三維重建技術(shù)在上胸椎和頸椎椎弓根螺釘植入的臨床應(yīng)用

寧金沛，陀泳華，覃求，梁柱德，韋武，李泉，何恩謀，潘式新

(1.廣西梧州市紅十字會醫(yī)院骨一科，廣西 梧州 543200；2.廣西梧州市紅十字會醫(yī)院CT室，廣西 梧州 543200)

經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)是脊柱外科發(fā)展的重要里程碑。隨著經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)的推廣應(yīng)用，如何提高經(jīng)椎弓根內(nèi)固定的安全性和有效性是臨床醫(yī)師所關(guān)注的重要問題。尤其上胸椎和頸椎的椎弓根相對細(xì)小，周圍毗鄰脊髓、主動脈、椎動脈、肺等重要器官，且椎弓根形態(tài)在個體上的差異和椎體旋轉(zhuǎn)等因素，造成上胸椎和頸椎椎弓根螺釘植入的困難和危險性增大[1]。我科自2013年1月至11月對12 例需行椎弓根釘固定的患者術(shù)前通過Mimics三維重建技術(shù)進(jìn)行椎弓根置釘?shù)脑u估，對置釘參數(shù)和通道進(jìn)行個體化測量，并應(yīng)用于術(shù)中指導(dǎo)置釘，提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性和安全性，取得良好的效果，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組病例12 例，其中男5 例，女7 例；年齡25～74 歲，平均47 歲。臨床診斷、手術(shù)方式、植入椎弓根螺釘數(shù)見表1。

1.2 術(shù)前建模及相關(guān)數(shù)據(jù)的測量 所有病例需手術(shù)的目標(biāo)椎均行螺旋CT掃描(德國SIMENS EMOTION 16)，掃描參數(shù)：層厚3 mm，電流220 mA，電壓120 kV。掃描后CT室醫(yī)師以Dicom格式導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)并刻錄成光盤交給手術(shù)組醫(yī)師。手術(shù)組醫(yī)師用Mimics軟件對目標(biāo)椎進(jìn)行三維重建及相關(guān)數(shù)據(jù)的個體化測量，即術(shù)前椎弓根螺釘置釘通道的個體化設(shè)計。將CT的Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.1軟件，選取骨組織中密度窗，進(jìn)行目標(biāo)椎體的三維重建，觀察目標(biāo)椎體的雙側(cè)椎弓根情況。在三維圖像上確定進(jìn)針點，以紅色圓點標(biāo)記E點(參考王東來等[2]方法標(biāo)記)，構(gòu)建一圓柱體模型模擬椎弓根螺釘(其長度和直徑可設(shè)定)，調(diào)整圓柱體軸線與標(biāo)記點吻合，尋求椎弓根螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘通道。確定每枚螺釘最佳進(jìn)針通道后，利用軟件測量技術(shù)，參考龐小平等[3]方法，根據(jù)其所在位置分別測量每個椎弓根的螺釘通道長度及椎弓根寬度及高度、椎弓根軸線長度、椎弓根的α角和β角以及α角安全范圍，確定每枚植入螺釘?shù)闹睆胶烷L度(所選的椎弓根螺釘長度為螺釘最大通道長度減去5 mm，選用的螺釘直徑為椎弓根寬度的80%左右)以及螺釘在橫斷面和矢狀面的傾斜角度。

表1 12 例患者基本情況比較

寰椎椎弓根的建模及測量見圖1；樞椎椎弓根的建模及測量見圖2；下位頸椎及上位胸椎椎弓根的建模及測量見圖3(T2例示)。

1.3 個體化三維重建模型的術(shù)中應(yīng)用 患者取俯臥位，頭部置于脊柱手術(shù)架的“U”形頭架上，用膠布固定頭部及肩部，上胸椎手術(shù)時雙上肢往下牽拉固定，以便于術(shù)中透視，術(shù)前C型臂機(jī)輔助定位，標(biāo)記好目標(biāo)椎的椎弓根體表投影。常規(guī)后路手術(shù)切口，剝離兩側(cè)椎旁肌達(dá)關(guān)節(jié)突外側(cè)，充分暴露椎板、橫突后部、棘突，根據(jù)術(shù)前設(shè)計找出目標(biāo)椎的“E”點，并作為進(jìn)釘點，按術(shù)前設(shè)計的進(jìn)釘方向進(jìn)行開孔。在C1、C2椎弓根置釘過程中，采用開孔器開孔(直徑為2.0 mm)，順著設(shè)計好的進(jìn)針點和進(jìn)針方向在進(jìn)釘點鉆深約10 mm的進(jìn)針通道，過程中用C型臂X線機(jī)透視校準(zhǔn)，必要時調(diào)整進(jìn)針方向。然后使用直徑2 mm的椎弓根探子確定四壁為光滑連續(xù)的骨質(zhì)，用比植入螺釘小1 mm的絲錐攻絲，再次用球形探針確定四壁為光滑連續(xù)的骨質(zhì)，緩慢旋入術(shù)前設(shè)計好的螺釘。在下頸椎和上胸椎椎弓根置釘中用直徑為2.5 mm的開孔器開孔，其他同上述步驟，螺釘上完后用C型臂X線機(jī)驗證置釘?shù)臏?zhǔn)確性，然后按照預(yù)定方案安裝鈦棒進(jìn)行固定。

a 標(biāo)記進(jìn)針點，構(gòu)建一圓柱體虛擬椎弓根螺釘，植入C1椎弓根內(nèi) b 測定的C1椎弓根管的寬度

c 測定的C1椎弓根軸線長度 d 測定的C1的α角 e 測定的C1的β角

圖1寰椎椎弓根的建模及測量

a 標(biāo)記進(jìn)針點，構(gòu)建一圓柱體虛擬椎弓根螺釘，植入C2椎弓根內(nèi) b 測定的C2椎弓根管的寬度

c 測定的C2椎弓根軸線長度 d 測定的C2的α角 e 測定的C2的β角

圖2樞椎椎弓根的建模及測量

a 標(biāo)記進(jìn)針點，構(gòu)建一圓柱體虛擬椎弓根螺釘，植入T2椎弓根內(nèi) b 測定的T2椎弓根管的寬度

c 測定的T2椎弓根軸線長度 d 測定的T2的α角 e 測定的T2的β角

圖3下位頸椎及上位胸椎椎弓根的建模及測量

1.4 評價方法 記錄所有患者術(shù)中和術(shù)后出現(xiàn)的血管、神經(jīng)、內(nèi)臟損傷等并發(fā)癥，術(shù)后拍攝X線片及CT軸位斷層掃描，評價螺釘在椎弓根內(nèi)的位置，記錄所有穿破椎弓根壁的螺釘數(shù)目、方向及測量穿透距離。

2 結(jié) 果

CT掃描Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.1軟件，可以重建置釘目標(biāo)椎的三維圖像，圖像清晰，可在任意角度觀察。構(gòu)建一柱體模擬椎弓根螺釘，虛擬椎弓根螺釘?shù)闹踩?，可供術(shù)前設(shè)計、測量螺釘植入釘?shù)绤?shù)。

根據(jù)術(shù)前設(shè)計植入的50枚上胸椎和頸椎椎弓根螺釘中，螺釘完全在椎弓根內(nèi)為47枚，螺釘穿出椎弓根壁小于2 mm的為3枚，無椎弓根上、下方穿破的螺釘。椎弓根壁非故意穿破率為6%，置釘準(zhǔn)確率為94%；螺釘位置可接受率為100%。無一例出現(xiàn)與螺釘植入有關(guān)的血管、神經(jīng)、內(nèi)臟等并發(fā)癥。典型病例為一50 歲男性患者，樞椎齒狀突骨折，行寰樞椎椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)，手術(shù)前后影像學(xué)資料見圖4～6。

圖4 術(shù)前CT示齒狀突骨折

圖5 術(shù)后側(cè)位DR片示螺釘位置良好

3 討 論

3.1 上胸椎和頸椎椎弓根螺釘現(xiàn)有植釘方法存在的不足上胸椎和頸椎椎弓根周徑相對細(xì)小，椎弓根橫徑、水平面角及椎弓根螺釘通道等釘?shù)绤?shù)具有較大的變異，不同個體、不同節(jié)段水平顯著不同，加之周圍毗鄰脊髓、主動脈、肺、椎動脈等結(jié)構(gòu)，造成椎弓根螺釘植入困難和危險性大，尤其是在上胸椎和頸椎畸形的患者，由于同時存在椎弓根變異、椎體旋轉(zhuǎn)等因素，椎弓根釘?shù)闹踩敫哂刑魬?zhàn)性。為降低手術(shù)風(fēng)險，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種置釘方法，如局部解剖定位法、椎板開窗法、漏斗技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等[4，5]。其中，局部解剖定位法置釘成功率低；椎板開窗法置釘成功率有所提高，但關(guān)節(jié)突受力點破壞，降低了內(nèi)固定效果；漏斗技術(shù)對術(shù)者個人技能和臨床經(jīng)驗要求較高；導(dǎo)航技術(shù)增加了手術(shù)精確性，但設(shè)備昂貴，難以在基層醫(yī)院推廣。目前研究表明，各種傳統(tǒng)置釘方法具有較高的椎弓根壁穿破率和一定的螺釘位置不可接受率。國內(nèi)外多數(shù)文獻(xiàn)報道傳統(tǒng)的置釘方法，其椎弓根壁的穿破率最理想為12.5%，甚至可達(dá)72.4%[6，7]，只有少數(shù)文獻(xiàn)報道椎弓根穿破率在10%以下[8，9]，與螺釘誤置有關(guān)的神經(jīng)、血管、內(nèi)臟等并發(fā)癥的發(fā)生率也較多。目前，人們?nèi)栽趯ふ也l(fā)癥更少、置釘準(zhǔn)確率更高的方法。我科在臨床工作中亦有體會，在下胸椎或腰椎中，因其椎弓根橫徑較大，一般按解剖定位法置入椎弓根釘?shù)某晒β识己芨?，并發(fā)癥少，但在上胸椎、頸椎椎弓根置釘時有一定的誤置率。

圖6 術(shù)后CT示螺釘位置良好

3.2 三維重建技術(shù)輔助置釘?shù)目尚行?Mimics軟件提供強大的三維重建功能，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；通過Mimics三維重建的模型可以進(jìn)行任意視角的旋轉(zhuǎn)、縮放、偽彩色等處理，并可進(jìn)行透明觀察、任意切割；還能應(yīng)用模擬手術(shù)工具對脊柱三維模型進(jìn)行模擬椎弓根釘植入術(shù)，能更直觀和詳細(xì)地了解手術(shù)區(qū)域的解剖關(guān)系，可以從多個視角了解置釘位置是否準(zhǔn)確，是否有鄰近結(jié)構(gòu)的損傷。國內(nèi)外已有多個專家在這些方面作了大量的研究。李嚴(yán)兵等[10]通過三維重建得到C3～7數(shù)字模型，獲得C4椎弓根在椎板表面的最大投影邊界、安全區(qū)及其最佳中心軸入點位置，重建的圖像可以提供各椎體三維動態(tài)解剖，可以精確定位任意方向一定直徑螺釘經(jīng)椎弓根三維空間通道在椎板表面的最大投影邊界、安全區(qū)及其最佳中心軸入點位置，該方法可對任意三維重建頸椎模型進(jìn)行定位、定量分析。龐小平等[3]通過將頸椎16排CT掃描的Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件和GE后處理工作站，進(jìn)行頸椎三維重建和圖像處理，獲得清晰的頸椎三維圖像，精確地獲取預(yù)置螺釘?shù)淖倒軐挾?、軸線長度、α及β角；在頸椎椎弓根螺釘置入情況下，測量出置釘?shù)乃浇嵌劝踩秶?，獲取了椎弓根螺釘置入個體化數(shù)據(jù)。于海龍等[11]通過Mimics三維重建，在三維圖像上構(gòu)建一圓柱體來模擬椎弓根螺釘，并植入頸椎椎弓根內(nèi)，然后測量各項置釘參數(shù)，為術(shù)中實施頸椎椎弓根螺釘植入提供依據(jù)，是頸椎椎弓根置入安全性研究的一種可靠方法。于海龍等[12]通過將CT掃描的骨折的胸腰段椎體Dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，進(jìn)行傷椎的三維重建，可以清楚地觀察到傷椎骨折情況和雙側(cè)椎弓根結(jié)構(gòu)是否完整，從而決定在傷椎是否置入椎弓根短螺釘并精確測量預(yù)置的椎弓根短螺釘長度，有利于制定治療胸腰段骨折的手術(shù)方案。Murakami等[13]利用三維重建模型研究發(fā)現(xiàn)C1螺釘置入時向內(nèi)側(cè)10°成角可以避免損傷頸內(nèi)動脈。Klein等[14]創(chuàng)建了專門為進(jìn)行椎弓根螺釘置入培訓(xùn)的模擬軟件，將患者CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入建立三維重建模型，使手術(shù)醫(yī)生在模型上掌握螺釘置入的基本技術(shù)并且對復(fù)雜病例的螺釘置入進(jìn)行訓(xùn)練，熟悉患者解剖結(jié)構(gòu)和螺釘置入過程能夠避免手術(shù)危險，提高手術(shù)的安全性。

作者對需手術(shù)固定的12 例病例50個椎弓根釘術(shù)前CT薄層掃描后用Mimics軟件三維重建，參照王東來法找出目標(biāo)椎的入針點、參照龐小平法測出進(jìn)針的方向及深度，目的是使椎弓根螺釘在橫斷面、冠狀面和矢狀面圖像上，螺釘位于椎弓根的中心位置，且螺釘邊緣未穿破椎弓根的內(nèi)外皮質(zhì)。本研究通過三維重建模型輔助植入的50枚上胸椎和頸椎椎弓根螺釘中，僅有3 例穿破椎弓根壁，完全在椎弓根內(nèi)的螺釘比例為96%，全部穿破椎弓根壁的螺釘?shù)拇┢凭嚯x均小于2 mm，無與螺釘植入有關(guān)的神經(jīng)、血管、內(nèi)臟等并發(fā)癥發(fā)生，與傳統(tǒng)方法相比，明顯優(yōu)于解剖定位法和椎板開窗探查法。

因此，我們認(rèn)為Mimics三維重建技術(shù)輔助椎弓根螺釘植入具有一定的可行性，置釘準(zhǔn)確率高，螺釘可接受率高，縮短了年輕外科醫(yī)生行椎弓根植入手術(shù)的學(xué)習(xí)周期，加速年輕脊柱外科醫(yī)生的成長，值得在臨床上推廣使用。

3.3 存在不足與展望 由于使用Mimics進(jìn)行三維重建時需要熟練掌握相關(guān)計算機(jī)軟件以及具備脊柱外科專業(yè)知識，因此需進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，一定程度上制約了臨床上的推廣應(yīng)用。本研究中納入的病例數(shù)較少，我們將進(jìn)一步收集相關(guān)病例，以建立有關(guān)頸椎和上胸椎椎弓根的數(shù)據(jù)庫。下一步，我們將結(jié)合快速成型技術(shù)，制作個體化的上胸椎和頸椎的導(dǎo)航模板，并用于臨床中，進(jìn)一步提高手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性。利用計算機(jī)模擬椎弓根螺釘技術(shù)，真實準(zhǔn)確地觀察、測量椎弓根螺釘在椎體內(nèi)的情況，獲取個體化解剖數(shù)據(jù)，為臨床應(yīng)用椎弓根螺釘技術(shù)提供指導(dǎo)。

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