數(shù)字化技術(shù)在脊柱后凸截骨矯形術(shù)中的應(yīng)用

王東海(綜述)，霍洪軍(審校)

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，呼和浩特 010030;2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院胸腰椎脊柱外科，呼和浩特 010030)

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數(shù)字化技術(shù)在脊柱后凸截骨矯形術(shù)中的應(yīng)用

王東海1△(綜述)，霍洪軍2※(審校)

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，呼和浩特 010030;2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院胸腰椎脊柱外科，呼和浩特 010030)

20 世紀(jì)末，數(shù)字化醫(yī)學(xué)開始興起，并迅猛發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于疾病的診斷與治療。隨著疾病診療中精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化、個體化理念的形成，作為骨科領(lǐng)域中涉及解剖結(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。脊柱后凸的截骨矯形治療一直被公認(rèn)為脊柱外科的難點，數(shù)字化技術(shù)在脊柱后凸截骨矯形術(shù)中的手術(shù)設(shè)計、風(fēng)險評估及預(yù)后判斷等方面應(yīng)用前景廣泛?，F(xiàn)將數(shù)字化技術(shù)在脊柱后凸截骨矯形術(shù)中的應(yīng)用綜述如下。

1數(shù)字化與脊柱后凸及截骨矯形術(shù)的概述

1.1數(shù)字化醫(yī)學(xué)、數(shù)字化骨科學(xué)數(shù)字化，就是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼，引入計算機(jī)內(nèi)部，然后進(jìn)行統(tǒng)一處理。20世紀(jì)后期，隨著信息技術(shù)和醫(yī)學(xué)科學(xué)的相互交叉和綜合發(fā)展，在計算機(jī)里整合人體斷面數(shù)據(jù)后重建成數(shù)字化人體三維立體結(jié)構(gòu)圖像從而構(gòu)成人體數(shù)字信息研究平臺的技術(shù)越來越成熟，一門新的學(xué)科——數(shù)字化醫(yī)學(xué)逐漸興起，并成為一項世界前沿性研究[1]。Pomero等[2]研究表明，數(shù)字化醫(yī)學(xué)已廣泛用于疾病的診斷以及外科手術(shù)方案的選擇?；跀?shù)字醫(yī)學(xué)和“數(shù)字解剖學(xué)”的發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者于2007年首次提出了“數(shù)字骨科學(xué)”的概念[3]。數(shù)字骨科學(xué)是一門以骨科為基礎(chǔ)，計算機(jī)圖像處理技術(shù)為輔助，骨科臨床與計算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合的新型數(shù)字化醫(yī)學(xué)學(xué)科。數(shù)字骨科技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像處理、三維重建與可視化技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)、計算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)、有限元分析技術(shù)(finite element analysis，F(xiàn)EA)、快速成形技術(shù)(rapid protyping，RP)、手術(shù)導(dǎo)航與機(jī)器人輔助技術(shù)等方面展示了良好的前景[4]。

1.2脊柱后凸概述脊柱后凸為脊柱畸形之一，脊柱畸形包括脊柱側(cè)凸、脊柱前凸和脊柱后凸。脊柱后凸指由各種原因引起的脊柱向后的異常凸起，使脊柱本身及其附屬組織解剖形態(tài)改變的一種疾患。重度脊柱后凸多表現(xiàn)為多平面畸形，可引起脊椎前后柱結(jié)構(gòu)廣泛僵硬，發(fā)生脊柱三維畸形，導(dǎo)致脊柱的穩(wěn)定性嚴(yán)重失衡，可影響美觀以及脊柱和心肺的功能，導(dǎo)致疼痛、自卑心理等嚴(yán)重伴發(fā)癥狀，最終出現(xiàn)遲發(fā)型癱瘓，嚴(yán)重影響患者的生活、生存質(zhì)量。

1.2.1分類可分為非固定性畸形與固定性畸形。非固定性畸形，如姿勢性駝背，因肌肉力弱所致后凸或代償腰前凸加大的胸后凸畸形；固定性畸形：休門病、強(qiáng)直性脊柱炎(最多見)、老年性骨質(zhì)疏松等所致后凸、先天性后方半椎體以及結(jié)核或創(chuàng)傷等所致畸形。

1.2.2治療脊柱后凸的非手術(shù)治療：①全身療法，包括全身支持療法和病因治療；②局部療法，采取有效方法預(yù)防脊柱后凸畸形的發(fā)生和發(fā)展，如改良Risser石膏背心矯形，此法原來用于矯正脊柱側(cè)彎，但若將合頁放在背側(cè)，而腹側(cè)做楔形截除，則可使軀干逐漸伸直，可用來矯正脊柱后凸。脊柱后凸的手術(shù)治療：脊柱后凸截骨矯形術(shù)并非病因治療，所以術(shù)前必須治療原發(fā)病，患者病情平穩(wěn)、畸形固定后方可行手術(shù)治療。

1.3脊柱后凸截骨矯形術(shù)脊柱后凸，尤其是Cobb角>75°的重度脊柱后凸畸形，多須進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。Rajasekaran等[5]認(rèn)為，脊柱三柱截骨矯形手術(shù)治療脊柱后凸畸形可取得較好的療效；Kuklo等[6]提出，涉及脊柱前、中、后柱的三柱截骨術(shù)式可達(dá)到冠狀面矯形、矢狀面恢復(fù)生理曲度以及軸位消除旋轉(zhuǎn)的目的，手術(shù)效果較好。臨床中使用的三柱截骨手術(shù)方式主要有以下4種[7]。①經(jīng)椎弓根楔形截骨(pedicle subtraction osteotomy，PSO)的技術(shù)較為成熟，因而目前在國內(nèi)應(yīng)用較廣泛。脊柱矢狀面失平衡10～12 cm，并伴有尖銳的甚至角狀后凸的部分節(jié)段性脊柱融合患者是其最佳適應(yīng)證。②全脊椎截骨術(shù)(vertebral column resection，VCR)與單純后路脊椎截骨術(shù)(posterior vertebral column resection，PVCR)。傳統(tǒng)的VCR采用前后路聯(lián)合術(shù)式完全切除畸形變的椎體，按需重建前柱，可同時矯正冠狀面和矢狀面畸形。VCR的適應(yīng)證：胸椎的角狀后凸；1型冠狀面失衡的先天性后凸；矢狀面失衡伴2型冠狀面失衡；腰5椎體重度滑脫、半椎體。2002年，有學(xué)者在VCR的基礎(chǔ)上提出了PVCR，單純后路縮短了手術(shù)時間、減少了術(shù)中出血，手術(shù)損傷小，且手術(shù)并發(fā)癥較VCR少[8]。Hamzaoglu等[9]報道應(yīng)用PVCR治療102例患者，術(shù)后冠狀面矯正率為62%，矢狀面平衡恢復(fù)良好。Lenke等[10]應(yīng)用PVCR治療了35例重度脊柱側(cè)后凸畸形，術(shù)中平均出血691 mL，術(shù)后平均矯正率為51%～60%。③脊柱去松質(zhì)骨截骨術(shù)(vertebral column decancellation，VCD)是在VCR的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其將PVCR、蛋殼技術(shù)以及脊柱腫瘤整體切除技術(shù)的優(yōu)點進(jìn)行了融合。VCD的適應(yīng)證與VCR類似。王巖等[11]報道了32例重度畸形患者采用VCD治療，術(shù)后矯正率為61%，僅4例出現(xiàn)并發(fā)癥。 ④后路多節(jié)段椎體截骨術(shù)(posterior multilevel vertebral osteotomy，PMVO)是一種有別于VCR的單純后路多節(jié)段椎體截骨術(shù)，其是于2009年由Suh等[12]首先提出的。Modi等[13]報道13例重度脊柱側(cè)后凸患者采用PMVO治療，術(shù)后冠狀面矯正率為54.3%，矢狀面平衡恢復(fù)良好。

2在脊柱后凸截骨矯形治療的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

正常脊柱的解剖結(jié)構(gòu)本身就很復(fù)雜，脊柱后凸畸形后，解剖結(jié)構(gòu)及其與周圍組織、臟器的毗鄰關(guān)系更是發(fā)生了較大的變化，導(dǎo)致手術(shù)的難度和風(fēng)險大大增加[14]。這就要求臨床醫(yī)師在術(shù)前對患者的椎體、椎弓根、椎管、脊髓、周圍重要器官、軟組織等各種參數(shù)有充分、詳細(xì)的了解，準(zhǔn)確掌握畸形的具體病變情況，提前做好手術(shù)計劃和準(zhǔn)備[15-16]。重度脊柱后凸多伴不同程度的側(cè)凸，畸形屬于冠狀面、矢狀面和水平面的三維立體畸形，三維重建技術(shù)能以CT和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等的影像學(xué)資料為根據(jù)，通過計算機(jī)軟件一次性掃描重建較大范圍所需脊柱的圖像資料；數(shù)字化重建病變脊柱的三維立體模型可以更直觀、準(zhǔn)確地反映脊柱后凸的三維立體結(jié)構(gòu)，幫助臨床醫(yī)師形成較為立體的概念，對脊柱后凸做出詳細(xì)的診斷，并依此制訂術(shù)前規(guī)劃[17]。應(yīng)用數(shù)字化術(shù)前規(guī)劃，虛擬截骨可以在術(shù)前直觀地顯示各個部位截骨后的矯形效果，為手術(shù)者及其團(tuán)隊選擇不同的術(shù)式方案、截骨手術(shù)的截骨平面及每個節(jié)段的截骨量提供了直觀的參考。因此，數(shù)字化在脊柱后凸畸形診療中的應(yīng)用已成為研究的熱點，臨床醫(yī)師已經(jīng)開始廣泛研究其價值[18]。

2.1Mimics交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)(materialise′s interactive medical image control system)軟件Mimics軟件是一個基于臨床醫(yī)學(xué)影像學(xué)，介于醫(yī)學(xué)與機(jī)械領(lǐng)域間的逆向工程軟件與計算機(jī)輔助設(shè)計軟件[19]。Mimics軟件具有良好的圖像編輯功能，可以顯示和分割圖像，能夠?qū)D像的象素間距、圖像層距、識別范圍等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動設(shè)置[20-21]。雖然近年來CT與MRI技術(shù)飛速發(fā)展，醫(yī)院影像中心也可以直接進(jìn)行圖像三維重建[22-23]，但其結(jié)果不能導(dǎo)入個人電腦進(jìn)行進(jìn)一步研究。只有通過Mimics軟件，CT、MRI等斷層掃描的結(jié)果才能轉(zhuǎn)換成為STL格式等多種三維軟件可以通用的數(shù)據(jù)格式[24]，才能實現(xiàn)后續(xù)的FEA、RP、CAD、CAM、虛擬現(xiàn)實以及計算機(jī)輔助外科計劃等的研究。正是因為 Mimics 軟件的這些優(yōu)勢，使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。通過Mimics軟件對三維重建得到的畸形脊柱的三維立體圖像進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等操作，并結(jié)合觀察冠狀位、軸位及矢狀位的二維圖像，可以從任意角度、任意方向以及任意平面觀察脊柱后凸畸形的病變情況，可以更直觀和準(zhǔn)確地掌握后凸、側(cè)凸、旋轉(zhuǎn)畸形的程度、范圍及包含的節(jié)段，并測量所要內(nèi)固定椎體椎弓根的直徑、方向和角度[25-26]。

2.2有限元分析有限元方法是數(shù)值計算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用[27]。Belytschko等[28]于1973年首先將有限元分析應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)研究。有限元分析是基于有限元分析軟件建立有限元模型，最常見的有限元分析軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的Ansys軟件[29]。有限元分析是數(shù)字醫(yī)學(xué)的重要組成部分，其能夠?qū)嶒灄l件進(jìn)行控制，并模擬活體下的力學(xué)情況，對患者無任何傷害。

近年來，有限元模型在結(jié)構(gòu)上加入了肌肉、韌帶、小關(guān)節(jié)等組件，使其更接近于脊柱真實的解剖結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元法分析脊柱的生物力學(xué)在一定程度上能代替生物力學(xué)實驗。因此，越來越多的基礎(chǔ)和臨床工作者開始應(yīng)用有限元來分析脊柱生理和病理過程中的應(yīng)力分布、力學(xué)變化，以此不斷改進(jìn)和優(yōu)化脊柱手術(shù)的設(shè)計方案[30]。應(yīng)用有限元對脊柱后凸畸形進(jìn)行分析，可以為臨床醫(yī)師提供全面、真實的畸形脊柱的原始資料，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，對提高矯形手術(shù)成功率、減少術(shù)中并發(fā)癥具有非常重要的意義。

2.3RPRP技術(shù)是近年來發(fā)展起來的，在人體解剖結(jié)構(gòu)三維建模的基礎(chǔ)上，綜合了計算機(jī)輔助設(shè)計、數(shù)控、激光、新材料等多門學(xué)科，應(yīng)用離散堆積成型原理，最后制造出1∶1的人體骨骼立體實物模件[31]。RP技術(shù)可以實現(xiàn)電腦三維建模后的脊柱解剖信息數(shù)據(jù)的實體化，為臨床醫(yī)師提供解剖結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的脊柱畸形的實物模型。在脊柱外科領(lǐng)域，RP技術(shù)具有以下優(yōu)點[32]：術(shù)者可以通過人體骨骼立體實物模件更加準(zhǔn)確、直觀地了解脊柱后凸的各種信息，便于臨床醫(yī)師提前進(jìn)行手術(shù)設(shè)計；在實物模型上進(jìn)行模擬置釘?shù)仁中g(shù)預(yù)操作可降低手術(shù)風(fēng)險；與病變脊柱形態(tài)、尺寸完全吻合的模型可為術(shù)中操作提供參考。

2.4術(shù)前手術(shù)規(guī)劃及模擬手術(shù)技術(shù)通過Mimics軟件對畸形脊柱進(jìn)行數(shù)字化三維建模，可以測量復(fù)雜脊柱畸形模型的尺寸、面積和體積，以此確定手術(shù)器械間與病變脊柱的位置關(guān)系，確定矯形融合節(jié)段，判斷椎弓根螺釘?shù)倪M(jìn)釘點、角度和方向，選擇合適長度和直徑的椎弓根螺釘，指導(dǎo)手術(shù)方案的制訂，精確完整地實現(xiàn)手術(shù)方案。在脊柱畸形三維模型建立成功后，可以在計算機(jī)軟件上確定截骨平面和截骨角度等步驟后虛擬截骨手術(shù)，依照獲知截骨的效果圖樣進(jìn)行手術(shù)，可獲得滿意的實際效果。通過Mimics軟件也可在同一病例上模擬不同的手術(shù)方案，比較不同方案的手術(shù)效果，為臨床選擇最佳的手術(shù)方案提供依據(jù)。

2.5計算機(jī)輔助測量脊柱畸形Cobb角Cobb角是指導(dǎo)脊柱畸形治療以及術(shù)前評估的重要指標(biāo)。脊柱畸形Cobb角測量法：頭側(cè)端椎上緣的垂線與尾側(cè)端椎下緣垂線的交角即為Cobb角。若端椎上下緣不清，可取其椎弓根上下緣的連線，然后取其垂線的交角也即為Cobb角。目前Cobb角的測量方式可以分為X線膠片測量和計算機(jī)輔助測量。國外普遍認(rèn)為，計算機(jī)輔助測量Cobb角的可靠性較好[33-35]。王儲等[36]認(rèn)為，Mimics軟件可用于數(shù)字影像學(xué)Cobb角的測量，其測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)X線膠片測量，且重復(fù)測量可使精確度提高約3°。此外，Mimics可以數(shù)字化保存測量記錄，為醫(yī)療資料的保存、回顧以及交換提供了極大的方便，較其他計算機(jī)輔助測量更有優(yōu)勢。

2.6其他應(yīng)用Berryma等[37]認(rèn)為，通過三維重建進(jìn)行術(shù)前評估可減少內(nèi)外徑偏小或形態(tài)有變異的胸椎凸側(cè)椎弓根螺釘誤入椎管內(nèi)的風(fēng)險。Kukio等[38]將畸形脊柱的三維重建圖像通過數(shù)字化技術(shù)切割后觀察其骨性結(jié)構(gòu)的改變，可以幫助確定手術(shù)需要融合的上、下端椎。三維重建技術(shù)可以在個體化、精準(zhǔn)化了解脊柱畸形椎體的同時，發(fā)現(xiàn)脊髓縱裂、脊髓空洞、脊柱裂及脊膜膨出等并發(fā)病變，進(jìn)一步完善對脊柱畸形與椎管內(nèi)脊髓、神經(jīng)關(guān)系的了解。

3展望

數(shù)字化醫(yī)學(xué)一直就是國內(nèi)外研究的前沿領(lǐng)域。個性化、精確化將會成為未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向，數(shù)字醫(yī)學(xué)必將成為這個時代的主角。脊柱后凸截骨矯形術(shù)有很高的操作難度和較大的手術(shù)風(fēng)險，數(shù)字化技術(shù)為脊柱后凸的手術(shù)設(shè)計、風(fēng)險評估及預(yù)后判斷提供了可靠的數(shù)據(jù)，是一種可行、可靠的評估方法。目前，數(shù)字化醫(yī)學(xué)技術(shù)仍處于初始階段，但關(guān)于脊柱后凸截骨矯形術(shù)的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用研究剛起步就處于飛速發(fā)展的技術(shù)革命進(jìn)程中。毫無疑問，隨著數(shù)字化與脊柱外科的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，數(shù)字化在脊柱后凸截骨矯形治療中的應(yīng)用會越來越廣泛和深入。

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摘要：脊柱后凸畸形是一類比較復(fù)雜的脊柱外科疾病，其截骨矯形治療一直被公認(rèn)為脊柱外科的難點。數(shù)字化醫(yī)學(xué)作為新興的學(xué)科和技術(shù)，發(fā)展迅速，并已在脊柱畸形的治療中得到廣泛應(yīng)用，且在不斷的完善和創(chuàng)新。在脊柱后凸截骨矯形術(shù)中應(yīng)用Mimics、有限元分析、快速成形等數(shù)字化技術(shù)可以提高手術(shù)定位的精度，減少手術(shù)并發(fā)癥，提高手術(shù)成功率。

關(guān)鍵詞：脊柱后凸；截骨矯形術(shù)；數(shù)字化；術(shù)前規(guī)劃

Application of Digital Technology in Vertebral Osteotomy of KyphosisWANGDong-hai1,HUOHong-jun2.(1.GraduateSchool,InnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010030,China； 2.DepartmentofSpineSurgery,theSecondAffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity，Hohhot010030,China)

Abstract:Kyphosis is a complicated spine disease, and its osteotomy has been recognized as a difficulty of spine surgery.Digital medicine as a new discipline and technology develops rapidly, and it has been widely used for spinal deformity with continuous improvement and innovation. In spinal deformity correction surgery,the application of Mimics,finite element analysis,rapid prototyping and other digital technology can improve the positioning accuracy, reduce the complications and improve the success rate of operation.

Key words:Digital; Kyphosis; Osteotomy; Preoperative planning

收稿日期：2014-04-30修回日期：2014-08-16編輯：辛欣

基金項目：國家自然科學(xué)基金 (81160216)；內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項目(S20131013205)

中圖分類號：R687.31
doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.022

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)05-0828-04