓根的橫徑、矢狀徑；與脊柱相鄰的骨性結(jié)構(gòu)如胸廓、骨盆的毗鄰關(guān)系和變形情況等），同時可以更全面、清晰地了解脊柱畸形的整體和細節(jié)，從而有助于確定矯形融合節(jié)段、選擇合適長度和直徑的椎弓根螺釘以及判斷椎弓根螺釘?shù)倪M釘點、角度和方向等（圖4，5）。

圖4 在計算機上模擬寰樞椎的進釘點和進釘通道

圖5 椎弓根的橫徑和矢狀徑測量

以往脊柱矯形截骨的設(shè)計往往采用制作紙樣的原始方式來進行，通過在紙樣上進行裁剪來決定手術(shù)截骨的節(jié)段及截骨塊的大小，這種費時費力的方式目前已被計算機模擬手術(shù)技術(shù)所替代。在脊柱三維模型建立成功后，可以在計算機上進行虛擬截骨手術(shù)，包括確定截骨平面和截骨角度等步驟，可即時獲知截骨的效果圖樣，并可在計算機上隨意更改、調(diào)整直至獲得術(shù)者及患者均滿意的效果圖樣，并依此進行手術(shù)，以獲得滿意的實際效果（圖6）。

1.3 CAD-RP技術(shù)

CAD-RP技術(shù)是在人體解剖結(jié)構(gòu)三維建模的基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)處理軟件轉(zhuǎn)換生成數(shù)控加工命令，并將加工材料層層固化或堆積，并經(jīng)激光燒結(jié)，疊加生成實物的三維CAD模型，最后制造出1∶1的人體骨骼立體實物模件。

經(jīng)過三維建模后的脊柱解剖信息始終只是存留于電腦中的數(shù)據(jù)，而CAD-RP技術(shù)可以實現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)的實體化，將深不可及、形狀復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)以實物模型的方式再現(xiàn)于臨床醫(yī)師面前。在脊柱外科領(lǐng)域，CAD-RP技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）術(shù)者根據(jù)模型可以更加形象地認識患者骨骼結(jié)構(gòu)的空間特征，準確直觀地了解脊柱畸形、脫位的各種信息，方便進行手術(shù)設(shè)計，模擬置釘操作等；（2）可以在實物模型上進行置釘?shù)仁中g(shù)預(yù)操作，減少并發(fā)癥的發(fā)生（圖7～9）；（3）制作模型與病變脊柱的形態(tài)、尺寸完全吻合，因此可將模型帶入手術(shù)室，為術(shù)中操作提供參考；（4）便于和患者及其家屬進行良好有效的溝通，改善醫(yī)患關(guān)系。

1.4 數(shù)字化置釘導(dǎo)向模板技術(shù)

圖6 計算機輔助下進行手術(shù)截骨設(shè)計手術(shù)方案，并預(yù)計矯形手術(shù)后的效果

數(shù)字化置釘導(dǎo)向模板技術(shù)是在獲得脊柱三維建模的基礎(chǔ)上，利用計算機設(shè)計出用于術(shù)中置釘?shù)膶?dǎo)向模板，并采用RP技術(shù)將其打印成為實體的方法。該技術(shù)制造出的模板能契合患者的骨性結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)術(shù)者準確置入螺釘，較之傳統(tǒng)的眼-手配合的置釘方法具有操作簡便、定位精確的優(yōu)勢。以UG Imageware軟件為例，具體方法是：首先在Amira 3.1平臺上重建脊柱的數(shù)字解剖表面模型；然后應(yīng)用Imageware軟件對數(shù)字模型進行定量分析與設(shè)計，根據(jù)最大螺釘通道半徑大小和螺釘規(guī)格選擇合適螺釘，得到該方向椎弓根通道及其最大螺釘通道在椎板的定位區(qū)、進釘軸范圍及最佳中心軸；最后利用RP技術(shù)將模型和模板的實物模型同時制作出來（圖10）。制作成功后先在體外將模板和椎體貼合，進行模擬置釘操作，在證實模板導(dǎo)向的準確性后，將模板消毒以備術(shù)中輔助置釘之用。

圖7 顱脊交界區(qū)三維數(shù)字化模型實物

圖8 模擬C2椎弓根螺釘?shù)倪M釘操作

圖9 脊柱側(cè)凸的3D模型、RP模型以及術(shù)前的模擬置釘

圖10 個體化導(dǎo)航模板的擬合與制作 10A螺釘最佳進釘通道和反向模板的擬合 10B計算機輔助設(shè)計的個體化導(dǎo)航模板 10C在三維重建模型上觀察定位導(dǎo)向孔與椎弓根對應(yīng)的準確性 10D采用RP技術(shù)制作出的個體化導(dǎo)航模板

具體而言，對于復(fù)雜的寰樞椎脫位，設(shè)計并制作椎弓根置釘導(dǎo)向模板，在手術(shù)中可直接應(yīng)用置釘導(dǎo)向模板鉆孔（圖11），使復(fù)雜手術(shù)簡單化、精確化，保證了手術(shù)的安全性和有效性。對于置釘難度較高的胸椎手術(shù)來說，采用數(shù)字化導(dǎo)向模板技術(shù)輔助置釘，準確率高，操作簡單安全，消毒方便；同時，單椎體設(shè)計的模板不會因術(shù)中體位變化、相鄰椎體間發(fā)生相對移動而導(dǎo)致定位失敗。

1.5 計算機輔助脊柱外科手術(shù)技術(shù)

計算機輔助脊柱手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)（computer aided spine surgery navigation system，CASSNS）是一種利用圖像信息結(jié)合和立體定位系統(tǒng)對人體肌肉骨骼解剖結(jié)構(gòu)進行顯示和定位，并將重構(gòu)的三維圖像與手術(shù)器械跟蹤技術(shù)相結(jié)合而組成的脊柱外科手術(shù)規(guī)劃、仿真和導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖11 手術(shù)中應(yīng)用置釘導(dǎo)向模板鉆孔

近10年來，隨著微創(chuàng)脊柱外科概念的普及以及脊柱內(nèi)窺鏡技術(shù)臨床應(yīng)用的日益廣泛，使得“脊柱手術(shù)微創(chuàng)化是脊柱外科發(fā)展方向之一”這一觀念逐步取得脊柱外科醫(yī)師的共識。而在追求盡量減少脊柱結(jié)構(gòu)的顯露、保留結(jié)構(gòu)完整性的同時，如何保證內(nèi)植物的準確制導(dǎo)就成為了關(guān)鍵問題。CASSNS的出現(xiàn)為脊柱微創(chuàng)外科的發(fā)展開辟了新天地，高精度的導(dǎo)航條件為術(shù)者提供圖像清晰、多維可視、瞬時實效、低輻射損害的內(nèi)固定操作指引，使術(shù)者非常清晰地了解目前的操作狀態(tài)以及下一步的定位；術(shù)者還可以在導(dǎo)航系統(tǒng)的幫助下，觀察傳統(tǒng)術(shù)野不可能顯露的部位，從而實現(xiàn)在微術(shù)野或零術(shù)野條件下脊柱內(nèi)植物的準確置入，為脊柱畸形矯正、上頸椎手術(shù)和椎體成形術(shù)等對精確度要求較高的復(fù)雜脊柱外科手術(shù)提供幫助（圖12，13）。由此可見，CASSNS的應(yīng)用不僅大大拓展手術(shù)治療范圍，還使臨床醫(yī)師可以嘗試開展一些以往用傳統(tǒng)定位手段難以操作、甚至無法完成的復(fù)雜手術(shù)。

圖12 導(dǎo)航引導(dǎo)下模擬椎弓根釘進釘?shù)穆窂脚c方向

圖13導(dǎo)航下置入螺釘?shù)膶嶋H影像與虛擬路徑的匹配圖

2 典型病例

2.1 典型病例1重度顱底凹陷

男性患者，26歲，因“摔傷致四肢乏力、行走不穩(wěn)9年”入院。術(shù)前CT示重度顱底凹陷，齒突進入枕骨大孔（圖14A），MRI示脊髓腹側(cè)受壓明顯，小腦扁桃體下疝伴脊髓空洞（圖14B）。入院診斷：顱底凹陷癥，Chiari畸形（Ⅰ型）。術(shù)前應(yīng)用CAD-RP技術(shù)制作顱脊交界區(qū)模型實體（圖14C），在模型上模擬經(jīng)口前路C2關(guān)節(jié)突螺釘進釘（圖14D）。完善檢查，于全麻下行經(jīng)口前路齒突切除、經(jīng)口寰樞椎復(fù)位鋼板（transoral atlantoaxial reduction plate，TARP）復(fù)位植骨內(nèi)固定術(shù)。術(shù)后CT顯示，按術(shù)前設(shè)計的經(jīng)口前路C2關(guān)節(jié)突螺釘位置良好（圖14E），齒突完整切除（圖14F）；MRI示脊髓腹側(cè)受壓完全解除，腦干脊髓角恢復(fù)正常，脊髓空洞縮?。▓D14G）。術(shù)后康復(fù)出院。

2.2 典型病例2兒童齒狀突發(fā)育不良伴寰樞關(guān)節(jié)脫位

男性患兒，6歲，行走不穩(wěn)3年，摔倒后加重2個月入院。入院后行頸椎X線片和CT檢查，提示寰樞椎前脫位。CT、MRI檢查提示頸脊髓有明顯壓迫（圖15A，15B）。入院診斷：（1）先天性游離齒突伴寰樞椎脫位；（2）頸脊髓壓迫伴四肢不全癱；（3）先天性寰椎后弓發(fā)育不良。術(shù)前將CT掃描的DICOM格式數(shù)據(jù)輸入工作站，在Mimics軟件上建立三維仿真模型（圖15C～15E），在此基礎(chǔ)上進行TARP的選擇與匹配；建立虛擬釘?shù)?，測量釘?shù)篱L度等數(shù)據(jù)，以供術(shù)中參考；最后用RP技術(shù)打印出等比例的數(shù)字立體模型，供術(shù)前手術(shù)模擬及術(shù)中比照。

圖14 顱底凹陷癥手術(shù)前后圖片 14A術(shù)前CT示齒突進入枕骨大孔 14B術(shù)前MRI示脊髓空洞，小腦扁桃體下疝，腦干脊髓角變小，脊髓腹側(cè)受壓 14C，14D模擬經(jīng)口前路C2關(guān)節(jié)突螺釘?shù)倪M釘 14E，14F術(shù)后CT掃描示C2關(guān)節(jié)突螺釘位置良好、齒突切除完整 14G術(shù)后MRI示脊髓受壓解除，腦干脊髓角恢復(fù)正常，脊髓空洞縮小

手術(shù)時患兒取仰臥位，經(jīng)鼻腔氣管插管，并插入胃管。取咽后壁正中切口，將寰樞椎前方的軟組織做徹底松解（圖15F），用高速磨鉆打磨兩側(cè)的側(cè)塊關(guān)節(jié)，制造粗糙骨面；根據(jù)術(shù)前測量提供的數(shù)據(jù)選擇1枚合適的TARP，將其與等比例模型比照（圖15G），然后進行寰椎側(cè)塊螺釘釘?shù)罍蕚洌惭b固定鋼板；采用TARP復(fù)位鉗對脫位的寰樞椎進行復(fù)位，透視下觀察復(fù)位滿意后置釘，遂進行植骨。術(shù)后X線片及MRI顯示內(nèi)固定良好，效果滿意（圖15H，15J）。

圖15 齒突發(fā)育不良伴寰樞關(guān)節(jié)脫位患兒手術(shù)前后圖片 15A，15B術(shù)前CT、MRI示頸脊髓有明顯壓迫 15C～15E在Mimics軟件上建立三維仿真模型 15F，15G 術(shù)中徹底松解，利用術(shù)前RP實物模型進行術(shù)中比照 15H～15J術(shù)后X線片及MRI示內(nèi)固定位置良好，效果滿意

R68，R323.4

A

1674-666X(2011)03-0230-07

2011-08-15；

2011-09-03）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2011.03.016

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院脊柱外科

E-mail：dragon201@126.com