應(yīng)用脊椎CT個體化數(shù)據(jù)植入椎弓根螺釘器械研究

陳德路

(山東省聊城市中醫(yī)醫(yī)院， 聊城 252000)

應(yīng)用脊椎CT個體化數(shù)據(jù)植入椎弓根螺釘器械研究

陳德路

(山東省聊城市中醫(yī)醫(yī)院， 聊城 252000)

研究脊椎的CT個體化數(shù)據(jù)，研制椎弓根螺釘植入專用器械，用于椎弓根螺釘植入手術(shù)，提高植入準(zhǔn)確率，縮短手術(shù)時間。根據(jù)椎弓根螺釘植入手術(shù)過程中，需要嚴(yán)格掌握椎弓根螺釘進針點位置及水平面角和矢狀面角的要求，研制一種能夠準(zhǔn)確確定椎弓根螺釘進針點及水平面角和矢狀面角的專用器械，在CT橫截面圖像上測量椎弓根軸線與骨結(jié)構(gòu)表面的交點到棘突根部的水平距離，作為進針點左右方向位置參考，在CT矢狀面上測量椎弓根軸線與骨結(jié)構(gòu)表面的交點到橫突中線的距離，作為進針點上下方向位置參考，利用上述距離數(shù)據(jù)，結(jié)合術(shù)中暴露的上述骨結(jié)構(gòu)標(biāo)志，確定進針點位置，在CT圖像上測量每個脊椎椎弓根軸線的水平面角和矢狀面角，記錄脊椎椎弓根軸線的個體化數(shù)據(jù)，利用器械上的兩個以進針點為頂點相互垂直的量角器，指導(dǎo)椎弓根螺釘植入的水平面角和矢狀面角，快速準(zhǔn)確完成椎弓根螺釘植入手術(shù)，在成人2男2女4具尸體的第三頸椎至第一骶椎上植入 184枚鋁合金椎弓根螺釘，驗證椎弓根螺釘植入專用器械的使用效果。 結(jié)果表明，在4具尸體標(biāo)本的C3至S1脊椎上共植入了184枚椎弓根釘，進針點左右方向平均誤差是(1.4±0.3)mm，頭足方向平均誤差是(1.6±0.3)mm，椎弓根螺釘水平面角平均植入誤差是(1.8±0.5)°，矢狀面角平均植入誤差是(2.2±0.4)°，無一例椎弓根穿破或骨折。應(yīng)用脊椎的CT個體化數(shù)據(jù)，借助椎弓根螺釘植入專用器械，可以使雙側(cè)椎弓根螺釘快速、準(zhǔn)確地沿椎弓根中軸線對稱植入，具有推廣意義。

脊椎；個體化數(shù)據(jù)；椎弓根；中軸線

引言

椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱創(chuàng)傷、椎體滑脫、畸形及退變等疾患。許多學(xué)者研究了椎弓根的定量解剖、應(yīng)用影像學(xué)、電生理等并研制了多種器械和技術(shù)，如手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、個性化導(dǎo)向模板等，輔助椎弓根螺釘植入，但椎弓根骨折、穿破以及神經(jīng)損傷等并發(fā)癥仍較高[1]。為了提高椎弓根螺釘植入的速度和準(zhǔn)確率，減少并發(fā)癥發(fā)生，利用脊椎CT三維影像資料，在脊椎橫截面上精確測量椎弓根螺釘進針點與棘突根部的距離，用以確定進針點左右方向的位置，利用CT層厚和層間距計算得出進針點與橫突中線間的距離，用以確定進針點上下方向的位置，測量脊椎椎弓根軸線的個體化水平面角和矢狀面角，作為椎弓根螺釘植入的水平面角和矢狀面角，手術(shù)時利用上述骨性標(biāo)記作為辨認(rèn)標(biāo)記和手術(shù)器械固定標(biāo)記，研制成功了一種椎弓根螺釘植入專用器械，應(yīng)用該器械，可將上述測量所得椎弓根CT個體化數(shù)據(jù)準(zhǔn)確應(yīng)用到手術(shù)中，快速同步沿雙側(cè)椎弓根軸線對稱植入雙側(cè)椎弓根螺釘。

1 材料與方法

1.1椎弓根螺釘植入專用器械的組成結(jié)構(gòu)

該椎弓根螺釘植入專用器械是左右對稱結(jié)構(gòu)，可同時植入雙側(cè)椎弓根螺釘，主要由連接塊、滑塊、立柱、水平面角(transverse screw angle,TSA)標(biāo)記尺、矢狀面角(sagital screw angle,SSA)標(biāo)記尺、弧形滑塊、縱向滑塊、棘突夾、半圓形進針孔等組成，如圖1所示。

圖1 椎弓根定位針植入器械結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig.1 The machanism and structure of the vertebral pedicle puncture needle

連接塊連接左、右滑塊，右滑塊可在連接塊內(nèi)滑動和鎖止，左滑塊可在右滑塊內(nèi)滑動和鎖止，左、右滑塊上的刻度顯示的分別是左、右半圓形進針孔中心到標(biāo)記線所在垂直面的距離；左、右立柱上有刻度，可在各自的滑塊上作垂直滑動和鎖止，下端設(shè)有半圓形進針孔(用于標(biāo)記進針點)和短針狀突起(刺入骨皮質(zhì)起固定作用)；左、右水平面角標(biāo)記尺分別是以左、右半圓形進針孔為圓心的圓弧，可借助左、右緊固螺絲，方便牢固地安裝在左、右立柱頂端，其刻度線標(biāo)記的是以半圓形進針孔中心為頂點、以立柱為始邊、以半圓形進針孔中心與弧形滑塊連線為終邊的角度刻度；左、右矢狀面角標(biāo)記尺分別通過左、右弧形滑塊，垂直連接在水平面角標(biāo)記尺上，并且可在水平面角標(biāo)記尺上滑動和鎖止，矢狀面角標(biāo)記尺上的刻度線，標(biāo)記的是以半圓形進針孔中心為頂點、以半圓形進針孔中心與弧形滑塊連線為始邊、以半圓形進針孔中心與縱向滑塊連線為終邊的角度刻度；棘突夾固定在連接塊上并且標(biāo)記線將其左右均分；兩個滑塊的中軸線、兩個立柱的中軸線、兩個水平面角標(biāo)記尺的中線以及兩個半圓形進針孔的中心都在同一平面內(nèi)。

1.2椎弓根螺釘植入專用器械的原理

椎弓根螺釘植入專用器械的原理是利用現(xiàn)代化的螺旋CT薄層掃描技術(shù)，和強大的數(shù)字化圖像處理技術(shù)，個體化精確測量患者每個脊椎椎弓根的以下數(shù)據(jù)：椎弓根的橫徑、椎弓根中軸線的水平面角和矢狀面角、雙測進針點與棘突尖的橫向距離、雙測進針點與棘突根部的橫向距離、所需螺釘深度等(見圖2)，在手術(shù)中，根據(jù)所測得的以上數(shù)據(jù)，結(jié)合術(shù)中骨性標(biāo)志，利用器械上的刻度和輔助測量尺，首先確定半圓形進針孔(進針點)的橫向位置和縱向位置，準(zhǔn)確固定器械，再調(diào)整器械的弧形滑塊和縱向滑塊的位置，確定定位針的進針角度，然后根據(jù)椎弓根的橫徑和所需螺釘深度選擇合適的螺釘植入。

圖2 脊椎橫截面上測量個體化數(shù)據(jù)Fig.2 Measurement of individual data on the transverse section of vertebral

1.3椎弓根螺釘植入器械的使用方法：

1.3.1CT掃描及測量記錄個體化數(shù)據(jù)

利用螺旋CT對處理過的尸體標(biāo)本脊柱進行1 mm層厚掃描，圖像導(dǎo)入影像工作站，找出脊椎椎弓根的中心橫截面，如圖2所示。通過左、右椎弓根中心作椎弓根的中軸線并延長，把椎弓根中軸線與骨結(jié)構(gòu)表面的交點設(shè)為進針點，連接兩個進針點，通過兩個進針點作進針點連線的垂線，則所作垂線與椎弓根中軸線的夾角既是椎弓根中軸線的水平面角，測量并記錄雙側(cè)進針點與棘突尖的橫向距離(精度0.5 mm，下同)、雙側(cè)進針點與棘突根部的橫向距離、雙側(cè)椎弓根中軸線的水平面角、雙側(cè)椎弓根螺釘?shù)闹踩肷疃取㈦p側(cè)椎弓根的橫徑等數(shù)據(jù)。

在椎弓根中心所在的矢狀面上，找出椎弓根中心，如圖3所示，通過椎弓根中心作椎弓根的中軸線，把椎弓根中軸線與骨結(jié)構(gòu)表面的交點設(shè)為進針點，通過進針點作椎板連線的垂線，該垂線與椎弓根中軸線的夾角即為椎弓根中軸線的矢狀面角，測量矢狀面角的大小和進針點與椎弓根中心層面的距離并記錄。在CT圖像橫截面序列中，找出橫突中線所在層面和椎弓根中心所在層面，利用層厚和層間隔數(shù)據(jù)，計算得出兩個層面間距離，再與上述測量所得的進針點與椎弓根中心層面的距離合并計算，得出進針點與橫突中線的距離并記錄。

圖3 器械應(yīng)用時在矢狀面投影示意圖Fig.3 Projection on the vertical plane when using our instrument

1.3.2利用個體化數(shù)據(jù)和專用器械植入椎弓根螺釘

術(shù)前分別調(diào)整左、右滑塊，使雙側(cè)半圓形進針孔中心與器械標(biāo)記線的橫向距離，等于測量所得的雙側(cè)進針點與棘突尖的橫向距離(見圖4)。

圖4 器械應(yīng)用時在橫截面上投影示意圖Fig.4 Projection on the transverse plane when using our instrument

調(diào)整左、右弧形滑塊，分別使其標(biāo)記的角度與測量所得的椎弓根中軸線的水平面角相同，調(diào)整左、右縱向滑塊，分別使其標(biāo)記的角度與測量所得的椎弓根中軸線的矢狀面角相同；手術(shù)常規(guī)暴露棘突、橫突和進針點附近的骨結(jié)構(gòu)，根據(jù)器械標(biāo)記線與棘突尖在同一矢狀面、半圓形進針孔中心與棘突尖的橫向距離、半圓形進針孔中心與棘突根部的橫向距離(用圖5所示輔助測量尺上的卡尺測量)、半圓形進針孔與橫突中線的距離(用圖5所示輔助測量尺上的直角尺測量)，確定半圓形進針孔的位置，調(diào)整器械使左、右立柱垂直于椎板連線(用圖5所示輔助測量尺上的直角尺測量)，下壓器械使半圓形進針孔下面的短針狀突起刺入骨皮質(zhì)防止滑動，夾緊棘突夾固定器械，此時專用器械和脊椎結(jié)合成為一個整體，再次用輔助測量尺測量驗證器械安裝的位置是否正確，最后安裝左、右矢狀面角標(biāo)記尺，并利用左、右緊固螺絲固定牢固；左、右側(cè)定位針尖端分別置于左、右半圓形進針孔內(nèi)，定位針的針桿分別置于左、右縱向滑塊處，此時，定位針的中軸線與椎弓根的中軸線重合，按照此進針點和進針角度植入定位針，去除專用器械，拔出定位針，用擴孔絲錐擴大定位針孔，根據(jù)測量所得椎弓根螺釘所需深度和椎弓根橫徑大小， 選擇長度和直徑合適的鋁合金螺釘(利于CT顯示)并植入。

圖5 輔助測量尺Fig.5 Assistant measuring scale

1.4在尸體標(biāo)本內(nèi)植入椎弓根螺釘

該椎弓根螺釘植入專用器械研制成功后，經(jīng)過醫(yī)院技術(shù)委員會專家論證，同意利用尸體標(biāo)本進行使用效果驗證，2013年1月7日至2013年6月16日，共在成人2男2女4具尸體的第三頸椎至第一骶椎上植入184枚鋁合金椎弓根螺釘，鋁合金釘直徑3.0～6.5 mm，長度20～45 mm，自開始安裝專用器械至植入一對椎弓根螺釘止，占用手術(shù)時間最長3 min，最短2.2 min，平均用時2.6 min (圖6為器械實際應(yīng)用圖片)，所有椎弓根螺釘植入完成后，對尸體進行1 mm層厚螺旋CT掃描，在CT圖像上鋁合金螺釘顯示清晰，與椎體及椎弓根圖像對比明顯。

圖6 器械實際應(yīng)用圖Fig.6 Instant operation projection

2 結(jié)果

在成人2男2女4具尸體的第三頸椎至第一骶椎上植入184枚鋁合金椎弓根螺釘，在植入椎弓根螺釘?shù)募棺礐T橫截面圖像中，找出椎弓根中軸線所在橫截面，利用顯示的部分椎弓根和部分椎弓根螺釘，標(biāo)記出椎弓根中軸線和椎弓根螺釘中軸線，測量兩條中軸線形成的夾角即水平面傾角植入誤差，其平均誤差是(1.4±0.5)°，測量兩條中軸線與骨結(jié)構(gòu)表面交點間的橫向距離即進針點左右方向植入誤差，其平均誤差是(1.1±0.3)mm；同樣在矢狀面中測量椎弓根中軸線與椎弓根螺釘中軸線形成的夾角即矢狀面角植入誤差，其平均誤差是(2.0±0.4)°，測量兩條中軸線與骨結(jié)構(gòu)表面交點間的頭足方向距離即進針點頭足方向植入誤差，其平均誤差是(1.6±0.3)mm；椎弓根螺釘尖端與椎體骨皮質(zhì)最小距離是5 mm，無一例椎體骨皮質(zhì)穿破，椎弓根螺釘外緣與椎弓根骨皮質(zhì)外緣最小距離是1 mm，無一例椎弓根骨皮質(zhì)穿破或骨折。

3 討論和結(jié)論

人體脊椎椎弓根比較細(xì)小，周圍有脊髓、脊神經(jīng)等重要組織，為了使脊椎椎弓根螺釘堅強穩(wěn)固又不損傷周圍的重要組織，要求椎弓根螺釘沿椎弓根的中軸線植入[2]。不僅每個人的椎弓根中軸線傾角不同，同一個人的不同脊椎的椎弓根中軸線的傾角也有差別，因此，如果要植入高質(zhì)量的椎弓根螺釘，必須進行單個脊椎椎弓根中軸線的個體化測量，獲取每個椎弓根中軸線的水平面角、矢狀面角及進針點的精確位置[3]；椎弓根螺釘植入手術(shù)過程中，進針點位置的準(zhǔn)確確定是關(guān)鍵，在沒有計算機導(dǎo)航技術(shù)(也稱計算機輔助手術(shù)，computer-assisted surgery,CAS)的情況下，主要依靠手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗和技術(shù)，一旦有脊椎變異等，進針點的位置差別較大，是椎弓根螺釘植入不理想的重要原因之一，手術(shù)醫(yī)生依靠目測掌握椎弓根螺釘?shù)乃矫娼呛褪笭蠲娼堑拇笮?，使椎弓根螺釘?shù)乃矫娼呛褪笭蠲娼侵踩胝`差較大，易造成椎弓根穿破或骨折；計算機導(dǎo)航技術(shù)(CAS)可以提高椎弓根螺釘植入成功率，但存在設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、對患者體位和示蹤器固定要求高、加重患者及手術(shù)醫(yī)生的輻射損傷等缺點[4]。椎弓根螺釘個體性導(dǎo)向模板是根據(jù)脊椎CT三維圖像制作的，CT三維圖像是完全去除了脊椎周圍軟組織包括骨膜的骨骼體積，手術(shù)中需要完全剔除椎弓周圍的軟組織才能放置個體性導(dǎo)向模板，增加了手術(shù)創(chuàng)傷。

應(yīng)用椎弓根螺釘植入專用器械植入椎弓根螺釘，在術(shù)前個體化測量術(shù)中所需數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)椎弓根變形或大小異常及椎體旋轉(zhuǎn)或其他骨結(jié)構(gòu)發(fā)育畸形等， CT圖像上用于測量數(shù)據(jù)的骨性標(biāo)志如棘突、棘突根部、骨結(jié)構(gòu)表面、橫突中線等，與手術(shù)中用于辨認(rèn)的骨性標(biāo)志一致且容易暴露易于辨認(rèn)，可以簡化手術(shù)，縮小植入誤差；利用在CT圖像上測量獲得的雙側(cè)進針點與棘突根部的橫向距離、雙側(cè)進針點與棘突尖的橫向距離，來確定手術(shù)中進針點的橫向位置，利用CT圖像上進針點與橫突中線間的距離，來確定手術(shù)中進針點的縱向位置，能使進針點的橫向位置和縱向位置的精確度達(dá)到0.5 mm，可以提高進針點位置的精確度；在手術(shù)中，確定并固定專用器械的位置是關(guān)鍵步驟，根據(jù)脊椎CT個體化數(shù)據(jù)，利用器械自身固有刻度和輔助測量尺，準(zhǔn)確固定專用器械，能夠使雙側(cè)半圓形進針孔中心與CT圖像上測量時的進針點重合，雙側(cè)螺釘?shù)闹休S線與雙側(cè)椎弓根的中軸線重合；最后安裝水平面角標(biāo)記尺，可以給確認(rèn)半圓形進針孔的位置提供更大空間，利于手術(shù)中操作器械和辨認(rèn)骨性標(biāo)志。

椎弓根螺釘植入專用器械的半圓形進針孔是圓弧形水平面角標(biāo)記尺的圓心，矢狀面角標(biāo)記尺通過弧形滑塊，與矢狀面平行地連接在水平面角標(biāo)記尺上，半圓形進針孔與矢狀面角標(biāo)記尺構(gòu)成一個倒立傾斜放置的量角器，雖然是傾斜放置，其標(biāo)記的角度投射在矢狀面上大小不變，能夠準(zhǔn)確標(biāo)記出矢狀面角的大??；利用半圓形進針孔和縱向滑塊結(jié)合，可以同時標(biāo)記出椎弓根螺釘?shù)乃矫娼呛褪笭蠲娼?，指?dǎo)椎弓根螺釘按照椎弓根中軸線植入，由CT圖像實測脊椎個體化數(shù)據(jù)，決定螺釘?shù)闹睆胶椭踩肷疃雀訙?zhǔn)確可靠[5]。

此椎弓根螺釘植入專用器械，手術(shù)前進行CT掃描和所需各個數(shù)據(jù)測量，不占用手術(shù)時間，由臺上助手調(diào)整雙半圓形進針孔與標(biāo)記線間的橫向距離、雙弧形滑塊的位置和雙縱向滑塊的位置，同樣可以節(jié)約手術(shù)時間，專用器械安裝完成后，進針點固定可靠，進針角度控制穩(wěn)定，雙側(cè)定位針和螺釘可以同時植入，平均2.6 min完成一對椎弓根螺釘植入，能夠明顯縮短手術(shù)時間。

綜上所述，應(yīng)用 CT圖像所測脊椎個體化數(shù)據(jù)，借助椎弓根螺釘植入專用器械，可以快速、準(zhǔn)確地沿椎弓根中軸線對稱性植入雙側(cè)椎弓根螺釘，具有推廣意義。

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TheUsefulnessofIndividualizedSpinalCTImaginginOperationofOrthopedicFixationScrews’InsertioninVertebralPedicle

CHEN De-Lu

(TheChineseMedicineHospitalofLiaochengCity;Liaocheng252000,China)

vertebral column; individualized data; vertebral pedicle; central axis

10.3969/j.issn.0258-8021.2014.02.017

2013-07-05， 錄用日期:2013-10-26

R318

D

0258-8021(2014) 02-0252-05

*通信作者。E-mail: cdl123456789@sina.com