基于3Dslier及3dsmax的人腰椎側(cè)隱窩前后徑虛擬測量的可行性與精確性分析

王曉婷　王璐　程文

摘 要：目的 探討人腰椎側(cè)隱窩前后徑虛擬測量的可行性與精確性。方法 CT數(shù)據(jù)包括正常腰椎1例，椎間盤突出2例；腰椎干標(biāo)本（骨性+椎間盤假體）8例。在3D Slicer 4.4基于CT數(shù)據(jù)重建出虛擬模型，在3ds max中用歐氏距離測算出L1～L5側(cè)隱窩前后徑大小。利用游標(biāo)卡尺對腰椎干標(biāo)本的L1～L5側(cè)隱窩前后徑進(jìn)行測量。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行雙樣本等方差t檢驗(yàn)，得出虛擬正常腰椎與干標(biāo)本，虛擬正常腰椎與虛擬椎間盤突出病例在腰椎側(cè)隱窩前后徑上的差異。結(jié)果 正常組與病例1，病例2及干標(biāo)本組對比地，側(cè)隱窩前后徑均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）。結(jié)論 基于三維模型的虛擬測量方法在人椎間孔徑測量中有著較高的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；腰椎側(cè)隱窩；測量；歐氏距離

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.04.022

文章編號：1006-1959（2018）04-0068-03

Abstract：Objective To investigate the feasibility and accuracy of virtual measurement of anterior and posterior diameter of lateral recess of human lumbar vertebrae.Methods CT data included 1 case of normal lumbar vertebra and 2 cases of disc herniation，8 cases of Lumbar dry specimen（bony intervertebral+disc prosthesis）.In 3D Slicer 4.4，a virtual model is reconstructed based on CT data， and the size of the front and back diameter of the L1～L5 side recess is measured in the Euclidean distance in 3ds max.A vernier caliper was used to measure the L1～L5 lateral recess diameter of the lumbar spine.The data were analyzed by double sample and equal variance t test.The difference between the virtual normal lumbar and dry specimen，the virtual normal lumbar vertebrae and the virtual intervertebral disc protrusion in the lumbar lateral recess was obtained.Results There was no statistical difference between the normal group and case 1，case 2 and dry specimen group，and there was no statistical difference between the lateral recess and the anterior and posterior diameter（P>0.05）.Conclusion The virtual measurement method based on three dimensional model has high feasibility and reliability in human intervertebral aperture measurement.

Key words：Virtual reality；Lumbar lateral recess；Measurement；Euclidean distance

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱VR（Virtual Reality）技術(shù)，在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中有著較廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)[1]。腰椎側(cè)隱窩又稱側(cè)椎管，其前面為椎體后緣，后面為上關(guān)節(jié)突前面與椎板和椎弓根連結(jié)處，外面為椎弓根的內(nèi)面。內(nèi)側(cè)面為硬脊膜外緣，其入口相當(dāng)于上關(guān)節(jié)突前緣。側(cè)隱窩向外下方形成脊神經(jīng)根通道，與椎間孔相續(xù)?；谟跋駥W(xué)數(shù)據(jù)的三維可視化重建是一種無創(chuàng)的活體再現(xiàn)方法，對重建的三維模型進(jìn)行測量也是目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中研究的熱門之一。如何利用虛擬方法測量腰椎側(cè)隱窩及其可行性的研究目前主要是基于螺旋CT[2，3]，采用干標(biāo)本作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)則尚無報(bào)道。在三維重建中主要依賴于影像軟件自身。從而缺乏自主性和選擇性后處理。3D Slicer是一款開放性免費(fèi)醫(yī)學(xué)三維重建軟件，重建方法簡單，適用于學(xué)生初學(xué)。3ds max（version 2012， Autodesk Inc. USA）是一款三維建模和后處理軟件，對多邊形建模有較強(qiáng)的優(yōu)勢。本研究利用3D Slicer4.4和3ds max2012 對正常人和椎間盤突出患者腰椎CT所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和測量并利用干標(biāo)本進(jìn)行相關(guān)比對，分析虛擬測量的可行性與精確性。

1 資料與方法

1.1一般資料 正常人腰椎CT數(shù)據(jù)1例，椎間盤突出CT數(shù)據(jù)2例，由南通市中醫(yī)院影像中心提供DICOM文件。層厚1 mm，將DICOM文件導(dǎo)入3D Slicer4.4后，在編輯狀態(tài)下進(jìn)行簡單閾值分割，突出顯示椎骨部分，然后重建出第1～5腰椎，將重建的模型以STL文件保存。

1.2方法

1.2.1模型簡化 將STL文件導(dǎo)入3ds max2012后把模型切換到透視視圖，并轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，選中刪除距測量處較遠(yuǎn)的頂點(diǎn)，僅保留側(cè)隱窩及其相關(guān)部分，即對模型進(jìn)行簡化處理（該步驟也可在3D slicer中完成）。

1.2.2選取測量點(diǎn)及測量 分別在模型的下位椎體后緣及上關(guān)節(jié)突前緣選取點(diǎn)，并記錄兩點(diǎn)的坐標(biāo)a（x1，y1，z1）與b（x2，y2，z2）（見圖1），對每次記錄的兩點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行歐氏距離（公式1）測算得到側(cè)隱窩前后徑。每個(gè)側(cè)隱窩由5人分別重復(fù)測算3次后得到數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中進(jìn)行方差同質(zhì)性檢驗(yàn)，對應(yīng)的左右椎間孔徑之間進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，得到t值和P值，判斷有無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，再進(jìn)行進(jìn)一步的分析，最后得出結(jié)論。

1.4干標(biāo)本測量及數(shù)據(jù)分析 用游標(biāo)卡尺測量8例干標(biāo)本（由南通大學(xué)人體解剖學(xué)系提供）的腰椎側(cè)隱窩，測量過程由3～5人完成。對側(cè)隱窩測量的具體位置同虛擬測量（見圖1），并記錄測量結(jié)果，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得出t值和P值。

2 結(jié)果

病例1、病例2與正常人腰椎側(cè)隱窩的測量結(jié)果（圖2，單位：mm）。由表1可見，虛擬測量是穩(wěn)定的，正常人和椎間盤突出的患者之間沒有差異（P>0.05）。由表2可見，標(biāo)本2第4腰椎，標(biāo)本3第2腰椎，標(biāo)本4第3腰椎，標(biāo)本5第2，4，5腰椎，標(biāo)本6第5腰椎，標(biāo)本7第2，3腰椎，標(biāo)本8第1腰椎有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05），其余腰椎左右側(cè)隱窩間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）。

3 討論

3.1側(cè)隱窩前后徑與腰椎盤突（脫）出的關(guān)系 腰椎間盤突出多合并有側(cè)隱窩狹窄。由于盤黃間隙與側(cè)隱窩之間不存在截然界限，側(cè)隱窩后壁的上份也可有黃韌帶覆蓋，黃韌帶鈣化也會(huì)引起黃韌帶間隙的狹窄從而造成外側(cè)的側(cè)隱窩狹窄，因此，臨床上把二者的狹窄統(tǒng)稱為側(cè)隱窩狹窄。椎間盤突出時(shí)，造成椎體間隙變窄，突間關(guān)節(jié)囊松馳，椎體間微小移動(dòng)增加，使黃韌帶和后縱韌帶增厚。鈣化、發(fā)生皺折，共同形成側(cè)隱窩軟組織狹窄，而椎間關(guān)節(jié)突和椎體后緣骨質(zhì)增生，形成側(cè)隱窩骨性狹窄，由于腰椎間盤突出是側(cè)隱窩狹窄的重要原因之一，因此對于腰椎間盤突出患者常要注意檢查其是否合并側(cè)隱窩狹窄。

3.2腰椎側(cè)隱窩位置確定 側(cè)隱窩又稱側(cè)椎管，其前面為椎體后緣，后面為上關(guān)節(jié)突前面與椎板和椎弓根連結(jié)處，外面為椎弓根的內(nèi)面，內(nèi)側(cè)面為硬脊膜外緣，其入口相當(dāng)于上關(guān)節(jié)突前緣[1]。側(cè)隱窩向外下方形成脊神經(jīng)根通道，與椎間孔相續(xù)。由于側(cè)隱窩的形態(tài)不規(guī)則，其范圍界定、分部及內(nèi)側(cè)界限尚未達(dá)成共識，因此側(cè)隱窩測量位置沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從解剖學(xué)角度而言，側(cè)隱窩入口位于椎體上1/4水平[2]。有報(bào)道在上位椎體后緣與下關(guān)節(jié)突之間進(jìn)行比較，沒有對下位椎體后緣與上關(guān)節(jié)突的距離進(jìn)行比較，其測量值為（7.8±2.2）～（10.9±1.8）mm與本研究所的結(jié)果較接近[3]。本研究中，模型比較直觀，直接在下位椎體后緣及上關(guān)節(jié)突前緣選取點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

3.3虛擬測量方法的選擇 利用空間兩點(diǎn)的歐式距離進(jìn)行測量，該方法簡單，可重復(fù)性高。歐式距離[3]（Euclidean distance）也稱歐幾里得度量，是一個(gè)通常采用的距離定義，指在m維空間中兩個(gè)點(diǎn)之間的真實(shí)距離，或者向量的自然長度（即該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離）。在二維和三維空間中的歐氏距離就是兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離。我們建立的是三維模型，而三維空間兩點(diǎn)a（x1，y1，z1）與b（x2，y2，z2）間的歐氏距離要求我們對測量點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性。由于測量點(diǎn)不易準(zhǔn)確的選定以及測量時(shí)的個(gè)體差異，我們采用多次測量取平均值的方法來減小誤差充分利用了歐式距離測量時(shí)具有可重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)。

3.4虛擬測量的優(yōu)勢 運(yùn)用游標(biāo)卡尺對8個(gè)干標(biāo)本進(jìn)行人工測量，對每個(gè)左右側(cè)隱窩數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，從表2的結(jié)果考慮可能是由于干標(biāo)本在處理時(shí)，骨骼的脫水程度、安裝和有機(jī)質(zhì)損失等原因造成了測量數(shù)據(jù)的不可靠性。由此可見虛擬測量的必要性和優(yōu)勢。尸體標(biāo)本的實(shí)體測量多為線性測量，高度為上下椎弓根緣的連線，椎間孔的寬度是椎體后緣上下唇的連線下端到相對的關(guān)節(jié)突的距離，主要測量工具為游標(biāo)卡尺，另外還有探針法、模型法等[4]，但測量手段都比較粗糙，不夠精確。

常規(guī)平掃雖然可以相對普通平片較準(zhǔn)確顯示骨性側(cè)隱窩，但由于個(gè)體間的差異以及讀片醫(yī)生的不同會(huì)給定位帶來不同程度的誤差，而且二維圖像不能夠很好地顯示被檢部位的結(jié)構(gòu)，在顯示側(cè)隱窩區(qū)的病變時(shí)此缺點(diǎn)更為明顯。

自動(dòng)閾值分割對骨性組織敏感性較高，方便重建和可視化，利用三維觀察軟件可以將重建后的腰椎更清晰準(zhǔn)確地顯示側(cè)隱窩的結(jié)構(gòu)并可旋轉(zhuǎn)不同角度至觀察側(cè)隱窩的最佳位置，便于對骨性側(cè)隱窩更加精確的觀察分析以及數(shù)據(jù)的測量。重建技術(shù)還能通過重采樣并將二維圖像與三維圖像進(jìn)行配準(zhǔn)[5，6]，多視角展現(xiàn)椎間孔的形狀及其與相鄰結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，能較容易地?cái)喽ú∽兊某潭群头秶?，提供比普通平片和CT更多有意義的診斷信息。

本研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能直接顯示腰椎椎間孔的形態(tài)，并能對椎間孔的徑線及側(cè)隱窩進(jìn)行測量，與單一的二維徑線測量相比，三維側(cè)隱窩前后徑在反映椎間孔的大小方面更合理、更客觀。在病例與正常人的腰椎側(cè)隱窩前后徑變化趨勢圖中，可以得出個(gè)體側(cè)隱窩差異較為明顯，而病例個(gè)體除個(gè)別側(cè)隱窩外總體趨勢與正常人相近，應(yīng)考慮該側(cè)隱窩即疑似患病部位。考慮到個(gè)體差異與測量誤差因素，可以增加實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

腰椎側(cè)隱窩狹窄癥的診斷主要依靠臨床體檢和影像學(xué)檢查，影像學(xué)檢查對該病診斷的客觀依據(jù)主要是對側(cè)隱窩的測量?；谟跋駥W(xué)的虛擬測量便于在活體進(jìn)行，能夠有效準(zhǔn)確的輔助臨床診斷及治療。

虛擬測量的精度與操作者的熟練程度有一定的關(guān)系。在圖像處理的過程中，有價(jià)值的信息可能被改變甚至丟失，導(dǎo)致空間位置和形狀的改變。本研究通過多人多次重復(fù)測量，降低了偶然誤差與人為因素的影響。

利用3Dslicer及3dsmax的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人腰椎間孔徑測量中有著較高的可行性與可靠性。

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收稿日期：2017-8-20；修回日期：2017-8-30

編輯/成森